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基于細(xì)芯光纖與雙球結(jié)構(gòu)的溫度濕度傳感器*

2022-03-23 06:01:44石小雨魯志琪陶武強(qiáng)劉昌寧
傳感器與微系統(tǒng) 2022年3期
關(guān)鍵詞:包層纖芯鍍膜

石小雨, 陳 寧, 魯志琪, 陶武強(qiáng), 彭 敏, 劉昌寧

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石435002)

0 引 言

隨著信息化不斷滲透到生活的各個(gè)方面,對(duì)信息采集的穩(wěn)定度和精度提出了更高的要求,研究新型的光纖傳感器,吻合時(shí)代發(fā)展的主題。越來(lái)越多的科研工作者研究干涉型光纖傳感器,并把研究成果應(yīng)用于航天、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信等諸多領(lǐng)域[1~7],取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和突出成績(jī)。其中有一部分人提出了基于細(xì)芯光纖(thin core fiber,TCF)的研究,細(xì)芯光纖因其具有較小的纖芯直徑,當(dāng)光功率在光纖中傳播時(shí),受約束的范圍更小,令其對(duì)于外界環(huán)境參量的變化更加敏感。正是由于這一特性,讓細(xì)芯光纖在光纖傳感領(lǐng)域得到了比較廣泛的研究[8~13]。近年來(lái),對(duì)于細(xì)芯光纖的主要研究方向是將細(xì)芯光纖與各種結(jié)構(gòu)連接起來(lái)制成具有不同功能的光纖傳感器,用于測(cè)量溫度、折射率、拉力等參數(shù)[14,15],取得了許多重要成果并應(yīng)用于工程實(shí)踐上。為了提高細(xì)芯光纖傳感器結(jié)構(gòu)的性能,可以在器件表面涂一層濕敏薄膜材料來(lái)提高結(jié)構(gòu)的濕度靈敏度[16~19]。

本文選取價(jià)格比較便宜、鍍膜步驟簡(jiǎn)單的聚酰亞胺(polyimide,PI)膜涂覆在細(xì)芯光纖上,可以用來(lái)制作溫度和濕度同時(shí)測(cè)量的多參量光纖傳感器。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)制作

1)傳感器的拼接過(guò)程:截取兩段單模光纖(single mode fiber,SMF),它采用標(biāo)準(zhǔn)的SMF(武漢長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司生產(chǎn),纖芯直徑為9 μm,包層直徑為125 μm)制作。將SMF的任意一端剝掉涂覆層,后用丙酮溶液擦拭清潔已剝涂覆層部位,并用光纖切割刀將已剝掉涂覆層的斷面切平,用同樣的方法再將一段3.4 cm長(zhǎng)的細(xì)芯光纖兩端面切平。接下來(lái)兩根SMF經(jīng)過(guò)大芯徑多功能光纖熔接機(jī)(型號(hào)為FSM—100P+,日本藤倉(cāng)公司制造)的燒球模式分別在SMF的一端燒至直徑為300 μm的球型,然后在兩球之間拼接一段長(zhǎng)度為3.4 cm的細(xì)芯光纖。

2)傳感器的拉錐過(guò)程:如圖1所示,該過(guò)程仍然使用大芯徑多功能光纖熔接機(jī),通過(guò)該熔接機(jī)的拉錐模式,使傳感器中心部分的細(xì)芯光纖置于熔接機(jī)的中心,設(shè)置好拉錐參數(shù),選擇分步拉錐模式,放電量分別為120,100,80 bit,每次放電時(shí)間均為1 500 ms,最細(xì)部分拉錐至80 μm。

圖1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)

3)傳感器的鍍膜過(guò)程:將拉錐好的結(jié)構(gòu)用丙酮清洗拉錐部分的表面,后將拉錐部分浸入粘合劑中靜置5 min,以增強(qiáng)聚合物表面的附著力。粘合劑干燥之后,傳感器準(zhǔn)備進(jìn)行PI層涂覆,將拉錐部分浸入PI溶液中,通過(guò)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)以10 μm/s的速率拉出,然后將傳感器置于干燥箱中,將烤箱的溫度增加到80 ℃,干燥30 min。重復(fù)此步驟多次,直至在顯微鏡下可以觀察到明顯的PI膜,在沉積的最后一次干燥時(shí),需在150 ℃的烤箱中固化2.5 h。至此傳感器的制作過(guò)程完成。

如圖2所示,在50x/0.8奧林巴斯顯微鏡下觀察細(xì)芯光纖鍍膜前后的變化,可以看出,拉錐后的細(xì)芯光纖鍍膜前的直徑為80.15 μm,鍍膜后的直徑為84.15 μm,可知膜厚僅為2 μm。

圖2 鍍膜前(左)與鍍膜后(右)

1.2 傳感原理分析

入射光通過(guò)單模光纖進(jìn)入左端的球形結(jié)構(gòu),由球形結(jié)構(gòu)的耦合作用,一部分光進(jìn)入細(xì)芯光纖的纖芯,另外一部分耦合進(jìn)入包層,分別激發(fā)出細(xì)芯光纖的纖芯模式與包層模式,這兩種模式傳輸?shù)接叶说那蛐谓Y(jié)構(gòu)時(shí)耦合回SMF的纖芯。由于傳輸路徑不同,纖芯模式和包層模式之間存在相位差,從而形成干涉。

該干涉是基于馬赫—曾爾德(Mach-Zehnder,M-Z) 干涉理論。纖芯模式與包層模式的相位差表達(dá)式為

式中L為干涉長(zhǎng)度,λ為真空中的波長(zhǎng),Δneff=nco-ncl為纖芯與包層有效折射率的差,nco為纖芯有效折射率,ncl為包層有效折射率,nex為外界折射率。干涉時(shí)光的光強(qiáng)表達(dá)式為

式中I1與I2分別為細(xì)芯光纖的纖芯模和包層模的光強(qiáng)。當(dāng)φ=(2m+1)π(m取正整數(shù))時(shí),干涉光強(qiáng)達(dá)最小值,出現(xiàn)干涉谷。由相位差表達(dá)式得波谷的波長(zhǎng)為

當(dāng)溫度或濕度發(fā)生變化時(shí),纖芯與包層有效折射率之差與干涉長(zhǎng)度L會(huì)發(fā)生變化,從而引起譜線的漂移,該傳感器從理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的傳感。

1.3 傳感器的光譜

圖3為傳感器的原始透射譜,從圖中選出兩個(gè)穩(wěn)定且間隔距離較大的諧振峰波谷1和波峰2作對(duì)比,其中,波谷1位于1 385 nm處,諧振峰波谷強(qiáng)度為-32.04 dB。波峰2位于1 562 nm處,強(qiáng)度為27.66 dB, 在通信波段1 550附近,具有實(shí)用價(jià)值。

圖3 傳感器透射譜初始圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 濕度實(shí)驗(yàn)

將傳感器兩端的SMF分別連接到光譜分析儀(OSA)和寬帶光源(BBS),其中OSA為日本橫河公司所生產(chǎn)的AQ6370D,測(cè)量范圍為600~1 700 nm,精度為±0.01 nm,分辨率為0.05,BBS為自發(fā)輻射光源,其發(fā)光光譜范圍為1 250~1 650 nm的光。濕度實(shí)驗(yàn)范圍為40 %~70 %RH,從40 %RH開(kāi)始,每隔5 %RH記錄一次傳感器的透射譜。

如圖4分別為Dip1和Dip2隨濕度變化漂移圖,保持箱內(nèi)溫度恒為25 ℃時(shí),濕度逐漸上升的過(guò)程中,傳感器的透射譜發(fā)現(xiàn)藍(lán)移,考察Dip1和Dip2中心波長(zhǎng)和環(huán)境濕度變化關(guān)系,可得外界濕度變化與中心波長(zhǎng)有一定的線性關(guān)系。

圖4 傳感器Dip1和Dip2隨濕度變換漂移

如圖5為傳感器Dip1和Dip2中心波長(zhǎng)隨外界濕度變化的擬合圖。由圖可知,Dip1點(diǎn)的濕度靈敏度為34.71 pm/%RH,Dip2點(diǎn)的濕度靈敏度為45.71 pm/%RH。且Dip1和Dip2的擬合線性度較高,分別為0.977 5和0.966 6。

圖5 傳感器透射譜Dip1和Dip2中心波長(zhǎng)隨濕度變化擬合

2.2 溫度實(shí)驗(yàn)

測(cè)量開(kāi)始前保持箱內(nèi)濕度恒為40 %RH,設(shè)定溫控箱內(nèi)的初始溫度為30 ℃,溫度范圍為30~100 ℃,溫度增量為10 ℃。

如圖6為傳感器Dip1,Dip2中心波長(zhǎng)隨溫度變化的漂移圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的溫度爐為合肥科晶生產(chǎn)的高溫精密可控溫度爐(型號(hào)為OTF—1200X),實(shí)驗(yàn)前將傳感器穿過(guò)高溫爐中的玻璃管中,將結(jié)構(gòu)置于玻璃管中心處,入射SMF接BBS,出射SMF接OSA,形成透射光路。溫度實(shí)驗(yàn)范圍為30~70 ℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明傳感器在30~70 ℃的低溫環(huán)境中,Dip1和Dip2中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象。

圖6 傳感器Dip1和Dip2中心波長(zhǎng)隨溫度變化漂移圖

如圖7為傳感器Dip1,Dip2的波長(zhǎng)隨溫度變化的擬合圖,可知諧振峰波谷Dip1的靈敏度為22.07 pm/℃,而波峰Dip2的靈敏度可達(dá)到35.79 pm/℃,且Dip1和Dip2的線性擬合度均較高,分別為0.983和0.992 6。

圖7 傳感器Dip1和Dip2中心波長(zhǎng)隨溫度變化擬合

2.3 穩(wěn)定性分析

如圖8所示,為了測(cè)試實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性,將該傳感器固定在相對(duì)濕度為50 %RH,溫度恒為50 ℃的條件下持續(xù)100 min,每隔10 min記錄一次光譜??梢杂^察出,此傳感器在100 min內(nèi)幾乎沒(méi)有變化,可知該實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性良好。

圖8 傳感器的穩(wěn)定性

3 結(jié) 論

本文利用細(xì)芯光纖的特性,將其與單模光纖熔接,并鍍上一層PI膜,構(gòu)造了對(duì)溫度和濕度都敏感的傳感器。在此傳感器結(jié)構(gòu)中,細(xì)芯光纖對(duì)溫度的變化比較敏感,鍍膜后的結(jié)構(gòu)對(duì)濕度敏感,同時(shí)2 μm厚的膜不會(huì)對(duì)溫度靈敏度造成影響,無(wú)交叉敏感。利用該結(jié)構(gòu)傳感器對(duì)溫度和濕度進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:此結(jié)構(gòu)對(duì)溫度和濕度的靈敏度都很好,溫度靈敏度、濕度靈敏度分別可達(dá)到35.79 pm/℃,45 pm/%RH,而且穩(wěn)定性良好。

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