CN106949915B - 一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳传感器技术领域，特别涉及一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器。一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器，由依次连接的光纤接入段、外部固定装置、内部光纤固定装置、干涉空腔、温度和湿度传感器段组成。本发明提出了使用全氟磺酸型聚合物(Nafion)薄膜与光纤相结合而制作成的传感器，利用这种材料和结构使得单一的温度或湿度传感同时得以实现。
Description
技术领域
本发明属于微纳传感器技术领域，特别涉及一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器。
背景技术
温度和湿度的监测与我们的生活密切相关，而且广泛的应用到国民经济的各个领域，而复用型的温度和湿度传感器应用的领域更为广泛。除此以外，微纳型的传感器由于其本身具有的诸多优点例如：微型化、易集成等越来越受到行业内的青睐。
相比于其他类型的传感器，光纤传感器具有尺寸小、抗电磁干扰强、灵敏度高、电绝缘性好、耐腐蚀等诸多优点，在实际的应用中，也便于复用和组网，因而复合型的微纳光纤温度和湿度传感器拥有巨大的行业竞争力和广阔的应用前景。本发明提出了使用全氟磺酸型聚合物(Nafion)薄膜与光纤相结合而制作成的传感器，利用这种材料和结构使得单一的温度或湿度传感同时得以实现。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种简易可复用的温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器。
本发明的目的是这样实现的：
一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器，由依次连接的光纤接入段、外部固定装置、内部光纤固定装置、干涉空腔、温度和湿度传感器段组成；光纤接入段(1)用单模光纤将宽带光信号持续引入传感器将调制后的信号反馈；外部固定装置(2)用于保护和封装传感器的各个部分并且为传感器的制作提供了外部支架；内部光纤固定装置(3)将接入的光纤固定在石英玻璃管的正中心并防止其发生位移和错位；干涉空腔(4)形成法布里珀罗干涉腔的前半段，是形成干涉光谱的主要部分；温度和湿度传感器(5)构成干涉腔的后半段，在不同的温度和湿度环境下调制光信号。
所述光纤接入段为单模光纤，所述外部固定装置为石英玻璃管，所述内部光纤固定装置为紫外固化胶，所述干涉空腔为光纤端面与Nafion薄膜的内表面形成的空气腔，所述温度和湿度传感器为Nafion薄膜；石英玻璃管、单模光纤、空气腔以及Nafion膜均同轴。
所述外部固定装置石英玻璃管外径为400μm，内径为200μm；所述干涉空腔空气腔腔长为25μm～65μm；所述温度和湿度传感器Nafion膜的厚度为20μm～50μm。
所述接入段光纤采用普通的单模光纤与单模光纤相焊接，焊接的单模光纤长度为4cm～10cm，单模光纤纤芯直径为10μm，外径为125μm，温度和湿度传感器采用的Nafion薄膜为Nafion溶液与酒精混合溶液干燥而成。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了使用全氟磺酸型聚合物(Nafion)薄膜与光纤相结合而制作成的传感器，利用这种材料和结构使得单一的温度或湿度传感同时得以实现。
附图说明
图1为本发明实施例一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器的光谱随温度频移的图像和频移随温度变化的拟合曲线。
图3为本发明实施例一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器的光谱随湿度频移的图像和频移随湿度变化的拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器由依次连接的光纤接入段、外部固定装置、内部光纤固定装置、干涉空腔、温度和湿度传感器段组成；光纤接入段1用单模光纤将宽带光信号持续引入传感器将调制后的信号反馈；外部固定装置2用于保护和封装传感器的各个部分并且为传感器的制作提供了外部支架；内部光纤固定装置3主要作用是将接入的光纤固定在石英玻璃管的正中心并防止其发生位移和错位；干涉空腔4用于形成法布里珀罗干涉腔的前半段，是形成干涉光谱的主要部分；温度和湿度传感器5用于构成干涉腔的后半段以及在不同的温度和湿度环境下调制光信号。
所述光纤接入段为单模光纤，所述外部固定装置为石英玻璃管，所述内部光纤固定装置为紫外固化胶，所述干涉空腔为光纤端面与Nafion薄膜的内表面形成的空气腔，所述温度和湿度传感器为Nafion薄膜；石英玻璃管、单模光纤、空气腔以及Nafion膜均同轴。
所述外部固定装置石英玻璃管外径为400μm，内径为200μm；所述干涉腔空气腔长为25μm～65μm；所述温度和湿度传感器Nafion膜的厚度为20μm～50μm。
所述接入段光纤采用普通的单模光纤与单模光纤相焊接，焊接的单模光纤长度为4cm～10cm，单模光纤纤芯直径为10μm，外径为125μm；制备温度和湿度传感Nafion薄膜采用的溶液为Nafion溶液与酒精按一定比例混合而成，在制备Nafion薄膜之前务必对石英玻璃管用乙醇溶液对其进行超声处理，制备过程保证在无尘环境中进行。
实施例
本发明的一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器由依次连接的光纤接入段、外部固定装置、内部光纤固定装置、干涉空腔、温度和湿度传感器段组成；光纤接入段1用单模光纤将宽带光信号持续引入传感器将调制后的信号反馈；外部固定装置2用于保护和封装传感器的各个部分并且为传感器的制作提供了外部支架；内部光纤固定装置3主要作用是讲接入的光纤固定在石英玻璃管的正中心并防止其发生位移和错位；干涉空腔4用于形成法布里珀罗干涉腔的前半段，是形成干涉光谱的主要部分；温度和湿度传感器5用于构成干涉腔的后半段以及在不同的温度和湿度环境下调制光信号；
加工方法：
将Nafion溶液与乙醇按照体积比1:15的比例进行混合，然后超声处理，使其均匀混合得到薄膜制备溶液。
取一段长度适当的石英玻璃管，其内径为200μm，外径为400μm，在无尘的环境中对进行超声处理，保证内壁洁净无杂物。干燥之后，将其竖直固定，用滴管取一滴适量的薄膜制备溶液滴在石英玻璃管的上端面，由于毛细现象，薄膜制备溶液会在石英玻璃管的上半部分停留，经过干燥处理之后，薄膜制备溶液会逐渐形成一层薄膜如图1(5)所示，其厚度与溶液配备时的体积比和滴在毛细管内的量有关。
将两端切割平齐且长度为4cm-8cm的单模光纤与标准的单模光纤进行熔接，保证其熔接损耗小于0.1dB，其中单模光纤的纤芯直径为10μm，外径为125μm。通过显微操作台将焊接好的单模光纤一段***石英管中。
调整光纤端面相对于Nafion膜的位置，得到最优的干涉光谱后，使用紫外固化胶将接入光纤固定在石英玻璃管的正中心位置。
工作过程
将图1所示的微纳传感器的光纤接入段与单模光纤跳线熔接后，通过光纤耦合器或者光纤环形器接入光谱仪和宽带光源，从宽带光源发出的宽带光被传感器中的单模光纤端面和Nafion膜外表面构成的两个反射面(6、7)分别反射，两束反射光经过光纤环形器或者光纤耦合器返回光谱仪，返回的两束光发生干涉，获得双光束干涉谱。如图2所示。
本发明的一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器的测量原理为：
当环境的温度和湿度发生变化时，本发明的一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器的温度和湿度传感器段的折射率发生变化，从而使获得的反射光谱发生相应的频移。
以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制作方法进行了进一步的详细说明，本发明实现过程简单方便易于操作。
Claims (1)
1.一种温度和湿度光纤法布里珀罗复合微纳传感器，由依次连接的光纤接入段、外部固定装置、内部光纤固定装置、干涉空腔、温度和湿度传感器段组成；其特征在于：光纤接入段(1)用单模光纤将宽带光信号持续引入传感器将调制后的信号反馈；外部固定装置(2)用于保护和封装传感器的各个部分并且为传感器的制作提供了外部支架；内部光纤固定装置(3)将接入的光纤固定在石英玻璃管的正中心并防止其发生位移和错位；干涉空腔(4)形成法布里珀罗干涉腔的前半段，是形成干涉光谱的主要部分；温度和湿度传感器(5)构成干涉腔的后半段，在不同的温度和湿度环境下调制光信号；
所述光纤接入段为单模光纤，所述外部固定装置为石英玻璃管，所述内部光纤固定装置为紫外固化胶，所述干涉空腔为光纤端面与Nafion薄膜的内表面形成的空气腔，所述温度和湿度传感器为Nafion薄膜；石英玻璃管、单模光纤、空气腔以及Nafion膜均同轴；
所述外部固定装置石英玻璃管外径为400μm，内径为200μm；所述干涉空腔空气腔腔长为25μm～65μm；所述温度和湿度传感器Nafion膜的厚度为20μm～50μm；
所述接入段光纤采用普通的单模光纤与单模光纤相焊接，焊接的单模光纤长度为4cm～10cm，单模光纤纤芯直径为10μm，外径为125μm，温度和湿度传感器采用的Nafion薄膜为Nafion溶液与酒精混合溶液干燥而成；
加工方法：
将Nafion溶液与乙醇按照体积比1:15的比例进行混合，然后超声处理，使其均匀混合得到薄膜制备溶液；取一段长度适当的石英玻璃管，其内径为200μm，外径为400μm，在无尘的环境中对进行超声处理，保证内壁洁净无杂物；干燥之后，将其竖直固定，用滴管取一滴适量的薄膜制备溶液滴在石英玻璃管的上端面，由于毛细现象，薄膜制备溶液会在石英玻璃管的上半部分停留，经过干燥处理之后，薄膜制备溶液会逐渐形成一层薄膜；
将两端切割平齐且长度为4cm-8cm的单模光纤与标准的单模光纤进行熔接，保证其熔接损耗小于0.1dB，其中单模光纤的纤芯直径为10μm，外径为125μm；通过显微操作台将焊接好的单模光纤一段***石英管中；
调整光纤端面相对于Nafion膜的位置，得到最优的干涉光谱后，使用紫外固化胶将接入光纤固定在石英玻璃管的正中心位置；
工作过程：
将微纳传感器的光纤接入段与单模光纤跳线熔接后，通过光纤耦合器或者光纤环形器接入光谱仪和宽带光源，从宽带光源发出的宽带光被传感器中的单模光纤端面和Nafion膜外表面构成的两个反射面分别反射，两束反射光经过光纤环形器或者光纤耦合器返回光谱仪，返回的两束光发生干涉，获得双光束干涉谱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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