基于雙細錐型結(jié)構(gòu)的M-Z干涉儀的光纖濕度傳感器

萬劉偉,倪 凱

(中國計量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

自20世紀(jì)70年代早期開始以來,光纖傳感器技術(shù)經(jīng)歷了巨大的發(fā)展,之后人們的興趣又進一步增加,其結(jié)果是在20世紀(jì)90年代第一個大規(guī)模生產(chǎn)的光纖傳感器的引入,主要應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療行業(yè)。近年來,隨著光電子和通信領(lǐng)域的快速發(fā)展,光纖傳感器產(chǎn)品的數(shù)量急劇增長[1]。濕度是重要的環(huán)境參數(shù),相應(yīng)的濕度傳感器在生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、生物醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。與傳統(tǒng)濕度傳感器相比,光纖RH傳感器具有體積小、靈敏度高、柔韌性好、抗電磁干擾能力強等突出優(yōu)點[5],適用于惡劣和極端環(huán)境。這類傳感器的傳感原理是,光纖的波長、強度、反射率或偏振等一些光學(xué)參數(shù)會隨著環(huán)境相對濕度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化[6]。

在以往的研究中,光纖濕度傳感器包含多種干涉結(jié)構(gòu),其主要是利用光纖作為傳輸光的媒介和傳感探頭的傳感器。傳感探頭或者涂覆濕敏材料,受外界環(huán)境參量影響時,引起傳感器的折射率發(fā)生改變,導(dǎo)致相位差改變,進而引起干涉光波形改變(強度改變或者波長漂移)。于是,通過建立外界環(huán)境參量與強度或者波長的線性關(guān)系,便可探知或者捕獲被測環(huán)境的信息。干涉型的光纖傳感器基于光的干涉原理,主要分為以下四類:Mach-Zehnder干涉儀、Michelson干涉儀、Fabry-Perot干涉儀、Sagnac干涉儀[7,8]。近年來,新型光纖SPR溫度傳感器[9],用于相對濕度(%RH)監(jiān)測的碳納米管(CNT)/聚乙烯醇(PVA)復(fù)合薄膜涂層細芯光纖(TCF)光學(xué)傳感器[10],基于M-ZI(Mach-Zehnder Interference)的腰椎放大并用殼聚糖進行沉積改性的濕度傳感器[11],因具有良好的響應(yīng)效果被逐漸提出。

基于現(xiàn)在濕度對于工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)及農(nóng)業(yè)種植等環(huán)境的重要性,文章提出了一種Mach-Zehnder干涉的細錐形新型傳感器,旨在通過該光纖傳感器,為工業(yè)工廠及農(nóng)業(yè)蔬菜大棚提供一個實時、快速、高效監(jiān)測的方法和途徑。

1 基于雙細錐型結(jié)構(gòu)制作與傳感原理

結(jié)構(gòu)制作:圖1給出了本文所研究的M-ZI結(jié)構(gòu),它由單模光纖利用特種光器件精密微加工平臺(LDS2.5,3SAE Technologies,Inc/美國)按照表1參數(shù)設(shè)置進行第一個錐形結(jié)構(gòu)的制作,拉錐完成后保持該界面不動,將Scan界面Left設(shè)置為20 000 μm,其他設(shè)置均保持不變,繼續(xù)執(zhí)行雙向拉錐程序操作再次拉錐。

表1 雙細錐形第一次拉錐參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of the first double taper taper

傳感原理:如圖1,設(shè)計制作的M-ZI基于單模光纖在其上熔接兩個相鄰錐形構(gòu)成,纖芯內(nèi)部傳輸?shù)墓饨?jīng)過第一個錐形時激發(fā)高階模,一部分在纖芯內(nèi)繼續(xù)傳播,一部分在包層內(nèi)傳播,兩個錐形形成傳感臂,由于纖芯和包層的折射率不同而產(chǎn)生光程差[12],在第二個錐形時再次耦合產(chǎn)生干涉。

圖1 雙細錐形M-ZI制作原理圖Figure 1 Schematic diagram of double fine cone M-ZI production

2 基于雙細錐型結(jié)構(gòu)M-ZI光纖濕度傳感器

將傳感器利用光纖夾懸空固定到鐵板上,置入恒溫恒濕箱并密封,恒定溫度下控制恒溫箱濕度。將可編程恒溫恒濕箱保持恒定溫度為25 ℃,以40%RH為起始濕度逐次間隔5%RH增加到80%RH進行測量,圖2是實驗連接圖。

圖2 雙細錐形M-Z干涉實驗裝置圖Figure 2 Double fine cone M-Z interference experiment device

由于濕度箱內(nèi)風(fēng)機吹動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部分晃動使光譜曲線不光滑,故將每個恒定溫度下的濕度穩(wěn)定的6次測量平均值作為該恒定溫度下穩(wěn)定濕度的數(shù)據(jù),并利用Origin平滑處理進行光譜圖繪制。

3 結(jié)果與討論

圖3為不同濕度測量下的光譜圖。

圖3 恒定溫度下不同濕度響應(yīng)光譜圖Figure 3 Spectra of the different humidity response at constant temperature

由光譜圖將1 556～1 562 nm中間波谷圖提取出來,如圖4所示。

圖4 1 560 nm附近光譜圖Figure 4 Spectrum near 1 560 nm

圖5為光強與濕度的線性擬合圖,從圖4和圖5中可以看出,隨著濕度增加,在1 560 nm附近的波谷輸出光強度大致趨勢逐漸變小。通過強度解調(diào),在RH50%～70%的變化范圍內(nèi),傳感器的靈敏度為-0.019 dB,線性度R2=0.998 7,高濕度范圍(RH70%～80%)內(nèi),靈敏度最大值為-0.055 dB,線性度R2=0.989 2。造成該現(xiàn)象的原因是,在相對濕度高范圍內(nèi),隨著環(huán)境濕度增大,包層的有效折射率增大,傳感器的外部倏逝場增強導(dǎo)致向外輻射能量變多,從而使包層模的光強變小,最終導(dǎo)致輸出透射譜光強減小(強度偏移量較大)。相對濕度低范圍(40%～50%)時,隨濕度增大,光強變化與相對濕度高范圍是相反的,這是由于外界空氣的折射率與光纖包層的折射率在RH50%存在一個平衡的“拐點”導(dǎo)致,在RH50%下,空氣折射率大于包層折射率,抑制了光纖向外輻射能量的逸出,進而導(dǎo)致包層膜的光強略微變大;RH50%附近為“平衡拐點”,在大于此“拐點”相對濕度時,空氣折射率小于包層折射率,逸出光逐漸增加,導(dǎo)致光強逐漸變小。

圖5 1 560 nm附近光強與濕度線性擬合圖Figure 5 Linear fitting diagram of light intensity and humidity near 1 560 nm

由于溫度也是測量濕度的一個重要因素,因此我們應(yīng)考慮濕度和溫度的交叉敏感性。因此借助恒溫恒濕箱將濕度保持恒定為40%RH,在20 ℃～95 ℃范圍內(nèi)進行溫度實驗。通過圖6的光譜漂移可以看出,隨著溫度的改變,該光纖傳感器受溫度的影響強度基本不變,可以忽略不計,從而避免了由強度而引起的交叉敏感。

圖6 恒濕下強度/波長與溫度線性擬合圖Figure 6 Linear fitting graph of intensity/wavelength and temperature under constant humidity

此外,在不同相對濕度下的波長基本沒有漂移(圖4),而溫度與波長漂移成良好的線性關(guān)系,波長漂移為16.2 nm,靈敏度為208.6 pm/℃,線性度R2=0.970 5。這表明了該傳感器可分別通過強度解調(diào)監(jiān)測濕度變化的同時又可通過波長解調(diào)實現(xiàn)溫度的測量。

4 結(jié) 語

本文從工業(yè)工廠及農(nóng)業(yè)的蔬菜大棚需要控制濕度環(huán)境參量著手,具有實際應(yīng)用研究價值。本文提出了一種基于雙細錐形M-ZI的光纖濕度傳感器,并進行了濕度的傳感特性探索研究。通過實驗驗證了在20～95 ℃溫度范圍內(nèi)其最大靈敏度為208.6 pm/℃、在RH50%～70%和70%～80%的濕度變化范圍內(nèi)傳感器的靈敏度分別為-0.019 dB、-0.055 dB,表明雙細錐形結(jié)構(gòu)光纖傳感器具有良好的濕度線性響應(yīng)關(guān)系。通過文獻查閱,相比于近幾年提出的濕度傳感器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有較高的靈敏度和重復(fù)性。

該傳感器在相對濕度高的傳感范圍內(nèi)較之于相對濕度低時具有更高的靈敏度。提出的雙細錐形結(jié)構(gòu)傳感器通過實驗驗證表明可通過強度變化或者波長解調(diào)實現(xiàn)濕度的測量,且具有尺寸緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、靈敏度較高等優(yōu)點,可在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進行環(huán)境濕度的監(jiān)測。