CN101614661A - 基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于法布里－珀罗干涉仪的微探针型湿度计，它由普通单模光纤、大芯径空芯光纤、大数值孔径多模光子晶体光纤组成；普通单模光纤、大芯径空芯光纤、大数值孔径多模光子晶体光纤顺次熔接固定；大芯径空芯光纤的空芯内填充有水凝胶填充物；大数值孔径多模光子晶体光纤的长度小于大芯径空芯光纤的长度，且大数值孔径多模光子晶体光纤裸露端的外包层上的空气孔形成通孔。本发明还公开了前述湿度计的制作方法。本发明的有益技术效果是：提供了一种制作简单，测量准确性较好、体积小巧、适用范围广的新型湿度计。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器及其制作方法，尤其涉及一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计及其制作方法。
背景技术
目前，在仓库、博物馆、图书馆、计算机中心和一些工厂(比如微电子工业)中都需要随时监测空气中湿度的变化，以保证保存的粮食、物品、资料等重要财产不发生受潮和霉变，因此对环境湿度的测量具有重要的实际应用意义，研究开发新型的湿度传感器显得越来越重要，并已引起了国内外学者的广泛关注。
传统的湿度计对电磁干扰的抵抗能力较差，不适合远距离测量，并且在小体积领域受到限制，最重要的是不能应用于环境较恶劣的区域的湿度测量，因此传统湿度计具有一定的局限性。
光纤传感器以其结构小、重量轻、复用能力强、抗电磁干扰、能在恶劣环境下使用、适合在线和远距离监测、分辨率高等优点越来越受到人们的青睐，是代替传统湿度计的较好选择。例如，已有利用长周期光纤光栅来进行环境湿度测量的文献报道，开辟了湿度测量领域的新时代。然而，这种长周期光纤光栅湿度传感器具有机械强度低、温度交叉敏感、测量范围小、非线性灵敏度低等缺点，在实际应用中受到很多限制。光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉传感器，简称光纤F-P传感器，是目前历史最长、技术最为成熟、应用最为广泛的一种光纤传感器，已经被成功用于温度、应变、压力、位移、超声波、折射率等多种参数的测量，并已形成商用化。其中，应用光纤F-P传感器来实现生化传感已逐渐成为近年来的研究热点。特别是，由于光纤F-P传感器具有精度高、测量范围大、复用能力强、响应速度快等独特优势，用它来进行湿度测量将比光纤光栅具有更大的优势。
发明内容
本发明公开了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计，它由普通单模光纤、大芯径空芯光纤、大数值孔径多模光子晶体光纤组成；普通单模光纤、大芯径空芯光纤、大数值孔径多模光子晶体光纤顺次熔接固定；大芯径空芯光纤的空芯内填充有水凝胶填充物；大数值孔径多模光子晶体光纤的长度小于大芯径空芯光纤的长度，且大数值孔径多模光子晶体光纤裸露端的外包层上的空气孔形成通孔。
本发明还公开了一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计的制作方法，该方法的工艺步骤包括：
1)根据需要的长度切割普通单模光纤，采用手动熔接的方法将大芯径空芯光纤的一端与普通单模光纤熔接；
2)根据需要的F-P腔长度，切割大芯径空芯光纤；
3)将配制好的水凝胶填充物填充入大芯径空芯光纤的空芯内，保温使水凝胶填充物稳定；
4)采用手动熔接的方法将大芯径空芯光纤的另一端与大数值孔径多模光子晶体光纤熔接；
5)切割大数值孔径多模光子晶体光纤，使大数值孔径多模光子晶体光纤裸露端的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通大芯径空芯光纤内的水凝胶填充物与外环境。
大数值孔径多模光子晶体光纤可采用高数值孔径光子晶体光纤，也可通过157nm准分子激光、飞秒激光等激光微加工手段在实芯光纤上加工而成；大芯径空芯光纤可采用空芯光纤或光子晶体光纤，也可采用通过化学腐蚀手段或激光微加工手段形成通孔的实芯光纤。
步骤4)中熔接大芯径空芯光纤与大数值孔径多模光子晶体光纤时，使大数值孔径多模光子晶体光纤离放电区域中心轴线25μm。
步骤1)和4)中熔接操作时的电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。
所述的普通单模光纤的外径为125μm，纤芯直径为8～10μm；大芯径空芯光纤的外径为125～300μm，内径为5～200μm；大数值孔径多模光子晶体光纤外径为115～300μm，纤芯直径为5～15μm；外包层上的空气孔所形成的通孔直径为2～50μm。
本发明的有益技术效果是：提供了一种制作简单，测量准确性较好、体积小巧、适用范围广的新型湿度计。
附图说明：
图1，本发明的湿度计的结构示意图；
图2，本发明的湿度计的电子显微侧面照片；
图3，本发明的湿度计的电子显微端面照片；
图4，本发明湿度计在38％和78％时的干涉谱；
图5，采用本发明的湿度计检测外界环境湿度的实验原理图；
图6，本发明的湿度计的光程差与外界环境湿度的关系图；
附图中：普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2、大数值孔径多模光子晶体光纤3、水凝胶填充物4、光谱仪5-1、耦合器5-2、湿度计5-3、高低温交变湿热箱5-4、笔记本电脑5-5。
具体实施方式
附图1为大数值孔径多模光子晶体光纤3采用MM-HNA-5多模光子晶体光纤的一个具体结构示意图，普通单模光纤1、大芯径空芯光纤2和MM-HNA-5多模光子晶体光纤顺次熔接固定；普通单模光纤1的外径为125μm，纤芯直径为8μm，大芯径空芯光纤2的外径为125μm，内径为40μm，MM-HNA-5多模光子晶体光纤的外径为115μm，纤芯直径为5μm；大芯径空芯光纤2的内部形成干涉腔，水凝胶填充物4填充在大芯径空芯光纤2的干涉腔内；MM-HNA-5多模光子晶体光纤的长度小于大芯径空芯光纤2的长度，且MM-HNA-5多模光子晶体光纤的长度足够短，使MM-HNA-5多模光子晶体光纤裸露端的外包层上的空气孔形成通孔，通孔直径为15μm，通孔将大芯径空芯光纤2的干涉腔与外环境连通，因此，外环境的水汽就能通过通孔进入到大芯径空芯光纤2的干涉腔，被大芯径空芯光纤2干涉腔内填充的水凝胶填充物4吸收，从而改变水凝胶填充物4的折射率。
附图2为制作好的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计，它的制作方法简单，其具体步骤如下：
1)根据需要的长度切割普通单模光纤1，采用手动熔接的方法将MM-HNA-5多模光子晶体光纤的一端与普通单模光纤1熔接；
2)根据需要的F-P腔长度，切割MM-HNA-5多模光子晶体光纤；
3)将配制好的水凝胶填充物4填充入MM-HNA-5多模光子晶体光纤的空芯内，保温使水凝胶填充物4稳定；
4)采用手动熔接的方法将MM-HNA-5多模光子晶体光纤的另一端与大数值孔径多模光子晶体光纤3熔接；
5)切割大数值孔径多模光子晶体光纤3，使大数值孔径多模光子晶体光纤3裸露端的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通大芯径空芯光纤2内的水凝胶填充物4与外环境。
步骤4)中熔接大芯径空芯光纤2与大数值孔径多模光子晶体光纤3时，使大数值孔径多模光子晶体光纤3离放电区域中心轴线25μm；步骤1)和4)中熔接操作时可采用FurukawaS176熔接机，其电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms；步骤5)中通孔的形成不需要进行特殊的加工，由于光纤的剖面是凹凸不平的，因此，在切割光纤的长度足够短时，通孔就自然形成了；如附图3所示，图中是本发明湿度计的端面图，由于MM-HNA-5多模光子晶体光纤的外径为115μm，纤芯直径为5μm，纤芯周围通孔的直径为15μm，因此周围环境中的水汽能够很容易的通过通孔进入干涉腔，从而被水凝胶填充物4吸收，引起自身折射率的变化。
附图4为1520-1570nm波谱范围内湿度计的实物干涉谱，在这个范围内，干涉条纹比较光滑、规则，且干涉条纹的对比度较高，约为4dB，为后续的信号处理提供了一定的基础。当周围环境中的水汽进入F-P腔以后，水凝胶填充物4吸收水汽使得自身折射率发生变化，干涉条纹发生漂移。对于每一种湿度，我们都进行了多次测量，取其测量的平均值。因此，本发明的湿度计具有比较好的测量准确性。此外，随着干涉腔内水凝胶填充物4折射率的变化，干涉条纹的光强下降，我们分析主要是由于随着干涉腔内水凝胶填充物4折射率的减小，反射面的反射率将降低，从而导致反射光强的减小。
附图5为基于本发明的一种测量装置结构示意图，它由光谱仪5-1、耦合器5-2、湿度计5-3、高低温交变湿热箱5-4和笔记本电脑5-5组成；光谱仪5-1(型号：Si720)被用来监测湿度计5-3的输出光谱，其波长分辨率和精度分别为0.25pm和1pm；光谱仪5-1发出的光经过一个2×1的耦合器5-2进入湿度计5-3，被反射回来的光再次经过耦合器5-2进入光谱仪5-1的输入端，在测量过程中，湿度计5-3置于高低温交变湿热箱5-4中，调节箱内湿度变化，由于MM-HNA-5多模光子晶体光纤3包层的空孔足够大，环境中的水汽能够比较快速地进入F-P腔，被F-P腔内的水凝胶填充物4吸收，随着水凝胶填充物4折射率的变化，该湿度计的光程差会随之发生变化，其变化规律如附图6所示，可以看出，在38％～98％的范围内，微探针型湿度计的光程差随着外界环境湿度的增加而线性减小，其灵敏度为～389.1nm/RH10％；在每次测量一种湿度状态时，湿度计5-3应在该湿度状态下稳定放置10～20分钟，以便让F-P腔内的水凝胶填充物4充分吸收周围环境中的水汽，引起自身折射率改变，等到光谱仪5-1显示光谱稳定以后再采集数据；经过连接的笔记本电脑5-5进行数据存储与处理，根据采集数据解调得出干涉光光程差变化与环境相对湿度变化的对应关系。
Claims (8)
1、一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计，其特征在于：它由普通单模光纤(1)、大芯径空芯光纤(2)、大数值孔径多模光子晶体光纤(3)组成；普通单模光纤(1)、大芯径空芯光纤(2)、大数值孔径多模光子晶体光纤(3)顺次熔接固定；大芯径空芯光纤(2)的空芯内填充有水凝胶填充物(4)；大数值孔径多模光子晶体光纤(3)的长度小于大芯径空芯光纤(2)的长度，且大数值孔径多模光子晶体光纤(3)裸露端的外包层上的空气孔形成通孔。
2、根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计，其特征在于：所述的普通单模光纤(1)的外径为125μm，纤芯直径为8～10μm；大芯径空芯光纤(2)的外径为125～300μm，内径为5～200μm
3、根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计，其特征在于：大数值孔径多模光子晶体光纤(3)外径为115～300μm，纤芯直径为5～15μm；外包层上的空气孔所形成的通孔直径为2～50μm。
4、一种基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计的制作方法，其特征在于：该方法的工艺步骤包括：
1)根据需要的长度切割普通单模光纤(1)，采用手动熔接的方法将大芯径空芯光纤(2)的一端与普通单模光纤(1)熔接；
2)根据需要的F-P腔长度，切割大芯径空芯光纤(2)；
3)将配制好的水凝胶填充物(4)填充入大芯径空芯光纤(2)的空芯内，保温使水凝胶填充物(4)稳定；
4)采用手动熔接的方法将大芯径空芯光纤(2)的另一端与大数值孔径多模光子晶体光纤(3)熔接；
5)切割大数值孔径多模光子晶体光纤(3)，使大数值孔径多模光子晶体光纤(3)裸露端的外包层上的空气孔形成通孔，该通孔连通大芯径空芯光纤(2)内的水凝胶填充物(4)与外环境。
5、根据权利要求4所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计的制作方法，其特征在于：大数值孔径多模光子晶体光纤(3)可采用高数值孔径光子晶体光纤，也可通过157nm准分子激光、飞秒激光等激光微加工手段在实芯光纤上加工而成；大芯径空芯光纤(2)可采用空芯光纤或光子晶体光纤，也可采用通过化学腐蚀手段或激光微加工手段形成通孔的实芯光纤。
6、根据权利要求4所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计的制作方法，其特征在于：步骤4)中熔接大芯径空芯光纤(2)与大数值孔径多模光子晶体光纤(3)时，使大数值孔径多模光子晶体光纤(3)离放电区域中心轴线25μm。
7、根据权利要求4所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计的制作方法，其特征在于：步骤1)和4)中熔接操作时的电弧功率为45，预放电时间为170ms，放电持续时间为800ms。
8、根据权利要求4所述的基于法布里-珀罗干涉仪的微探针型湿度计的制作方法，其特征在于：所述的普通单模光纤(1)的外径为125μm，纤芯直径为8～10μm；大芯径空芯光纤(2)的外径为125～300μm，内径为5～200μm；大数值孔径多模光子晶体光纤(3)外径为115～300μm，纤芯直径为5～15μm；外包层上的空气孔所形成的通孔直径为2～50μm。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110511 Termination date: 20110724 |