[发明专利]聚乙烯醇增敏马赫-曾德干涉湿度和温度同时测量传感器

说明书

本发明公开了聚乙烯醇增敏马赫‑曾德干涉湿度和温度同时测量传感器。所述传感器包括入射光纤、分束器、干涉臂、合束器和出射光纤；入射光纤输入光信号，分束器将光信号经过分束器耦合到干涉臂中，干涉臂受温度和湿度的影响包层有效折射率发生变化，光信号在合束器处产生干涉，产生包括多个共振波谷的透射光谱，光信号经合束器耦合到出射光纤中，出射光纤将包括湿度和温度信息的光信号传输到外接的光谱仪中，通过双波长矩阵解调法追踪共振波谷的波长漂移，实现湿度和温度同时测量。本发明结合了马赫‑曾德干涉仪结构优势和聚乙烯醇的强亲水性、稳定性好、附着性好的优势，具有低成本、结构简单、高灵敏度、高稳定性、多参数测量等特点。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种聚乙烯醇增敏马赫-曾德干涉湿度和温度同时测量传感器。

背景技术

实际环境是复杂多样的，对环境的详细了解需要对多个物理量进行调查和研究。相对湿度是相同温度下空气中的绝对湿度与饱和绝对湿度之比，受环境温度的影响。因此，在生物化学，农业，电子，仪器制造，食品加工，医疗和其他领域，同时测量相对湿度和温度变得越来越重要。传统的电子式相对湿度和温度传感器由于精度高等优点而得到了广泛的应用。但是，它们很难在诸如强腐蚀物质，强电磁干扰和长距离等复杂环境中使用。光纤传感器具有抗电磁干扰，高灵敏度，紧凑性，遥感和耐腐蚀的优势。光纤传感器在传感领域被认为是强力候选者，并已得到广泛研究和应用，例如温度，相对湿度，折射率，位移，气体，应变等。如今，研究者已经开发出了各种基于不同传感原理和结构的光纤传感器来检测相对湿度，包括光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光栅(LPG)、法布里-珀罗(F-P)光纤传感器、马赫-曾德干涉仪(MZI)、迈克尔逊和萨格纳克干涉仪、侧抛光光纤、微纳光纤、以及表面等离振子共振等。一些湿度传感器由空心光纤，无芯光纤、塑料光纤、保偏光纤和光子晶体光纤制备。但是，这些传感器存在一定的局限性：微纳光纤结构难以制备且非常脆弱；光纤FBG或FP结构制造复杂；光子晶体光纤价格昂贵。光纤传感器的感应区域主要由光纤组成，光纤的主要材料为二氧化硅，对相对湿度和温度的敏感性较差。因此，提高测量灵敏度的有效方法是在光纤表面上涂覆敏感材料，例如氧化石墨烯，聚乙烯醇，石墨烯量子点和聚乙烯醇混合物，氧化石墨烯和聚乙烯醇混合物，藻酸钙水凝胶，碳纳米管和聚乙烯醇混合物，SnO₂，聚酰亚胺，壳聚糖，聚甲基丙烯酸甲酯和诺兰光学胶。研究表明，聚乙烯醇是强亲水材料，易于被水分子修饰，聚乙烯醇在二氧化硅表面有很强的附着性，容易涂覆在光纤表面，其薄膜具备极好的机械性能，同时聚乙烯醇可以与被测环境较快的达成湿度平衡。聚乙烯醇吸附水分子的主要为物理型附着，相比于化学型附着，这种附着主要是凭借材料分子和水分子二者间范德华力完成，这种附着速率快、可实现多层吸附、吸附热量少、脱附迟滞短。

当环境温度变化时，光纤湿度传感器会受到热膨胀和热光效应的影响，从而导致测量误差。为了保证传感器的检测准确性，同时测量温度和相对湿度是非常重要的。近年来，光纤湿度和温度传感器通过级联多个干涉仪来实现湿度和温度的同时测量(Simultaneous measurement of temperature and relative humidity by compactMach-Zehnder interferometer and Fabry-Perot interferometer,Measurement155,107499(2020))。通过级联多个干涉仪能够实现温湿度的同时测量，但传感结构制作较为复杂，制作双侧纤芯偏移结构时的对称性难以保证，所测温湿度范围及湿度灵敏度也有所欠缺。

马赫-曾德干涉型光纤传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫-曾德干涉仪的新型光纤传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光纤传感器中被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。

发明内容