CN202994329U - 一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器 - Google Patents

一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器 Download PDF

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唐学敏
金永兴
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Abstract

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器。本实用新型光纤3dB耦合器一侧的两个端口分别连接宽带光源和光谱仪，另一侧的两个端口连接保偏长周期光纤光栅的两端，形成一个光纤环镜结构，所述的湿度敏感材料涂覆在保偏长周期光纤光栅表面，利用CO2激光器在保偏光纤上写入长周期光纤光栅，然后与单模3dB光纤耦合器组合成光纤环镜。其中保偏长周期光纤光栅表面涂覆一层壳聚糖CS薄膜湿度敏感材料实现湿度和温度的同时测量。本实用新型传感器装置的体积小，成本低、结构简单，灵敏度高，可广泛应用于多种环境下温度和湿度参数的同时检测。

Description

一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器。
背景技术
温度和湿度都会对工业生产、农业生产的各个环节产生影响，因此能够同时测量环境中温度和湿度的变化会给工农业生产中的测量带来不少便利。传统传感器在某些特殊如强电磁场或易燃易爆场合下，难以进行有效检测。与传统的传感器相比，光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、适于易燃易爆环境使用以及便于多点多参量测量等优点，属于非接触、非破坏性测量。
长周期光纤光栅(LPG)具有独特的传感特性，如无后向反射以及谐振波长会因应变、温度等外界变化因素而发生漂移，在光纤通信与传感器件方面获得了很大的发展。随着应用领域的扩大与技术的进展，人们开始探索在特种光纤如在用于传输偏振光的保偏光纤上制作LPG。
在光纤环镜中，由于保偏光纤具有两个不同的极化方向，对温度、折射率等参量非常敏感，因此可以广泛应用于传感器中进行感应。本实用新型将长周期光纤光栅与保偏光纤环镜相结合，用高频CO2激光脉冲在熊猫型保偏光纤上刻写LPG，由该保偏长周期光纤光栅(PM-LPG)与单模光纤耦合器组成光纤环镜，并在PM-LPG的表面涂覆一层壳聚糖CS薄膜来对湿度进行测量，使得该传感器能对湿度与温度同时进行测量。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器技术方案，以实现对周围环境相对湿度和温度的同时测量。
所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于包括宽带光源、光纤3dB耦合器、保偏长周期光纤光栅、壳聚糖CS薄膜、光谱仪，所述的光纤3dB耦合器一侧的两个端口分别连接宽带光源和光谱仪，另一侧的两个端口连接保偏长周期光纤光栅的两端，形成一个光纤环镜结构，所述的湿度敏感材料涂覆在保偏长周期光纤光栅表面。
所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于所述的保偏长周期光纤光栅长度60-80mm，中心波长1550-1555nm，长周期光纤光栅周期为590μm、周期数为65。
所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于所述的保偏长周期光纤光栅是由高频CO2激光脉冲在熊猫型保偏光纤上刻写长周期光纤光栅得到的。
所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于所述的壳聚糖CS薄膜通过溶胶-凝胶法配置的水凝胶，其折射率和厚度随着外界湿度变化而变化。
本实用新型的优点在于：利用光纤结构，使传感器具有抗电磁干扰性等特点。利用CO2激光脉冲在熊猫型保偏光纤上刻写长周期光纤光栅，同时在保偏长周期光栅表面涂覆壳聚糖CS薄膜吸收水分，利用光纤环境和长周期光纤光栅组成的传感器对温度和湿度都非常敏感，同时灵敏度系数不同，采用敏感矩阵达到对湿度和温度的同时测量。传感器结构紧凑简单、体积小、成本低。
附图说明
图1是本实用新型一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型做进一步说明。
本实用新型是一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，包括宽带光源1、光谱仪2、光纤3dB耦合器3、保偏长周期光纤光栅4、壳聚糖CS薄膜5，所述的光纤3dB耦合器3一侧的两个端口分别连接宽带光源1和光谱仪2，另一侧的两个端口和所述的保偏长周期光纤光栅4的两端分别连接，形成光纤环结构的光纤环镜，所述的保偏长周期光纤光栅4为熊猫型保偏光纤，其上刻写的周期为590μm、周期数为65、长度为24mm，所述的壳聚糖CS薄膜5涂覆在刻写的保偏长周期光纤光栅4表面上，即涂覆在PM-LPG上。
本实用新型所述一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器的工作方式为：宽带光源发出的光经3dB耦合器分成光强相等的两束相向传输的光，这两束光沿光纤环相反方向传输一周后回到光纤耦合器输入输出端口输出，由保偏光纤引起的相对相位差使得两束沿光纤环相对光相遇，在耦合器内发生了干涉，输出的光谱可以通过分辨率为0.01nm的光学频谱分析仪来观测。同时由于光纤环内长周期光纤光栅存在，输出的干涉谱受到长周期光纤光栅的调制，不同偏振态的波峰-波谷点均形成规律性的透射谱。表层涂有壳聚糖CS薄膜会因受到湿度的影响而改变光纤有效折射率，所以长周期光纤光栅和光纤环镜对温度和湿度具有很高的灵敏性，温度变化ΔT和湿度ΔRH的改变会引起传感器谐振波长的漂移Δλ和峰值功率的变化ΔP。利用敏感矩阵，通过监测光纤环镜透射谱特定谐振峰处的强度变化ΔP及波长漂移Δλ，实现对外界相对湿度与温度两者的同时测量。
本实用新型能够实现温度和湿度同时测量的关键技术为：利用CO2激光器在保偏光纤上写入长周期光纤光栅，然后与单模光纤耦合器连接起来形成光纤环镜，并在保偏长周期光栅(PM-LPG)表面涂覆一层壳聚糖CS湿敏材料薄膜用于获得空气的相对湿度。随着湿度与温度的增加，该光纤传感器的传感单元PM-LPG的谐振峰波长会呈现出线性的不同方向的漂移，以及相应的强度变化有所不同。该传感器利用PMF与LPG的相关特性，通过检测其透射谱特定透射峰的波长漂移及强度变化情况，通过敏感矩阵解调，成功实现了对周围环镜相对湿度与温度的同时测量。

Claims (4)

1.一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于包括宽带光源(1)、光谱仪(2)、光纤3dB耦合器(3)、保偏长周期光纤光栅(4)、壳聚糖CS薄膜(5)，所述的光纤3dB耦合器(3)一侧的两个端口分别连接宽带光源(1)和光谱仪(2)，另一侧的两个端口和所述保偏长周期光纤光栅的两端连接，形成光纤的环镜结构，所述的壳聚糖CS薄膜(5)涂覆在保偏长周期光纤光栅(4)表面。 
2.根据权利要求1所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于所述保偏长周期光纤光栅(4)长度60-80mm，中心波长1550-1555nm，长周期光纤光栅周期为590μm、周期数为65。 
3.根据权利要求1所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于所述的保偏长周期光纤光栅(4)是由高频CO2激光脉冲在熊猫型保偏光纤上刻写长周期光纤光栅得到的。 
4.根据权利要求1所述的一种基于保偏长周期光纤光栅环镜的温度和湿度同时测量传感器，其特征在于所述的壳聚糖CS薄膜(5)通过溶胶-凝胶法配置的水凝胶，其折射率和厚度随着外界湿度变化而变化。 
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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