本發(fā)明提供一種基于聚乙烯醇(PVA，polyvinyl alcohol)濕敏材料的細芯(TCF，thin core fiber)邁克爾遜干涉儀(MI，the michelson interferometer)的折射率傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術：

光纖折射率傳感器作為光纖傳感器的一種已經(jīng)吸引了廣泛的注意，由于它具有結構微小，靈敏度高，容易制造等優(yōu)勢。近些年來，光纖折射率傳感器基于SPR(Surface Plasmon Resonance)，包層腐蝕，細錐結構，光纖光柵等已經(jīng)被提出，在這些不同的結構類型中基于細芯光纖的傳感器占了一部分，例如在細芯光纖上刻蝕腐蝕細芯光纖等。盡管這些方法都一定程度的提高了折射率的靈敏度，但是仍然存在一些方面的缺陷。例如基于光纖光柵的結構存在溫度交叉靈敏度溫度，基于錯位的結構柔韌性很差，還有一些需要化學腐蝕的處理過程，都增加了制作過程中的困難。為解決以上問題一類新型的高折射率傳感器被提出，這種傳感器具有成本低、容易制作，對溫度不敏感，既可以進行波長解調又可以進行強度解調等優(yōu)點。

一種基于模式激發(fā)細芯光纖的高折射率傳感器可以實現(xiàn)纖芯模與包層模的模式干涉，并且該傳感器不存在二級的干涉譜，不需要電腦進行數(shù)據(jù)的過濾。當使用該傳感器對外界環(huán)境折射率進行測量時，每當改變外界折射率時都會使干涉條紋發(fā)生漂移，反射譜的波長和強度也會相應發(fā)生改變，通過對反射譜的波長或強度進行解調，可以實現(xiàn)折射率的測量，外界溫度從25℃增加到90℃，反射譜的波長和強度沒有明顯變化，因此該傳感器是溫度不敏感的折射率傳感器。

為了獲得較大的測量范圍，提高隨著外界折射率改變干涉波譜的強度，近幾年來，許多基于PVA濕敏材料的濕度傳感器已經(jīng)被提出。2011年Zhao等人提出一種基于單模+多模+單模結構，涂敷了PVA，濕度靈敏度在50％RH-89％RH(refractory hypertension)范圍內靈敏度為0.16nm/％RH；2012Liang等人提出一種基于腐蝕的高雙折射率環(huán)鏡結構，該結構涂敷了PVA濕敏材料，在濕度范圍為20％RH-80％RH范圍內靈敏度達到了0.98nm/％RH，響應時間小于6s；2012年Weichang Wong等人提出一種基于PCF(photonic crystal fib)端面高級次包層模激發(fā)的邁克爾遜結構，該結是在端面鍍上了PVA，在高濕度區(qū)域靈敏度可以達到0.6nm/％RH；2012年Alwis等人提出一種基于LPG(long-period fiber gratings)的邁克爾遜結構，經(jīng)過涂敷PVA，濕度范圍為40％RH-85％RH，靈敏度為0.6nm/％RH；2015年Jingyi Yang等人將PVA涂敷在TFBG(tilted fiber bragg grating)的表面，濕度在20％RH-86％RH范圍內，靈敏度為～1.80μW/％RH。從這些研究結果可以看出PVA濕敏膜是很好的折射率-外界濕度的轉換器。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器裝置，通過光纖表面涂敷PVA作為外界環(huán)境與折射率的轉換器，將所要測量的濕度轉化為對折射率的測量，通過折射率的變化量再轉化為探測信號的波長漂移量。具有結構簡單、成本低、靈敏度較高等特點。

本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)：

一個基于邁克爾遜干涉儀的細芯光纖的高靈敏度的折射率傳感器由普通光纖(SMF，single mode fiber)(1)、一段細芯光纖(2)、微弧區(qū)域(3)和PVA薄膜(4)組成。圖1是該邁克爾遜干涉儀的結構示意圖(最外層為PVA薄膜)，其中單模光纖(1)、細芯光纖(2)均可采用G.652單模光纖，細芯光纖(2)的纖芯和包層直徑分別為4.00μm和124.50μm，細芯光纖(2)的長度L約為3.00mm，微弧區(qū)域(3)的長度l為45.08μm。接下來是涂敷PVA工作，光纖結構固定在浸涂鍍膜機上將去除光學表面的殘留有機物并干燥后的光纖端面侵入PVA溶液，使光纖端面形成均勻的濕敏膜。最后，得到一種基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器結構。

本發(fā)明的工作原理是：當帶寬光源發(fā)出的光在單模光纖纖芯中的傳輸?shù)幕５竭_第一個熔接點時分束并激發(fā)出一部分細芯光纖的包層模，微弧的端面激發(fā)出更高級次的包層模，當纖芯模與包層模在第一個熔接點耦合在一起時，具有一定的相位延遲，從而實現(xiàn)纖芯模與包層模的模式干涉。在此基礎上，在光纖表面涂敷PVA，那么PVA作為外界環(huán)境與折射率的轉換器。當外界環(huán)境比較潮濕的時候，涂敷在光纖端面的PVA會吸收外界環(huán)境中的水分子，使?jié)衩裟づ蛎浉淖兯恼凵渎?，影響了包層模式的有效折射率。從而導致相位的改變，這里相位的改變可以寫成：

其中Δn_eff是纖芯和包層中有效折射率差，l₁是細芯光纖的長度L的2倍，λ是工作波長，是初始相位。當濕度變化時，影響濕敏膜的折射率，從而影響包層模式的有效折射率，使纖芯和包層中有效折射率差Δn_eff發(fā)生改變，從而改變了包層與纖芯之間的相位差φ，干涉條紋發(fā)生漂移，通過監(jiān)測干涉譜的漂移量可以還原待測信號。

本發(fā)明的有益效果是：該邁克爾遜干涉儀通過將一段細芯光纖與單模光纖相連接，并對細芯光纖的端面進行放電使其端面微弧，微弧的端面可以激發(fā)更高級次的包層模，該傳感器成本低，容易制作，對溫度不敏感，在該結構的基礎上在光纖表面涂敷PVA，PVA作為外界環(huán)境與折射率的轉換器，將對濕度的測量轉化對折射率的測量。當外界濕度變化從30％RH增加到90％RH，在30％RH～60％RH濕度范圍內，波長漂移很?。划敐穸确秶?0％RH～90％RH之間時波長漂移很大，具有高靈敏度，較好穩(wěn)定性與重復性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器示意圖；

圖2是本發(fā)明的結構傳感器在不同濕度的情況下反射光譜的變化情況；

圖3是本發(fā)明的濕度靈敏度曲線圖

具體實施方式

下面結合附圖及實施實例對本發(fā)明作進一步描述：

一個基于邁克爾遜干涉儀的細芯光纖的高靈敏度的折射率傳感器通過熔接機(TYPE-81C)將一段細芯光纖與單模光纖熔接在一起，用切割刀切取一段期待的長度，調整熔接機(FSM-100P+)的熔接程序，放電強度設置成標準強度+7bit，放電時間為10,000ms，對細芯光纖的另一端放電使其變成弧形。圖1是該邁克爾遜干涉儀的結構示意圖(最外層為PVA)，其中細芯光纖的纖芯和包層直徑分別為4μm和124.5μm，細芯光纖的長度L約為2mm，微弧區(qū)域的長度l為45.08μm。接下來是涂敷PVA工作，為了去除光學表面的殘留有機物，將光纖端面侵入濃度為98％濃硫酸與濃度為30％雙氧水的混合溶液中(Piranha溶液：體積比為7∶3)持續(xù)60min，然后用去離子水充分洗凈，再用高純度的氮氣吹干。然后將光纖結構固定在浸涂鍍膜機上，下降速度為30mm/s將干燥后的光纖端面侵入9％PVA溶液，緩慢取出，在空氣中靜置整夜，確保光纖端面的濕敏膜均勻，最后將光纖放在烤箱中加熱80℃，1h即可。最后得到一種基于PVA濕敏材料的細芯邁克爾遜干涉儀的折射率傳感器結構。

光纖折射率傳感器的實驗裝置：

帶寬光源發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)行器進入到傳感頭，然后將傳感頭內反射的光通過環(huán)行器傳輸?shù)焦庾V儀內。為了測量該傳感頭對濕度的響應變化，將傳感頭放入一個封閉的濕度箱內，通過向里面泵入干燥和濕潤的氣體來控制濕度箱內濕度，同時濕度箱內的濕度計來監(jiān)測濕度箱內濕度變化。其中干燥的氣體是高濃度的干燥的氮氣，濕潤的氣體是通過將干燥的氣體泵入到去離子水中再將其通入到濕度箱內。實驗過程中濕度檢測范圍為30％RH-85％RH。通過光譜儀可以觀察隨著濕度箱內濕度的改變干涉光譜的變化。濕度箱的溫度保持在室溫條件下。

圖2顯示了涂敷9％的PVA的傳感器隨著外界環(huán)境濕度改變反射光譜的變化情況。根據(jù)該結構的折射率測量特性可知波長發(fā)生藍移是外界環(huán)境折射率減小得方向。當外界環(huán)境濕度增加時，PVA濕敏膜吸收了環(huán)境中大量的水蒸汽，干燥條件下的PVA濕敏膜的折射率為1.53，吸收了水分子(水的折射率為1.33)的濕敏膜折射率將會減?。煌饨鐫穸茸兓瘡?0％RH增加到90％RH，在30％RH～60％RH濕度范圍內，波長漂移很??；當濕度范圍在60％RH～90％RH之間時波長漂移很大，且都發(fā)生了藍移。圖3為外界環(huán)境變化的濕度與干涉峰波長的擬合圖，在30％RH～60％RH濕度范圍內，濕度靈敏度為0.0235nm/RH；當濕度范圍在60％RH～90％RH之間時，濕度靈敏度為0.2711nm/RH。