[实用新型]一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器

说明书

技术领域

本实用新型专利提供了一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

光纤传感器已经被广泛的应用到光传感技术领域，例如温度、应力、折射率和湿度等领域。近年来基于马赫-曾德的湿度传感器已经提出很多。研究者通过改变结构和湿敏膜来提高湿度传感器的灵敏度。很多湿敏膜包括水凝胶，金属氧化膜，聚合物矩阵等。然而在制作的过程中总是遇到一些问题，例如结构制作复杂，柔韧性差，成本高。对于制备湿敏膜来说，一些湿敏膜具有毒性，溶解困难，或很难修饰在光纤上。因此提出一种柔韧性好的结构和制备简单的湿敏膜具有重要的研究价值和良好的应用前景。

全光纤的马赫-曾德干涉仪具有灵敏度高，制作简单，成本低、结构微小等优点。可用于折射率、温度、湿度等参量的测量。因此一种成本低廉，制作简单可以测量湿度的新型光纤传感器被提出。该传感器由一个短的光子晶体光纤通过坍塌熔接拼接两标准单模光纤之间形成一个MZI(Mach-Zehnder interferometer)，并在光子晶体光纤表面涂敷甲基纤维素膜。该传感器通过改变湿度对波长和强度具有不同的响应灵敏度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器。该传感器可以通过强度解调和波长解调实现对湿度的测量，并且具有结构紧凑微小，成本低等优点。

本实用新型通过以下技术实现：

一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：由入射光纤(1)、第一个坍塌空气孔结构(2)、甲基纤维素膜(3)、光子晶体光纤(4)、第二个坍塌空气孔结构(5)、出射光纤(6)组成；甲基纤维素膜(3)、光子晶体光纤(4)、第一个坍塌空气孔结构(2)、第二个坍塌空气孔(5)构成全光纤马赫-曾德干涉仪。

一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：入射光纤(1)、出射光纤(6)均可采用G.652单模光纤，光子晶体光纤(4)、第一个坍塌空气孔结构(2)、第二个坍塌空气孔结构(5)均采用单模光子晶体光纤(LMA-10，NKT Photo-nics)。

一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器，其特征在于：第一个坍塌空气孔结构(2)、第二个坍塌空气孔结构(5)长度d均为108.00μm，光子晶体光纤(4)长度l为51.00mm，甲基纤维素膜(3)厚度d_t为2.20μm。

本实用新型的工作原理是：

光纤传感器结构由一个短的表面涂敷甲基纤维素膜的光子晶体光纤通过坍塌熔接拼接两标准单模光纤之间组成，在输入光纤中传输的光经过第一个倒塌的空气孔结构，单模光纤中的光进入包层，包层模式将激发并传播在光子晶体光纤包层区域，当光子晶体光纤的包层的光达到湿敏膜区域，湿敏膜结构可以提高传输光的倏逝场穿透深度范围，使得在传输区域传输的光更易受到外界环境的影响，有效地提高测量灵敏度，当两束光到达第二个坍塌空气孔结构时，此时第二个坍塌空气孔结构起到耦合器的作用，使得包层中传输的光进入纤芯与纤芯中传输的光发生干涉。即在光谱仪上显示干涉光谱，其干涉光强度分布的公式为：

其中I_core和I_cladding分别为在纤芯与在包层中传输的光的光强，Φ₀是初始相位，Φ是纤芯模与包层模的相位差。其中Δ_neff是纤芯与包层之间的有效折射率差，λ为工作波长，L是干涉长度。当相位差Φ＝(2m+1)π时，m＝0，1，2，3，...，就会产生强度最低时的波长，其表达式为

随着外界湿度的变化，涂敷在光纤端面的甲基纤维素膜会吸收外界环境中的水分子，使湿敏膜膨胀从而改变它的折射率，使得Δn_eff发生变化，因为外界环境的改变不会影响纤芯的有效折射率，而会直接影响包层的有效折射率，这说明λ_m随着外界湿度的变化而变化。因此可通过监测波长变化测量湿度的变化。同时随着湿度的变化，有效折射率差Δn_eff影响相位差Φ的变化，由干涉光强度分布的公式可知Φ影响了光强I的变化，因此可以通过光强强度的变化来监测外界湿度的变化。

附图说明

图1是一种基于甲基纤维素修饰的光子晶体光纤湿度测量传感器结构示意图

图2是不同湿度下的透射光谱图

图3是波长漂移量与湿度的关系图

图4是强度漂移量与湿度的关系图