[发明专利]一种基于Chitosan的迈克尔逊光纤湿度传感器

说明书

技术领域

本发明提供了一种基于Chitosan的迈克尔逊光纤湿度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤湿度传感器相对于传统的湿度传感器具有很多优势，例如体积小，灵敏度高，柔韧性好，可以进行非接触式的测量等优点。光纤湿度传感器已经在工业上广泛的应用，例如应用在结构健康监测上，食品储存上，医疗应用上等多方面。评定一个光纤湿度传感器的好坏需要通过一些参量的测评，包括灵敏度，精确度，响应时间，目标湿度范围，时滞回差，温度和其他化学交叉灵敏度等因素。光纤湿度传感器主要包括两方面：一方面是传感器的光纤结构，另一方面是传感器的湿敏膜。近些年来，越来越多的人们在光纤表面沉积一层薄膜来提高传感器的传感特性。这类传感器具有成本低、容易制作、使结构的折射率的测量范围随着外界环境的改变而改变等优点。

迈克尔逊干涉仪是一种重要的光纤干涉仪，其结构分两种，一种是在一段单模光纤中间熔接出一个结构，该结构可以激发出包层模，同时光纤的端面可以镀高反射率的银，可将激发出的包层模反射回到纤芯中与纤芯中传输的光发生干涉，或者可将光纤端面熔接出一些特殊结构，可以激发更高级次的包层模。第二种结构是将一段单模光纤与特种光纤熔接在一起，利用单模光纤与特种光纤的纤芯直径不匹配的原理激发出包层模。该结构折射率灵敏度很高，可进行波长和强度的双解调。

Chitosan是一种半透明的多糖聚合物，含有羟基和氨基的气孔结构。这些功能键可以增加对水分子的吸收，通过与水蒸汽分子形成氢键。同时由于其气孔结构当外界环境湿度增加时，水分子会进去气孔结构内，那么随着湿度的增加导致湿敏膜的膨胀。且该湿敏膜在波长范围为300-2700nm时，几乎对光没有吸收，因此湿敏膜可以作为一种高反射率的隔膜。它对外界的湿度变化有着敏感的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Chitosan的迈克尔逊光纤湿度传感器。该装置成本低，便于制作，可以使原本结构对于湿度的测量范围增大，并且随着外界湿度的改变从而使干涉光谱的强度改变得到提高。

本发明通过以下技术实现：

所述的一种基于Chitosan的迈克尔逊光纤湿度传感器，其特征在于：由单模光纤(1)、细芯光纤(2)、微弧端面(3)、Chitosan湿敏膜(4)组成；单模光纤(1)与细芯光纤(2)一端熔接在一起，细芯光纤(2)另一端通过放电形成微弧端面(3)，Chitosan湿敏膜(4)涂敷在细芯光纤(2)、微弧端面(3)表面。

所述的一种基于Chitosan的迈克尔逊光纤湿度传感器，其特征在于：单模光纤(1)、细芯光纤(2)、均可采用G.652单模光纤，细芯光纤(2)的纤芯和包层直径分别为4μm和124.5μm，细芯光纤(2)的长度L为2mm，微弧端面(3)的长度l为45.08μm。

该湿度传感器的结构是基于细芯光纤端面激发高阶包层模式的迈克尔逊结构。

本发明的工作原理为：在单模光纤1纤芯中的传输的基模到达第一个熔接点时分束并激发出一部分细芯光纤2的包层模，微弧端面3激发出更高级次的包层模，在细芯光纤2表面涂敷Chitosan，那么Chitosan作为外界环境与折射率的转换器。当外界环境比较潮湿的时候，涂敷在光纤端面的Chitosan会吸收外界环境中的水分子，使湿敏膜膨胀从而改变它的折射率，影响了包层模式的有效折射率。当纤芯模与包层模在第一个熔接点耦合在一起时，具有一定的相位延迟，从而实现纤芯模与包层模的模式干涉。

该迈克尔逊干涉仪的干涉公式为：

其中E₁和E₂分别是基模和激发的包层模的大小，Δn是包层模和纤芯的有效折射率差，l₁是L的二倍，λ是工作波长，φ是初始相位。

本发明的有益效果是：使用了一种将Chitosan涂覆在光纤的端面测外界湿度的简单有效方法。基于迈克尔逊结构，细芯光纤微弧端面增加了包层膜的反射时的入射角度并且激发出更高级次的包层膜式，从而产生附加的相位差，进一步实现基膜与包层膜的干涉。同时根据Chitosan的湿敏特性，当外界环境湿度增加时，其折射率将会减小，从而导致细芯模与光纤包层模式的有效折射率减小，导致干涉强度增加。在湿度变化过程中，Chitosan湿敏膜具有很高的灵敏度和分辨率，同时随着外界湿度增加和减小，两个干涉强度之间具有相对较小的时滞回差。也就是该传感器具有高湿度灵敏度、分辨率。

附图说明

下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：