基于双细锥型结构的M-Z干涉仪的光纤湿度传感器

万刘伟,倪 凯

(中国计量大学 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018)

自20世纪70年代早期开始以来,光纤传感器技术经历了巨大的发展,之后人们的兴趣又进一步增加,其结果是在20世纪90年代第一个大规模生产的光纤传感器的引入,主要应用于工业和医疗行业。近年来,随着光电子和通信领域的快速发展,光纤传感器产品的数量急剧增长[1]。湿度是重要的环境参数,相应的湿度传感器在生活、工业、农业、建筑、生物医药、环保等领域有着广泛的应用[2-4]。与传统湿度传感器相比,光纤RH传感器具有体积小、灵敏度高、柔韧性好、抗电磁干扰能力强等突出优点[5],适用于恶劣和极端环境。这类传感器的传感原理是,光纤的波长、强度、反射率或偏振等一些光学参数会随着环境相对湿度的变化而产生相应的变化[6]。

在以往的研究中,光纤湿度传感器包含多种干涉结构,其主要是利用光纤作为传输光的媒介和传感探头的传感器。传感探头或者涂覆湿敏材料,受外界环境参量影响时,引起传感器的折射率发生改变,导致相位差改变,进而引起干涉光波形改变(强度改变或者波长漂移)。于是,通过建立外界环境参量与强度或者波长的线性关系,便可探知或者捕获被测环境的信息。干涉型的光纤传感器基于光的干涉原理,主要分为以下四类:Mach-Zehnder干涉仪、Michelson干涉仪、Fabry-Perot干涉仪、Sagnac干涉仪[7,8]。近年来,新型光纤SPR温度传感器[9],用于相对湿度(%RH)监测的碳纳米管(CNT)/聚乙烯醇(PVA)复合薄膜涂层细芯光纤(TCF)光学传感器[10],基于M-ZI(Mach-Zehnder Interference)的腰椎放大并用壳聚糖进行沉积改性的湿度传感器[11],因具有良好的响应效果被逐渐提出。

基于现在湿度对于工业生产作业及农业种植等环境的重要性,文章提出了一种Mach-Zehnder干涉的细锥形新型传感器,旨在通过该光纤传感器,为工业工厂及农业蔬菜大棚提供一个实时、快速、高效监测的方法和途径。

1 基于双细锥型结构制作与传感原理

结构制作:图1给出了本文所研究的M-ZI结构,它由单模光纤利用特种光器件精密微加工平台(LDS2.5,3SAE Technologies,Inc/美国)按照表1参数设置进行第一个锥形结构的制作,拉锥完成后保持该界面不动,将Scan界面Left设置为20 000 μm,其他设置均保持不变,继续执行双向拉锥程序操作再次拉锥。

表1 双细锥形第一次拉锥参数设置Table 1 Parameter setting of the first double taper taper

传感原理:如图1,设计制作的M-ZI基于单模光纤在其上熔接两个相邻锥形构成,纤芯内部传输的光经过第一个锥形时激发高阶模,一部分在纤芯内继续传播,一部分在包层内传播,两个锥形形成传感臂,由于纤芯和包层的折射率不同而产生光程差[12],在第二个锥形时再次耦合产生干涉。

图1 双细锥形M-ZI制作原理图Figure 1 Schematic diagram of double fine cone M-ZI production

2 基于双细锥型结构M-ZI光纤湿度传感器

将传感器利用光纤夹悬空固定到铁板上,置入恒温恒湿箱并密封,恒定温度下控制恒温箱湿度。将可编程恒温恒湿箱保持恒定温度为25 ℃,以40%RH为起始湿度逐次间隔5%RH增加到80%RH进行测量,图2是实验连接图。

图2 双细锥形M-Z干涉实验装置图Figure 2 Double fine cone M-Z interference experiment device

由于湿度箱内风机吹动导致结构部分晃动使光谱曲线不光滑,故将每个恒定温度下的湿度稳定的6次测量平均值作为该恒定温度下稳定湿度的数据,并利用Origin平滑处理进行光谱图绘制。

3 结果与讨论

图3为不同湿度测量下的光谱图。

图3 恒定温度下不同湿度响应光谱图Figure 3 Spectra of the different humidity response at constant temperature

由光谱图将1 556～1 562 nm中间波谷图提取出来,如图4所示。

图4 1 560 nm附近光谱图Figure 4 Spectrum near 1 560 nm

图5为光强与湿度的线性拟合图,从图4和图5中可以看出,随着湿度增加,在1 560 nm附近的波谷输出光强度大致趋势逐渐变小。通过强度解调,在RH50%～70%的变化范围内,传感器的灵敏度为-0.019 dB,线性度R2=0.998 7,高湿度范围(RH70%～80%)内,灵敏度最大值为-0.055 dB,线性度R2=0.989 2。造成该现象的原因是,在相对湿度高范围内,随着环境湿度增大,包层的有效折射率增大,传感器的外部倏逝场增强导致向外辐射能量变多,从而使包层模的光强变小,最终导致输出透射谱光强减小(强度偏移量较大)。相对湿度低范围(40%～50%)时,随湿度增大,光强变化与相对湿度高范围是相反的,这是由于外界空气的折射率与光纤包层的折射率在RH50%存在一个平衡的“拐点”导致,在RH50%下,空气折射率大于包层折射率,抑制了光纤向外辐射能量的逸出,进而导致包层膜的光强略微变大;RH50%附近为“平衡拐点”,在大于此“拐点”相对湿度时,空气折射率小于包层折射率,逸出光逐渐增加,导致光强逐渐变小。

图5 1 560 nm附近光强与湿度线性拟合图Figure 5 Linear fitting diagram of light intensity and humidity near 1 560 nm

由于温度也是测量湿度的一个重要因素,因此我们应考虑湿度和温度的交叉敏感性。因此借助恒温恒湿箱将湿度保持恒定为40%RH,在20 ℃～95 ℃范围内进行温度实验。通过图6的光谱漂移可以看出,随着温度的改变,该光纤传感器受温度的影响强度基本不变,可以忽略不计,从而避免了由强度而引起的交叉敏感。

图6 恒湿下强度/波长与温度线性拟合图Figure 6 Linear fitting graph of intensity/wavelength and temperature under constant humidity

此外,在不同相对湿度下的波长基本没有漂移(图4),而温度与波长漂移成良好的线性关系,波长漂移为16.2 nm,灵敏度为208.6 pm/℃,线性度R2=0.970 5。这表明了该传感器可分别通过强度解调监测湿度变化的同时又可通过波长解调实现温度的测量。

4 结 语

本文从工业工厂及农业的蔬菜大棚需要控制湿度环境参量着手,具有实际应用研究价值。本文提出了一种基于双细锥形M-ZI的光纤湿度传感器,并进行了湿度的传感特性探索研究。通过实验验证了在20～95 ℃温度范围内其最大灵敏度为208.6 pm/℃、在RH50%～70%和70%～80%的湿度变化范围内传感器的灵敏度分别为-0.019 dB、-0.055 dB,表明双细锥形结构光纤传感器具有良好的湿度线性响应关系。通过文献查阅,相比于近几年提出的湿度传感器结构,该结构具有较高的灵敏度和重复性。

该传感器在相对湿度高的传感范围内较之于相对湿度低时具有更高的灵敏度。提出的双细锥形结构传感器通过实验验证表明可通过强度变化或者波长解调实现湿度的测量,且具有尺寸紧凑、结构简单、成本较低、灵敏度较高等优点,可在工业生产、农业领域进行环境湿度的监测。