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基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器

阅读：506发布：2021-03-02

IPRDB可以提供基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，由SLED光源，偏振控制器，光纤花生形结构，保偏光纤，纤芯错位，单模光纤，光纤光谱仪，氧化石墨烯湿敏薄膜，微位移平台，恒温湿度箱组成。光纤花生形结构，保偏光纤和纤芯错位依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪。氧化石墨烯湿敏薄膜吸附或释出水分子，光纤表面有效折射率发生变化，输出光谱中快慢轴光干涉峰的强度发生漂移，因此，通过监测快慢轴光干涉峰的强度，再根据最初标定的强度计算漂移量，就可以测得当前的相对湿度。该发明具有结构紧凑、灵敏度高、对电磁干扰免疫、耐杂质气体干扰等优点，能适用于实际生产生活的环境湿度检测。，下面是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱(10)底部。

2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：所述的光纤花生形结构(3)由单模光纤和保偏光纤制作而成，腰椎放大区的直径为

160μm～180μm。

3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：所述的保偏光纤(4)长度为8mm～15mm。

4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：所述的保偏光纤(4)和单模光纤(6)手动熔接构成纤芯错位(5)，径向错位距离为

4.5μm～5.5μm。

5.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：所述的氧化石墨烯湿敏薄膜(8)的膜厚为1μm～3μm，所用氧化石墨烯的片径大于

500nm。

说明书全文

基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器

技术领域

[0001] 本发明属于光纤湿度传感技术领域，具体涉及一种基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器。

背景技术

[0002] 目前，湿度监测手段以机械式湿度计和电化学式湿度计为主，已经在诸多生产领域中占据了主导地位。然而，在高温高压、信号长距离传输、电磁信号复杂的诸如核工业，电力传输等特殊场合，传统的湿度传感器容易失效，甚至暴露出安全隐患。

[0003] 光纤湿度传感摆脱了传统机械/电学湿度传感的框架，创新地以光纤为载体，通过光信号来检测湿度，因而具有灵敏度高，体积小巧，对电磁干扰免疫，耐化学腐蚀，便于分布式监测等特点，为解决特殊环境下的湿度传感提供了可行的途径。

[0004] 早期的电介质，半导体等湿度敏感材料存在测量范围较小，迟滞严重，容易老化的现象。随后出现的高分子材料虽然吸湿能力提高，但不适用于高湿度环境。目前，光纤湿度传感主要使用聚乙烯醇(PVA)，琼脂糖，Nafion-结晶紫，聚酰亚胺(PI)等湿度敏感材料。随着纳米技术的不断进步，以石墨烯为代表的一批新型纳米材料优异的湿度敏感特性逐渐被发现。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，在光纤上制备出一个结构新颖的内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪，并在其表面均匀镀上氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)薄膜。该薄膜吸湿程度的不同能引起有效折射率发生改变，利用保偏光纤较强的双折射和相干信噪比，极大地提高该新型湿度传感器的灵敏度和分辨率。

[0006] 本发明通过以下技术方案实现：基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱(10)底部。

[0007] 所述的光纤花生形结构(3)由单模光纤和保偏光纤制作而成，腰椎放大区的直径为160μm～180μm，纤芯之间的距离为120μm～150μm。

[0008] 所述的保偏光纤(4)长度为8mm～15mm，优选型号是YOFC 1017-C熊猫型保偏光纤。

[0009] 所述的保偏光纤(4)和单模光纤(6)手动熔接构成纤芯错位(5)，径向错位距离为4.5μm～5.5μm，错位形式是单模光纤(6)的纤芯沿着保偏光纤(4)快慢轴之间错位。

[0010] 所述的氧化石墨烯湿敏薄膜(8)的膜厚为1μm～3μm，所用氧化石墨烯的片径大于500nm。

[0011] 本发明的工作原理是：SLED光源(1)发射的宽带光通过偏振控制器(2)调整偏振状态后进入光纤花生形结构(3)。传输光经过左侧的单模光纤腰椎放大区时，一部分光由于不满足全反射条件耦合进入包层中形成包层模，一部分光继续在纤芯中以纤芯模的形式传输。光纤花生形结构(3)中两种光纤的包层相互融合，包层模直接沿着包层传输，纤芯模则进入保偏光纤(4)纤芯转化为s光和f光的形式。纤芯错位(5)能够将保偏光纤(4)中的部分包层模重新耦合进单模光纤(6)的纤芯中，从而与纤芯模之间形成马赫-曾德干涉。

[0012] 在环境湿度变化过程中，包层模和纤芯模之间的相位差取决于光纤表面的有效折射率，表示为：

[0013] 式中，表示纤芯折射率与第m阶包层模有效折射率的差异，λ为光波长，L为传感臂的长度。

[0014] 马赫-曾德干涉仪中干涉条纹的强度表示为：

[0015] 式中，Icladding和Icore分别表示纤芯模和包层模的光强度。当氧化石墨烯湿敏薄膜(8)吸附和释出水分子引起薄膜有效折射率发生变化，改变包层模和纤芯模之间的相位差，环境相对湿度变化就记录在输出的干涉光谱中。

[0016] 由于引入了保偏光纤(4)，该马赫-曾德干涉仪的输出光谱对入射光的偏振态敏感。调节偏振控制器(2)至合适的位置，快慢轴光干涉峰的强度明显强于一般的干涉峰，快轴光和慢轴光对应的峰值波长分别表示为：

[0017] 式中，和和分别表示快轴光/慢轴光的纤芯模/包层模的有效折射率。氧化石墨烯湿敏薄膜(8)吸附或释出水分子，引起光纤表面有效折射率发生变化，快慢轴光干涉峰的强度漂移最为显著，因此，通过监测快慢轴光干涉峰的光强，再根据最初标定的强度计算漂移量，就可以测得当前的相对湿度。

[0018] 本发明的有益效果是：(1)氧化石墨烯的亲水性极强，易于在光纤表面成膜，而且比表面积大，特别适合微小表面积下吸附水分子的情形，还具备不受酸碱性气体干扰，热噪声较小等优势；(2)制作光纤花生形结构只需要普通商业熔接机和两个熔接步骤，就能获得高耦合效率、较低的熔接损耗，以此构建出结构新颖的马赫-曾德光纤干涉仪；因此，本发明具有结构紧凑、灵敏度高、对电磁干扰免疫、耐杂质气体干扰等优点，能适用于实际生产生活的环境湿度检测中。

附图说明

[0019] 图1是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器的系统结构图。

[0020] 图2是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器中马赫-曾德光纤干涉仪的结构示意图。

[0021] 图3是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器处于不同湿度环境下慢轴光干涉峰的光强变化图。

[0022] 图4是基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器中慢轴光干涉峰光强变化的拟合曲线图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0024] 参见附图1，基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器由SLED光源(1)，偏振控制器(2)，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)，光纤光谱仪(7)，氧化石墨烯湿敏薄膜(8)，微位移平台(9)，恒温湿度箱(10)组成；SLED光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤花生形结构(3)左端相连；光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪；纤芯错位(5)右端与单模光纤(6)左端相连，单模光纤(6)右端接入光纤光谱仪(7)；其中，保偏光纤(4)表面均匀镀上氧化石墨烯湿敏薄膜(8)构成传感探头，光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)，纤芯错位(5)，单模光纤(6)由微位移平台(9)固定在恒温湿度箱(10)底部。参见附图2，光纤花生形结构(3)由单模光纤和保偏光纤制作而成，腰椎放大区的直径为160μm～180μm，纤芯之间的距离为120μm～150μm；保偏光纤(4)长度为8mm～15mm，优选型号是YOFC 1017-C熊猫型保偏光纤；保偏光纤(4)和单模光纤(6)手动熔接构成纤芯错位(5)，径向错位距离为4.5μm～5.5μm，错位形式是单模光纤(6)的纤芯沿着保偏光纤(4)快慢轴之间错位；氧化石墨烯湿敏薄膜(8)的膜厚为1μm～3μm，所用氧化石墨烯的片径大于500nm。

[0025] 光纤花生形结构(3)利用单模光纤和保偏光纤制作而成，采用的光纤熔接机型号为Fujikura 60s。首先，将单模光纤剥去2cm～3cm的涂覆层，用切割刀切平端面后手动控制熔接机进行腰椎放大操作，其主要放电参数有：放电时间2500ms，放电强度25bit，熔接重叠量50μm。放电过程中光纤端面融化形成圆球状，连续放电7次使得腰椎放大的半径达到约80μm。对保偏光纤施以相同的操作，形成与单模光纤等半径的腰椎放大区。然后，将两根光纤重新放入熔接机中，修改放电时间到1500ms，手动驱动马达将两侧的腰椎放大区对齐，手动放电完成光纤花生形结构(3)的熔接。

[0026] 通过手动熔接程序控制纤芯错位(5)的径向偏移距离。将花生型结构(3)和端面切割平整的单模光纤(6)放入光纤熔接机内，手动控制马达调节两段光纤纤芯之间的偏移量为单模光纤(6)纤芯直径的一半(约4.5μm)，然后减小两端面的间隔，尽可能使得两端面贴合，手动放电完成纤芯错位(5)的熔接。

[0027] 在实验过程中，微位移平台(9)维持该马赫-曾德光纤干涉仪处光纤水平绷直，恒温湿度箱(10)内气温保持在22摄氏度。

[0028] 该新型相对湿度光纤传感器的工作原理是：SLED光源(1)发射的宽带光通过偏振控制器(2)调整光的偏振状态后进入光纤花生形结构(3)。光纤花生形结构(3)，保偏光纤(4)和纤芯错位(5)依次连接，构成了内嵌式马赫-曾德光纤干涉仪。该结构表面的氧化石墨烯湿敏薄膜(8)吸附或释出水分子的过程引起光纤表面有效折射率的变化，输出光谱中慢轴光干涉峰的强度产生漂移。因此，通过监测慢轴光干涉峰的光强，再根据最初标定的强度计算漂移量，就可以测得当前的相对湿度。

[0029] 图3为22摄氏度条件下20％RH～80％RH湿度范围内，位于1552.8nm波长处慢轴光干涉峰的光强变化图，可见，随着实验湿度逐渐增大，对应的慢轴光干涉峰强度逐渐减小。图4是慢轴光干涉峰的光强跟随实验湿度变化的拟合曲线图，相对湿度在20％RH～80％RH范围内，拟合度可以达到0.970；特别地，相对湿度在35％RH～65％RH范围内，该新型传感器实现了0.165dB/RH的高灵敏度，线性拟合度达到了0.996。

标题	发布/更新时间	阅读量
湿度传感器-专利编号CN1185835A	2020-05-13	575
湿度传感器-专利编号CN105486729A	2020-05-11	587
湿度传感器-专利编号CN100573130C	2020-05-12	699
湿度传感器-专利编号CN101438149B	2020-05-12	948
湿度传感器-专利编号CN1142263A	2020-05-13	409
湿度传感器-专利编号CN102043000B	2020-05-11	588
湿度传感器-专利编号CN101903766B	2020-05-12	509
湿度传感器-专利编号CN1099590C	2020-05-13	457
湿度传感器-专利编号CN103717186B	2020-05-11	543
湿度传感器-专利编号CN105938117A	2020-05-11	393

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