專利名稱：基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及其制作方法，尤其涉及一種基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型 濕度計及其制作方法。
背景技術：
目前，在倉庫、博物館、圖書館、計算機中心和一些工廠(比如微電子工業(yè))中都需要 隨時監(jiān)測空氣中濕度的變化，以保證保存的糧食、物品、資料等重要財產不發(fā)生受潮和霉變， 因此對環(huán)境濕度的測量具有重要的實際應用意義，研究開發(fā)新型的濕度傳感器顯得越來越重 要，并已引起了國內外學者的廣泛關注。
傳統(tǒng)的濕度計對電磁干擾的抵抗能力較差，不適合遠距離測量，并且在小休積領域受到 限制，最重要的是不能應用于環(huán)境較惡劣的區(qū)域的濕度測量，因此傳統(tǒng)濕度計具有一定的局 限性。
光纖傳感器以其結構小、重量輕、復用能力強、抗電磁干擾、能在惡劣環(huán)境下使用、適 合在線和遠距離監(jiān)測、分辨率高等優(yōu)點越來越受到人們的青睞，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)濕度計的較好選 擇。例如，己有利用長周期光纖光柵來進行環(huán)境濕度測量的文獻報道，開辟了濕度測量領域 的新時代。然而，這種長周期光纖光柵濕度傳感器具有機械強度低、溫度交叉敏感、測量范 圍小、非線性靈敏度低等缺點，在實際應用中受到很多限制。光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot) 十涉?zhèn)鞲衅?，簡稱光纖F-P傳感器，是目前歷史最長、技術最為成熟、應用最為廣泛的 -種 光纖傳感器，已經被成功用于溫度、應變、壓力、位移、超聲波、折射率等多種參數(shù)的測量， 并己形成商用化。其中，應用光纖F-P傳感器來實現(xiàn)生化傳感己逐漸成為近年來的^f開究熱點。 特別是，由于光纖F-P傳感器具有精度高、測量范圍大、復用能力強、響應速度快等獨特優(yōu) 勢，用它來進行濕度測量將比光纖光柵具有更大的優(yōu)勢。

發(fā)明內容
本發(fā)明公開了一種基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計，它由普通單模光纖、大芯 徑空芯光纖、大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖組成；普通單模光纖、大芯徑空芯光纖、大數(shù){直 孔徑多模光子品體光纖順次熔接固定；大芯徑空芯光纖的空芯內填充有水凝膠填充物；大數(shù) 值孔徑多模光子晶體光纖的長度小于大芯徑空芯光纖的長度，且大數(shù)值孔徑多模光子晶體光 纖裸露端的外包層上的空氣孔形成通孔。
本發(fā)明還公開了一種基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計的制作方法，該方法的工 藝步驟包括
1)根據(jù)需要的長度切割普通單模光纖，采用手動熔接的方法將大芯徑空芯光纖的一端與 普通單模光纖熔接；2) 根據(jù)需要的F-P腔長度，切割大芯徑空芯光纖；
3) 將配制好的水凝膠填充物填充入大芯徑空芯光纖的空芯內，保溫使水凝膠填充物穩(wěn)定；
4) 采用手動熔接的方法將大芯徑空芯光纖的另一端與大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖熔
接；
5) 切割大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖，使大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖裸露端的外包層 上的空氣孔形成通孔，該通孔連通大芯徑空芯光纖內的水凝膠填充物與外環(huán)境。
大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖可采用高數(shù)值孔徑光子晶體光纖，也可通過157nm準分子 激光、飛秒激光等激光微加工手段在實芯光纖上加工而成；大芯徑空芯光纖Bf采用空芯光纖 或光子晶體光纖，也可采用通過化學腐蝕手段或激光微加工手段形成通孔的實芯光纖。
步驟4)中熔接大芯徑空芯光纖與大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖時，使大數(shù)值孔徑多模 光子晶體光纖離放電區(qū)域中心軸線25pm。
歩驟1)和4)中熔接操作時的電弧功率為45，預放電時間為170ms，放電持續(xù)時間為 800ms。
所述的普通單模光纖的外徑為125pm，纖芯直徑為8~10)nm;大芯徑空芯光i^千的外徑為 125~300nm，內徑為5~200pni;大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖外徑為115 30(^m，纖芯直徑 為5 15fim;外包層上的空氣孔所形成的通孔直徑為2~50pm。
本發(fā)明的有益技術效果是提供了一種制作簡單，測量準確性較好、體積小巧、適用范 圍廣的新型濕度計。


圖l，本發(fā)明的濕度計的結構示意圖2，本發(fā)明的濕度計的電子顯微側面照片；
圖3，本發(fā)明的濕度計的電子顯微端面照片；
圖4，本發(fā)明濕度計在38%和78%時的干涉譜；
圖5，采用本發(fā)明的濕度計檢測外界環(huán)境濕度的實驗原理圖； 圖6，本發(fā)明的濕度計的光程差與外界環(huán)境濕度的關系附圖中普通單模光纖l、大芯徑空芯光纖2、大數(shù)值孔徑多模光子晶休光纖3、水凝膠 填充物4、光譜儀5-l、耦合器5-2、濕度計5-3、高低溫交變濕熱箱5-4、筆記本電fl畝5-5。
具體實施例方式
附圖1為大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖3采用MM-HNA-5多模光子晶體光纖的一個具體 結構示意圖，普通單模光纖1、大芯徑空芯光纖2和MM-HNA-5多模光子晶體光纖順次熔接 固定;普通單模光纖1的外徑為125nm，纖芯直徑為8)nm，大芯徑空芯光纖2的外徑為125pm， 內徑為40nm， MM-HNA-5多模光子晶體光纖的外徑為115pm，纖芯直徑為5pm;大芯徑空 芯光纖2的內部形成干涉腔，水凝膠填充物4填充在大芯徑空芯光纖2的干涉腔內；MM-HNA-5多模光子品體光纖的長度小于大芯徑空芯光纖2的長度，且MM-HNA-5多模光 子晶體光纖的長度足夠短，使MM-HNA-5多模光子晶體光纖裸露端的外包層上的空氣孔形成 通孔，通孔直徑為15pm，通孔將大芯徑空芯光纖2的干涉腔與外環(huán)境連通，因此，外環(huán)境的 水汽就能通過通孔進入到大芯徑空芯光纖2的干涉腔，被大芯徑空芯光纖2干涉腔內填充的 水凝膠填充物4吸收，從而改變水凝膠填充物4的折射率。
附圖2為制作好的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計，它的制作方法簡單，其具 體步驟如下
1) 根據(jù)需要的長度切割普通單模光纖1，采用手動熔接的方法將MM-HNA-5多模光子 晶體光纖的一端與普通單模光纖1熔接；
2) 根據(jù)需要的F-P腔長度，切割MM-HNA-5多模光子晶體光纖；
3) 將配制好的水凝膠填充物4填充入MM-HNA-5多模光子晶休光纖的空芯內，保溫使 水凝膠填充物4穩(wěn)定；
4) 采用手動熔接的方法將MM-HNA-5多模光子晶體光纖的另一端與大數(shù)值孔徑多模光 子晶體光纖3熔接；
5) 切割大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖3，使大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖3裸露端的外 包層上的空氣孔形成通孔，該通孔連通大芯徑空芯光纖2內的水凝膠填充物4與外環(huán)境。
步驟4)中熔接大芯徑空芯光纖2與大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖3時，使大數(shù)值孔徑 多模光子晶體光纖3離放電區(qū)域中心軸線25pm;步驟l)和4)中熔接操作時可采用Furukawa S176熔接機，其電弧功率為45，預放電時間為170ms，放電持續(xù)時間為800ms;步驟5)中 通孔的形成不需要進行特殊的加工，由于光纖的剖面是凹凸不平的，因此，在切割光纖的長 度足夠短時，通孔就自然形成了；如附圖3所示，圖中是本發(fā)明濕度計的端面圖，由于 MM-HNA-5多模光子晶體光纖的外徑為115(am，纖芯直徑為5pm，纖芯周圍通孔的直徑為 15pm，因此周圍環(huán)境中的水汽能夠很容易的通過通孔進入干涉腔，從而被水凝膠填充物4吸 收，引起自身折射率的變化。
附圖4為1520-1570nm波譜范圍內濕度計的實物干涉譜，在這個范圍內，干涉條紋比較 光滑、規(guī)則，且干涉條紋的對比度較高，約為4dB,為后續(xù)的信號處理提供了一定的基礎。當 周圍環(huán)境中的水汽進入F-P腔以后，水凝膠填充物4吸收水汽使得自身折射率發(fā)生變化，干 涉條紋發(fā)生漂移。對于每一種濕度，我們都進行了多次測量，取其測量的平均值。因此，木 發(fā)明的濕度計具有比較好的測量準確性。此外，隨著干涉腔內水凝膠填充物4折射率的變化， 干涉條紋的光強下降，我們分析主要是由于隨著干涉腔內水凝膠填充物4折射率的減小，反 射面的反射率將降低，從而導致反射光強的減小。
附圖5為基于本發(fā)明的一種測量裝置結構示意圖，它由光譜儀5-l、耦合器5-2、濕度計 5-3、高低溫交變濕熱箱5-4和筆記本電腦5-5組成；光譜儀5-l (型號Si720)被用來監(jiān)測濕度計5-3的輸出光譜，其波長分辨率和精度分別為0.25pm和lpm;光譜儀5-1發(fā)出的光經 過--個2xl的耦合器5-2進入濕度計5-3 ，被反射回來的光再次經過耦合器5-2進入光譜儀5-1 的輸入端，在測量過程中，濕度計5-3置于高低溫交變濕熱箱5-4中，調節(jié)箱內濕度變化， 由于MM-HNA-5多模光子晶休光纖3包層的空孔足夠大，環(huán)境中的水汽能夠比較快速地進入 F-P腔，被F-P腔內的水凝膠填充物4吸收，隨著水凝膠填充物4折射率的變化，該濕度計的 光程差會隨之發(fā)生變化，其變化規(guī)律如附圖6所示，可以看出，在38% 98%的范圍內，微 探針型'濕度計的光程差隨著外界環(huán)境濕度的增加而線性減小，其靈敏度為 389.lnm/RHl0%; 在每次測量一種濕度狀態(tài)時，濕度計5-3應在該濕度狀態(tài)下穩(wěn)定放置10 20分鐘，以便讓F-P 腔內的水凝膠填充物4充分吸收周圍環(huán)境中的水汽，引起自身折射率改變，等到光譜儀5-1 顯示光譜穩(wěn)定以后再采集數(shù)據(jù)；經過連接的筆記本電腦5-5進行數(shù)據(jù)存儲與處理，根據(jù)采集 數(shù)據(jù)解調得出干涉光光程差變化與環(huán)境相對濕度變化的對應關系。
權利要求
1、一種基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計，其特征在于它由普通單模光纖(1)、大芯徑空芯光纖(2)、大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)組成；普通單模光纖(1)、大芯徑空芯光纖(2)、大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)順次熔接固定；大芯徑空芯光纖(2)的空芯內填充有水凝膠填充物(4)；大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)的長度小于大芯徑空芯光纖(2)的長度，且大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)裸露端的外包層上的空氣孔形成通孔。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計，其特征在于所述的普通單模光纖(1)的外徑為125pm,纖芯直徑為8~10^n;大芯徑空芯光纖(2)的外 徑為125~300|im，內徑為5 200nm。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計，其特征在于大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)外徑為115~300nm，纖芯直徑為5 15^m;外包層上的空氣 孔所形成的通孔直徑為2~50^un。
4、 一種基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計的制作方法，其特征在于該力1去的 工藝步驟包括1) 根據(jù)需要的長度切割普通單模光纖(1)，采用手動熔接的方法將大芯徑空芯光鄉(xiāng)千(2) 的--端與普通單模光纖(1)熔接；2) 根據(jù)需要的F-P腔長度，切割大芯徑空芯光纖(2);3) 將配制好的水凝膠填充物(4)填充入大芯徑空芯光纖(2)的空芯內，保溫使7X;疑JK填充物(4)穩(wěn)定；4) 采用手動熔接的方法將大芯徑空芯光纖(2)的另一端與大數(shù)值孔徑多模光子晶1本光纖(3)熔接；5) 切割大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3),使大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)裸露 端的外包層上的空氣孔形成通孔，該通孔連通大芯徑空芯光纖(2)內的水凝膠填充4勿(4) 與外環(huán)境。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計的制作方^J，》、二斗* 征在于大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)可采用高數(shù)值孔徑光子晶體光纖，也可通過157nm 準分子激光、飛秒激光等激光微加工手段在實芯光纖上加工而成；大芯徑空芯光纖(2) —b了采用空芯光纖或光子晶體光纖，也可采用通過化學腐蝕手段或激光微加工手段形成通？L的實^;光纖。
6、 根據(jù)權利要求4所述的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計的制作方纟去，其4#征在于歩驟4)中熔接大芯徑空芯光纖(2)與大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)時，使 大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)離放電區(qū)域中心軸線25pm。
7、 根據(jù)權利要求4所述的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計的制作方法，其特 征在于步驟1)和4)中熔接操作時的電弧功率為45,預放電時間為170ms，放電持續(xù)時 間為800ms。
8、 根據(jù)權利要求4所述的基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計的制作方法，其特 征在于所述的普通單模光纖(1)的外徑為125)iim，纖芯直徑為8 10pm;大芯徑空芯光纖(2)的外徑為125~300nm,內徑為5 200prn;大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖(3)外徑為 115 300(xm，纖芯直徑為5 15pm;外包層上的空氣孔所形成的通孔直徑為2 50nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于法布里-珀羅干涉儀的微探針型濕度計，它由普通單模光纖、大芯徑空芯光纖、大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖組成；普通單模光纖、大芯徑空芯光纖、大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖順次熔接固定；大芯徑空芯光纖的空芯內填充有水凝膠填充物；大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖的長度小于大芯徑空芯光纖的長度，且大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖裸露端的外包層上的空氣孔形成通孔。本發(fā)明還公開了前述濕度計的制作方法。本發(fā)明的有益技術效果是提供了一種制作簡單，測量準確性較好、體積小巧、適用范圍廣的新型濕度計。
文檔編號G01N21/41GK101614661SQ20091010443
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權日2009年7月24日
發(fā)明者敏 徐, 濤 朱, 饒云江 申請人:重慶大學