本發(fā)明涉及材料科學、光電傳感及嵌入式微處理技術的交叉領域，更具體地，涉及一種倏逝波耦合濕度傳感光纖及其制備方法。

背景技術：

目前，濕度的精確測量在社會許多方面都有極大用途，如航空航天、軍事、氣象學、水文學、醫(yī)學、生物學、儲藏或生產等。市場上主流的濕度傳感器是電容式和電阻式傳感器，前者靈敏度高，但線性度和互換性都較差，受電磁干擾影響大；后者小型、響應快，但是電容值隨溫度變化，因此測量精度有限，且抗電磁干擾能力差。相比之下，光纖傳感器具有體積小、易彎曲、靈敏度高、壽命長、抗電磁干擾和輻射、本質安全、易于復用等優(yōu)點，特別適應于易燃易爆等高危環(huán)境和某些狹小空間內的高精度濕度測量。

然而，目前現(xiàn)有技術只有極少量光纖濕度傳感器，例如長周期光纖光柵濕度傳感器，雖然靈敏度最高，理論上可在全濕范圍內測量，但其缺點是溫度、濕度、彎曲、應變、折射率等交叉敏感靈敏度都很高，解調較困難，由于外界環(huán)境的變化可能使其物理量發(fā)生變化，從而使測量精度大大降低。再如布拉格光柵式傳感器，只有選用濕膨脹線性度好的材料，整體上才會表現(xiàn)出較好的測量效果；但由于采用雙FBG結構，光纖光柵式濕度傳感器需要雙波長的光源及光譜儀，因而系統(tǒng)成本相對較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的倏逝波耦合濕度傳感光纖及其制備方法。

根據本發(fā)明的一個方面，提供一種倏逝波耦合濕度傳感光纖，包括纖芯和包裹所述纖芯的涂覆層，所述涂覆層的一部分為濕敏涂覆層，所述濕敏涂覆層由塑料透明介質顆粒和光敏物質膠合制成。

根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種倏逝波耦合濕度傳感光纖的制備方法，包括：

獲取包括纖芯和涂覆層的光纖；

去除光纖的一段涂覆層，以使纖芯裸露；

通過熱處理使裸露的纖芯彎曲為具有預定曲率的U型結構；

采用蒸度法在U型結構表面涂覆塑料透明介質顆粒和光敏物質的交聯(lián)混合膜，形成具有濕敏特性的濕敏光纖。

根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種倏逝波耦合濕度傳感光纖的應用系統(tǒng)，包括依次連接的發(fā)光源、第一光纖耦合器、倏逝波耦合濕度傳感光纖、第二光纖耦合器、光度計和微處理器；

所述倏逝波耦合濕度傳感光纖的具有U型濕敏涂覆層的一段設置于待測濕敏環(huán)境中，用于感知濕敏環(huán)境；

所述發(fā)光源，用于發(fā)射光信號；

所述第一光纖耦合器，用于將光信號耦合進光纖；

所述第二光纖耦合器，用于接收光纖中的透射光；

所述光度計，用于檢測透射光的波峰幅度，并將光強度信息輸出給微處理器；

所述微處理器，用于對經過光纖的光信號強度進行分析建模獲取待測濕敏環(huán)境的濕度的表征信息。

本申請?zhí)岢龅馁渴挪詈蠞穸葌鞲泄饫w及其制備方法和應用系統(tǒng)，基于倏逝波耦合吸收原理所制作的U型傳感光纖，其U型結構使得入射光中橫磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到濕敏薄膜內部形成倏逝波，提高了激發(fā)光與RB分子相互作用深度，實現(xiàn)了對相對濕度更高靈敏的檢測；其制備工藝簡單、穩(wěn)定性好，重復性好，具有寬范圍輸出，同時克服了傳統(tǒng)電化學濕度傳感器不耐腐蝕，不抗電輻射等缺點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明倏逝波耦合濕度傳感光纖示意圖；

圖2為本發(fā)明倏逝波耦合濕度傳感光纖應用系統(tǒng)示意圖。

附圖標記說明

1、倏逝波耦合濕度傳感光纖，2、光纖固定夾，11、纖芯，12、涂覆層，13、濕敏涂覆層，31、發(fā)光源，32、第一光纖耦合器，33、第二光纖耦合器，34、光度計，35、微處理器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種倏逝波耦合濕度傳感光纖，包括纖芯11和包裹所述纖芯11的涂覆層12，所述涂覆層12的一部分為濕敏涂覆層13，所述濕敏涂覆層13由塑料透明介質顆粒和光敏物質膠合制成。

所述濕敏涂覆層13的厚度為130nm～260nm，優(yōu)選的，所述濕敏涂覆層13的厚度為200nm。

按上述方案，所述塑料透明介質顆粒和光敏物質膠合，可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和羅丹明B，也可以是聚乙烯醇(PVA)和碳酰氯(CoCl2)。

當所述濕敏涂覆層由PMMA和羅丹明B制成時，所述濕敏涂覆層的倏逝波耦合深度為130nm～164nm。

所述光纖的具有濕敏涂覆層13的一段為U型結構。

所述光纖的具有濕敏涂覆層13的一段的U型曲率為2-7mm，優(yōu)選的，所述U型曲率為5mm或2.5mm。

本發(fā)明所述光纖基于倏逝波耦合吸收原理，其中U型結構的濕敏光纖2使得入射光中橫磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到濕敏薄膜內部形成倏逝波，提高了激發(fā)光與RB分子相互作用深度，實現(xiàn)了對相對濕度的檢測。由于倏逝波與濕敏膜相互作用深度增大的緣故，系統(tǒng)檢測相對濕度靈敏度由傳統(tǒng)的0.07dB/％RH提高到0.07dB/％RH，因此具有較高的靈敏度。

本發(fā)明還提供一種制備倏逝波耦合濕度傳感光纖的方法，包括：

獲取包括纖芯和涂覆層的光纖；

去除光纖的一段涂覆層，以使纖芯裸露；

通過熱處理使裸露的纖芯彎曲為具有預定曲率的U型結構；所述熱處理的溫度為150℃左右，處理時長為20秒左右。

采用蒸度法在U型結構表面涂覆塑料透明介質顆粒和光敏物質的交聯(lián)混合膜，形成具有濕敏特性的濕敏光纖。

所述方法還包括：

塑料透明介質顆粒、光敏物質和特定溶液分別以20mg，400mg和100ml比例均勻混合成溶液，將所述溶液在磁力攪拌器上恒溫100℃加熱至淡黃色；

利用所述溶液進行蒸鍍，以對U型光纖裸露部分進行組裝涂層；多次重復蒸鍍后獲得130nm～260nm厚度的濕敏薄膜結構；

蒸鍍后的U型濕敏光纖在室溫下干燥。

一種實施例為：

取具有纖芯和涂覆層的多模光纖基材，纖芯內徑100um，將其中間一段的涂覆層通過化學腐蝕脫落，使該段纖芯裸露，裸露長度為40mm；所述化學腐蝕脫落具體是用脫漆劑浸泡，然后用無塵紙蘸酒精將浸泡過的包層抹掉。

使光纖裸露段暴露在丙烷火焰下，控制火焰溫度和彎曲力度使其緩慢彎曲呈曲率為2-7mm的U型結構，優(yōu)選的可彎曲為曲率為2.5mm的U型結構；采用蒸鍍法在所述U型光纖裸露段表面自組裝由PMMA和羅丹明B混合交聯(lián)形成的濕敏薄膜。火焰溫度控制包括幾個階段，先控制火焰溫度為150℃左右，處理大約30秒，然后使溫度為120℃左右，處理大約60秒。

塑料透明介質顆粒與光敏物質制備濕敏薄膜的方法，具體采用PMMA和羅丹明B混合濕敏感薄膜制備方法，如下：羅丹明B、PMMA和乙二醇二醚分別以20mg，400mg和100ml比例均勻混合成溶液，其混合液需要在磁力攪拌器上以恒溫100℃加熱至淡黃色。為了提高濕敏薄膜的穩(wěn)定性，可以在上述混合液處理過程中添加10ml的二甲氧基乙醇作為螯合劑。采用蒸鍍法對U型光纖裸露部分進行組裝涂層，3次重復蒸鍍可獲得130nm～260nm厚度的濕敏薄膜結構，蒸鍍過的U型光纖濕敏段需要在室溫下干燥24小時。

本發(fā)明所制備的倏逝波耦合濕度傳感傳感光纖，其濕敏涂覆層包括PMMA與羅丹明B進行交聯(lián)混合后制得，由于PMMA材料從紫外到近紅外范圍吸收幾乎為零，而羅丹明B的最大吸收波峰在550nm處。

如圖2所示，本發(fā)明還提供一種倏逝波耦合濕度傳感光纖的應用系統(tǒng)，包括依次連接的發(fā)光源31、第一光纖耦合器32、倏逝波耦合濕度傳感光纖1、第二光纖耦合器33、光度計34和微處理器35；

所述倏逝波耦合濕度傳感光纖1的具有U型濕敏涂覆層的一段設置于待測濕敏環(huán)境中，用于感知濕敏環(huán)境；

所述發(fā)光源31，用于發(fā)射光信號；

所述第一光纖耦合器32，用于將光信號耦合進光纖；

所述第二光纖耦合器33，用于接收光纖中的透射光；

所述光度計34，用于檢測透射光的波峰幅度，并將光強度信息輸出給微處理器35；

所述微處理器35，用于對經過光纖的光信號強度進行分析建模獲取待測濕敏環(huán)境的濕度的表征信息。

所述發(fā)光源31為超連續(xù)氦-氖激發(fā)光源，發(fā)光波長為544nm，發(fā)射光入射角度為75°。

所述濕敏涂覆層13的倏逝波耦合深度為130nm～164nm。

所述倏逝波耦合濕度傳感光纖1在靠近濕敏涂覆層13處，通過光纖固定夾2固定在待測濕敏環(huán)境中。

工作原理為：

超連續(xù)氦-氖激發(fā)光源31發(fā)射544nm波長的光信號，通過第一光纖耦合器32入射到倏逝波耦合濕度傳感光纖1的輸入端，并且入射角度為75°。

光信號在倏逝波耦合濕度傳感光纖1中傳輸；當光信號進入表面設有PMMA及羅丹明B的交聯(lián)濕敏涂覆層的U型濕敏光纖段時，光信號中橫磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到濕敏涂覆層13內部形成倏逝波。即光信號在進入U型濕敏光纖段之前在纖芯中按一定的角度進行光的反射傳播；在進入U型濕敏光纖段之后，光信號從纖芯透射到濕敏涂覆層13，在濕敏涂覆層13的邊界上產生反射，反射光透射到纖芯，再透射到另一側的濕敏涂覆層13，在另一側的濕敏涂覆層13的邊界再次反射，再次透射到纖芯，如此不斷的進行傳播；之后光信號又以特定角度入射到非濕敏光纖段，在纖芯中進行反射傳播。

當光信號進入U型濕敏光纖段在濕敏涂覆層13的邊界反射即形成倏逝波，此時會有光強損失，主要是橫磁偏振光的損失。

本發(fā)明所述光纖在濕敏涂覆層處的U型結構改變了光信號的反射角度，提高了發(fā)光源31與濕敏涂覆層13相互作用深度，實現(xiàn)了對待測濕敏環(huán)境相對濕度的檢測。

隨著待測濕敏環(huán)境相對濕度的增加，PMMA及羅丹明B交聯(lián)濕敏涂覆層13中的RB分子對于激發(fā)光的吸收系數也在增加，光度計34實時檢測光纖輸出端透射光的波峰幅度，并通過串口將透射光的強度信息傳遞給微處理器35進行分析和建模，使用線性差值方法對輸入電壓(V)和濕度(％RH)進行轉換，從而計算出待測濕敏環(huán)境的濕度信息。

在檢測過程中，將基于倏逝波耦合吸收原理的U型濕敏涂覆層的光纖固定在光纖固定夾2上，如圖2中倏逝波耦合濕度傳感光纖1的粗線部分。檢測環(huán)境應避免強光照射，避免濕敏涂覆層13的表面直接接觸到液體或者固體樣品上。

本發(fā)明提供的倏逝波耦合濕度傳感光纖應用系統(tǒng)，結構緊湊，體積小，成本低廉，無需光譜儀，只需要簡單的I/V轉換采集，可靠性高；另外可達到寬測量范圍0-95％，靈敏度高達0.02dB/％RH，在25-85℃范圍內傳感器偏移小于0.8dB，特別適合現(xiàn)場濕敏測量。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。