[发明专利]基于氧化石墨烯和琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器

说明书

技术领域

本发明提出了一种基于氧化石墨烯/琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

氧化石墨烯作为石墨烯最重要的衍生物，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其有着良好的亲水特性，可以稳定的分散于水溶液中。由于氧化石墨烯表面及边缘含氧极性官能团的存在，使得该材料在一定条件下能够与高分子聚合物材料混合，从而制成复合材料。琼脂糖含有大量的氢氧基(-OH)，琼脂糖水溶液在特定条件下能够与氧化石墨烯溶液混合，制成氧化石墨烯/琼脂糖复合材料。制成的复合材料表面同样具有大量的含氧极性基团，具有良好的亲水性以及吸湿性。将该复合材料水溶液经干燥处理后，能在光纤光栅传感器侧表面镀上氧化石墨烯/琼脂糖复合薄膜。利用该复合薄膜吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，可制成光纤光栅湿度传感器。

倾斜光纤光栅与布拉格光纤光栅类似，不同之处在于布拉格光纤光栅的光栅面与光纤轴向方向垂直，而倾斜光纤光栅的光栅面倾斜一定角度，不再与光纤轴向方向垂直。当入射光进入倾斜光纤光栅的栅区时，部分纤芯光会被反射进入包层，从而激发出大量的包层模，激发出的包层模对外界环境的变化特别敏感，尤其是周围折射率的变化。氧化石墨烯/琼脂糖复合湿敏膜吸水易膨胀，导致折射率产生变化，将该湿敏膜镀在倾斜光纤光栅的栅区，可制成湿度传感器。同时，倾斜光纤光栅对温度不敏感的特性，可消除温度的交叉敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯/琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器，将经过干燥处理的氧化石墨烯/琼脂糖混合溶液均匀地镀在倾斜光纤光栅的栅区侧表面，从而形成一种新型的镀有氧化石墨烯/琼脂糖复合薄膜的光纤光栅传感器。该复合薄膜具有吸湿膨胀和干燥消溶胀的特性，相应的薄膜折射率也会发生变化，结合倾斜光纤光栅对周围折射率变化特别敏感的特性，制作成基于氧化石墨烯/琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器。同时，倾斜光纤光栅对温度不敏感的特性，可消除温度的交叉敏感。该传感器具有结构紧凑、制作技术简易，灵敏度高等优点。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于氧化石墨烯/琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器，其特征在于：由宽带光源(1)、偏振控制器(2)、倾斜光纤光栅(3)、氧化石墨烯/琼脂糖复合膜(4)和光谱分析仪(5)组成；氧化石墨烯/琼脂糖复合膜经过干燥处理，均匀镀在倾斜光纤光栅(3)栅区表面上，形成氧化石墨烯/琼脂糖复合膜(4)；氧化石墨烯/琼脂糖复合膜(4)的厚度为0.5～1μm；偏振控制器(2)用于控制入射光的偏振态；偏振控制器(2)左端与宽带光源(1)连接，右端与倾斜光纤光栅(3)连接，倾斜光纤光栅(3)右端与光谱分析仪(5)连接。

所述的一种基于氧化石墨烯/琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器，其特征在于：倾斜光纤光栅(3)光栅面倾斜角度为4°～10°，栅区长度为10mm～20mm。

所述的一种基于氧化石墨烯/琼脂糖复合膜的倾斜光纤光栅湿度传感器，其特征在于：选用氧化石墨烯/琼脂糖复合材料制成湿度敏感膜。

本发明的工作原理是：

由于倾斜光纤光栅的光栅面与光纤轴向存在一定倾角θ，使得传输光的耦合发生改变，其相位匹配条件可表示为：

λ_Bragg＝2n_eff，core*Λ/cosθ(1)

λⁱ_clad＝(n_eff，core+nⁱ_eff，cire)*Λ/cosθ(2)

Λ＝Λ_Tcosθ(3)

式(1)～(3)中，λ_Bragg为布拉格波长，λⁱ_clad为第i阶包层模波长，θ为光栅的倾斜角，Λ为θ＝0时的光栅周期，Λ_T为倾斜光纤光栅的光栅周期，n_eff，core和nⁱ_eff，cire分别为纤芯模和第i阶包层模的有效折射率。

当入射光进入到倾斜光纤光栅的栅区时，光纤中主要具有两种模式，一种是满足布拉格匹配条件的向后传输的纤芯模，还有一种是满足第i阶包层匹配条件的向后传播的包层模。被激发的包层模对外部环境的变化非常敏感，尤其是外界折射率的变化。所以外界环境折射率发生改变时，通过监测倾斜光纤光栅的透射谱，可以得到被测物理量的改变量，从而达到传感测量的目的。