CN113281303A - 一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤fpi湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器。该传感器包括单模光纤、石英管和聚酰亚胺，将单模光纤与石英管进行熔接后对石英管进行特定长度的切割，同时在石英管一侧开孔，使其与外界空气连通。再在石英管末端填充一定厚度的聚酰亚胺，从而形成三面反射式，且具有游标效应的湿度传感器，有效提高了测量湿度的灵敏度，大大缩短了传感器的响应时间。本发明具有体积小、易于操作、灵敏度高等优点，具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器。
技术背景
基于法布里—珀罗干涉原理制备的光纤传感器已经被广泛应用于多个领域，当它被应用于湿度监测时，我们一般采用低精细度F-P传感腔，即直接或间接地在平整的光纤端部涂敷一层湿度敏感材料来充当反射镜，光纤F-P相对湿度传感器除了拥有其它光纤相对湿度传感器的优点外，还具备传感原理简单、易制备、高灵敏度及成本低等优点。当湿度敏感膜与水分子发生相互作用的时候，干涉谱的光信号(如强度、波长、相位等)会随着外界环境湿度的改变而发生变化，我们一般是通过解调光波长的变化与环境湿度建立联系，从而获得相对应的湿度信息。制备聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)是含有酰亚胺基团的有机高分子，折射率约为1.70，由于具有可线性膨胀、成膜性好、耐热性高，机械性能优良及能在复杂的化学环境中稳定存在等优点，已经成为了目前最受欢迎的湿度敏感材料之一。
发明内容
本发明是为了解决现有的湿度传感器精度低、灵敏度较低、结构复杂的问题，现提供基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器。
基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器，它包括单模光纤(31)，石英管 (32)和聚酰亚胺填充物(33)；首先将石英管(32)和单模光纤(31)进行熔接，形成第一反射面(311)，另一端填充适当长度的聚酰亚胺，形成第二反射面(312)，聚酰亚胺填充物(33)末端与空气之间形成第三反射面(313)。其中，反射面M1(311)与反射面M2(312)组成空气法布里—珀罗(Fabry-Perot， FP)腔，腔长为L1(321)，反射面M2(312)与反射面M3(313)组成的聚酰亚胺FP腔，腔长为L2(322)，接下来使用砂纸将石英腔侧面打磨出两个小孔 (34)使腔内有空气进入，由此提高传感器的灵敏度与缩短响应时间。由于空气 FP腔与聚酰亚胺FP腔的光程差近似相等产生了光学游标效应，进而形成了一个具有游标效应的光纤湿度传感器。
基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器的腔内湿度H发生改变时，将会导致腔内折射率n发生改变，此时的变化量为△n，进而使干涉包络发生平移，此时平移量为△s。
宽带光源(1)所发出的光信号经环形器(2)进到传感头，入射光会依次经过三个反射面，由于反射面的折射率失配，部分入射光会反射回来。所以第一反射面(311)和第二反射面(312)会形成一个空气腔，腔长为L1(321)；第二反射面(312)和第三反射面(313)形成一个聚酰亚胺腔，腔长为L2(322)。其中，第一反射面(311)反射回来的光复振幅为E1，第二反射面(312)反射回来的光复振幅为E2，第三反射面(313)反射回来的光复振幅为E3。反射光E1、 E2和E3发生干涉，经过环形器(2)被光谱仪(3)接收，显示出传感器的干涉光谱。
所述的基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器的预设温度为T＝22T℃。
所述的基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器的湿度与折射率之间的关系公式为：
所述的基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器的折射率变化△n与干涉谱平移△s关系公式为：
Δn＝α·Δs (2)
式中，α为预设常数，可根据经验值进行设定。
附图说明
图1为发明的实验装置图。
图2为传感器的简图。
具体实施方式
为了更加清楚和简明地说明未详细介绍的特征、相关的制作/处理步骤和具体实施的限定条件，下文将结合图1和图2对基于一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器的具体实施方式进行描述。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤 FPI湿度传感器包括宽带光源(1)、环形器(2)、光谱仪(3)、传感头 (4)，其中：
所述传感头(4)由单模光纤(31)，石英管(32)和聚酰亚胺填充物 (33)构成；将石英管(32)和单模光纤(31)进行熔接，形成第一反射面 (311)，另一端是聚酰亚胺填充物(33)，形成第二反射面(312)，聚酰亚胺填充物(33)末端与空气之间形成第三反射面(313)。接下来使用砂纸将石英腔侧面打磨出两个小孔(34)使腔内有空气进入，由此提高传感器的灵敏度与缩短响应时间。
所述宽带光源(1)所发出的光信号经环形器(2)进到传感头，入射光会依次经过三个反射面，由于反射面的折射率失配，部分入射光会反射回来。所以第一反射面(311)和第二反射面(312)会形成一个空气腔，腔长为L1 (321)；第二反射面(312)和第三反射面(313)形成一个石英腔，腔长为L2 (322)。其中，第一反射面(311)反射回来的光复振幅为E1，第二反射面 (312)反射回来的光复振幅为E2，第三反射面(313)反射回来的光复振幅为 E3。反射光E1、E2和E3发生干涉，经过环形器(2)被光谱仪(3)接收，显示出传感器的干涉光谱。
本实施方式中的宽带光源(1)用来产生光信号，宽带光源(1)发出的光信号经过环形器(2)后进入传感头，依次经过空气腔与聚酰亚胺填充腔，经三个反射面反射回来的光发生干涉经过环形器(2)被光谱仪(3)接收。光谱仪 (3)显示出的干涉光谱是由于游标效应产生的包络光谱。由于半填充和游标效应的光纤湿度传感器的亚胺腔内湿度H发生改变时将会导致腔长发生改变，因此会改变亚胺腔内的光程差，使反射包络光谱发生频移，由此可以对外界湿度进行检测。
具体实施方式二：结合图2描述本发明中传感头的制作方法，本实施方式是对实施方式一所述的基于半填充和游标效应的光纤湿度传感器的进一步限定，本实施方式中石英管(32)内径为75μm，外径为125μm，长度为200μm，小孔直径20μm；单模光纤外径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤长度为50cm。由第一反射面(311)和第二反射面(312)构成的FP腔称为空气腔，该腔的自由光谱范围为6.01nm。聚酰亚胺填充物(33)外径为125μm，内径为75μm，纤芯直径为9μm，长度为147.7μm，由第二反射面(313)和第三反射面(313)构成的FP腔称为聚酰亚胺填充腔，该腔的自由光谱范围为 5.61nm。本发明的制作过程均在恒温条件下进行。
本实施方式限定了石英管(32)内径为75μm，外径为125μm，长度为 200μm，小孔直径20μm；由第一反射面(311)和第二反射面(312)构成的 FP腔称为空气腔，该腔的自由光谱范围为6.01nm。聚酰亚胺填充腔(33)外径为125μm，内径为25μm，纤芯直径为9μm，长度为147.7μm，由第二反射面(313)和第三反射面(313)构成的FP腔称为填充腔，该腔的自由光谱范围为5.61nm。单模光纤外径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤长度为50cm。传感头的具体制作步骤如下：
单模光纤与石英管熔接：
用精密光纤熔接机将截面均平滑的单模光纤一端与石英管一端的进行熔接。其中，单模光纤的外径和空芯光纤的外径相同，均为125μm，根据实际测量要求选取不同长度不同内径的石英管。本示例中，石英管的长度为200μm，小孔直径20μm，石英管的内径为75μm，单模光纤的长度为50cm，单模光纤纤芯直径为9μm。
聚酰亚胺的填充：
用精密光纤熔接机将单模光纤另一端与石英管熔接。其中，单密光纤和石英管的外径相同，为保证游标效应需要将聚酰亚胺填充进石英管腔一半，石英管(33)光纤外径为125μm，内径为25μm，纤芯直径为9μm、长度为 147.7μm，自由光谱范围为5.61nm。
首先，利用胶带将石英管固定在载玻片上，为保证填充效果，制作过程均在高倍显微镜下完成，先将单模光纤与石英管一端进行熔接。其次，采用半填充方式将石英管后半段进行填充。最后，根据制作需求对石英管进行切割。
Claims (4)
1.一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器，其特征在于，所述湿度传感器包括宽带光源(1)、环形器(2)、光谱仪(3)、传感头(4)，其中：
所述传感头(4)由单模光纤(31)，石英管(32)和聚酰亚胺填充物(33)构成；将石英管(32)和单模光纤(31)进行熔接，形成第一反射面(311)，另一端填充适当长度的聚酰亚胺，形成第二反射面(312)，聚酰亚胺填充物(33)末端与空气之间形成第三反射面(313)，其中；
所述宽带光源(1)发出的光信号经过环形器(2)后进入传感器头(4)，经传感器头(4)反射回来的光信号通过环形器(2)进入光谱仪(3)。
2.根据权利要求1所述的一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器，其特征在于，所述石英管(32)内径为75μm，外径为125μm,长度为200μm，小孔直径20μm，由第一反射面(311)和第二反射面(312)构成的FP腔称为空气腔，该腔的自由光谱范围为6.01nm。
3.根据权利要求1所述的一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺填充物的聚酰亚胺的湿膨胀系数为(6～9)×10-5/％,热膨胀系数为(4～5)×10-5/℃,泊松系数为0.25～0.45,杨氏模量为2.45×109Pa。
4.根据权利要求1所述的一种游标增敏的半填充聚酰亚胺光纤FPI湿度传感器，其特征在于，所述单模光纤外径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤长度为50cm。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210820 |