引用本文:
汤亚琦,董新永. 基于光学游标效应增敏的光纤湿度传感器[J]. 光通信技术,2022,46(2):62-65.
汤亚琦1,董新永1,2*
(1. 中国计量大学 光学与电子科技学院,杭州 310018; 2. 广东工业大学 信息工程学院,广州 510006)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:由于传统的湿度传感器测量湿度的准确性和稳定性易受环境影响,提出一种基于光学游标效应增敏的光纤湿度传感器,通过在单模光纤的尾端依次熔接一小段空芯毛细管和单模光纤,获得2个级联的光学法布里-珀罗(F-P)干涉仪,调整腔长使二者干涉谱的自由光谱范围接近,从而通过光学游标效应获取更高的湿度灵敏度,对湿度的响应由涂覆在光纤传感头端面的聚乙烯醇凝胶薄膜实现。实验结果表明:在相对湿度(RH)变化范围为40%~65%时,基于光学游标效应增敏的传感器比单F-P型光纤传感器的湿度灵敏度高了4.05倍。
关键词:光纤传感器;空芯毛细管;游标效应;湿度传感;法布里-珀罗腔
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)02-0062-04
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2022.02.012
0 引言
相对湿度(RH)是影响人类健康和生活的主要因素之一,在植物生长、文物保护、化学试剂储存和疾病预防[1]等领域具有不可忽视的重要作用。近年来,光纤传感器由于体积小、抗电磁干扰和灵敏度高等优点被广泛用于传感领域[2-5]。其中,光纤法布里-珀罗(F-P)传感器因其结构简单、体积小和重复性好等优势在温度、应变和折射率等测量领域[5-7]获得了广泛应用。例如:王宁等人[8]提出一种将普通单模光纤和石墨烯量子点材料共同构建形成F-P湿度传感器,在RH为11%~85%范围内的灵敏度达到了0.5655 nm/RH%;ZHAO Y等人[9]提出了以石墨烯量子点(GQDs)和聚乙烯醇(PVA)复合材料作为湿度敏感膜填充到空芯毛细管中实现湿度传感,当RH在13.47%~81.34%范围内变化时,其波长漂移与RH呈现出良好的线性关系,灵敏度为117.25 pm/RH%。
游标效应是利用主尺与副尺之间微小的刻度值差异实现测量精细化,通过副尺将微小的长度差放大,从而提高测量精度。近年来,游标效应作为一种增敏手段被成功应用到光纤传感技术中[10-12],虽然该效应在折射率和温度等方面有着更为广泛的应用,但其在湿度测量方面的应用较少。因此,本文提出一种基于光学游标效应的光纤湿度传感器。
3 结束语
本文提出并制备了一种基于光学游标效应增敏的光纤湿度传感器,该传感器是由一小段空芯毛细管级联一小段单模光纤和涂敷在单模光纤端面的湿敏材料构成,形成2个F-P腔。当2个F-P腔的FSR相近时,便可产生游标效应,使传感器的湿度灵敏度获得了提升。实验结果表明:该传感器的RH在40%~65%内的灵敏度为0.689 nm/RH%,约是单个空芯毛细管组成的F-P型湿度传感器的4.05倍。该传感器具有结构简单、制作成本低等优点,可以应用在环境检测、生物医疗和工业生产等领域。