[发明专利]基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器

说明书

本发明公开了一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫‑曾德尔干涉湿度传感器，包括依次连接的入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；入射光纤用于输入光信号，分束器使得从入射光纤中进来的光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂用于形成传输不同的光波传输模式同时接收外界环境变化信息；合束器使得从干涉臂中进来的光信号经过合束器耦合到出射光纤中；出射光纤用于输出光信号，并将光信号传输到检测设备中。本发明对干涉臂部分的少模光纤进行了化学腐蚀处理增加倏逝波泄漏，并在该区域的光纤表面涂覆氧化石墨烯薄膜以提高对水分子的吸附性能，利用涂覆氧化石墨烯薄膜的少模光纤与周围环境中的氨气分子相互作用达到优化传感的目的。

技术领域

本发明提出了一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

相对湿度传感至关重要，广泛用于食品加工，农业生产，生物制药，仪器制造和结构健康监测等各种领域。尽管传统的电化学相对湿度(RH)传感器具有测量精度高的优点，但该类传感器在易腐蚀，强电磁干扰和远程检测的环境中应用受到限制。自从光纤传感器问世以来，由于其结构紧凑，抗电磁干扰，响应时间快，精度高，稳定性好等优点，它被认为是克服了电化学湿度传感器缺点的理想选择。如今，研究者已经开发出了各种基于不同传感原理和结构的光纤传感器来检测相对湿度，包括光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光栅(LPG)、法布里-珀罗(FP)光纤传感器、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、迈克尔逊和萨格纳克干涉仪、侧抛光光纤、微纳光纤或微纳光纤谐振环，以及表面等离振子共振。特别地，一些湿度传感器由空心光纤，无芯光纤、塑料光纤、少模光纤、保偏光纤和光子晶体光纤制备。但是，不少这些传感器存在局限性：微纳光纤结构难以制备且非常脆弱；光纤FBG或FP结构制造复杂；光子晶体光纤价格昂贵。各种湿敏材料用于光纤湿度传感器，以使其对相对湿度变化更加敏感，例如聚酰亚胺、壳聚糖、PMMA、金属氧化物、琼脂糖凝胶、聚乙烯醇(PVA)和二硫化钨。一些用于湿度传感的增敏材料(例如PVA，琼脂糖和壳聚糖)存在片径纵横比小的缺点，这限制了它们检测相对湿度变化的能力。此外，湿度传感应用还必须平衡湿敏材料获取、涂覆难度以及传感效果是否良好之间的关系。

石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有比表面积大、导热系数高、机械强度大等优良性能。氧化石墨烯(GO)是石墨烯最重要的衍生物之一，它在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使得其有着良好的分散性、亲水性、高长宽比等特性，可以稳定的分散于水溶液或者乙醇溶液中。在湿度传感领域，GO具有独特的亲水性和较大的表面积，可以与外部水分子充分相互作用，因此该材料具有优异的吸湿性。利用GO薄膜吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，可制成光纤湿度传感器。各种研究报告表明，GO具有比其他材料(如聚乙烯醇(PVA)，琼脂糖和壳聚糖)更强的湿度传感效果。

马赫-曾德尔干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光纤传感器中被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。高灵敏度的马赫-曾德尔光纤传感仪结合氧化石墨烯的良好吸湿性能，传感器的灵敏度将会得到进一步的提升。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一个低成本、易制备、灵敏度高的光纤湿度传感器。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种基于氧化石墨烯增敏的光纤马赫-曾德尔干涉湿度传感器，包括：入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；干涉臂包括第一干涉臂和第二干涉臂；入射光纤的输出端连接分束器输入端，分束器的输出端连接第一干涉臂和第二干涉臂的输入端，第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接合束器的两个输入端，合束器的输出端与出射光纤的输入端连接。

入射光纤，该光纤用于输入光信号；