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基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器
资料介绍
介绍了一种简单且灵敏度较高的Mach-Zehnder干涉湿度传感器.将单模光纤和多模光纤渐变熔接光纤锥,色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间,形成了单模光纤-光纤锥-多模渐变光纤-色散补偿光纤-多模渐变光纤-光纤锥-单模光纤结构的传感器.光纤锥起到了增加包层模能量的作用,两个多模渐变光纤节点作为光耦合器,从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪.外界环境湿度的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化,通过测量干涉谱波峰峰值能量实现对湿度的测量.实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度之间存在良好的线性关系.当环境湿度在35%RH—85%RH范围内变化,一段由20 mm色散补偿光纤组成的传感器,其灵敏度为-0.0668 dB/%RH,相关度为0.995.该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单,这使其可以被广泛用于湿度测量.
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基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder
干涉湿度传感器
∗
程君妮†
(榆林学院能源工程学院, 榆林 719000)
( 2017 年 7 月 21 日收到; 2017 年 8 月 17 日收到修改稿 )
介绍了一种简单且灵敏度较高的 Mach-Zehnder 干涉湿度传感器. 将单模光纤和多模光纤渐变熔接光
纤锥, 色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间, 形成了单模光纤 -光纤锥 -多模渐变光纤 -色散补偿光
纤 - 多模渐变光纤 -光纤锥 -单模光纤结构的传感器. 光纤锥起到了增加包层模能量的作用, 两个多模渐变光
纤节点作为光耦合器, 从而形成光纤 Mach-Zehnder 干涉仪. 外界环境湿度的变化, 将使得传感器透射谱能量
发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量实现对湿度的测量. 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度
之间存在良好的线性关系. 当环境湿度在 35%RH—85%RH 范围内变化, 一段由 20 mm 色散补偿光纤组成的
传感器, 其灵敏度为 −0.0668 dB/%RH, 相关度为 0.995. 该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单, 这使其
可以被广泛用于湿度测量.
关键词: 湿度传感器, 色散补偿光纤, 多模渐变光纤, Mach-Zehnder干涉仪
PACS: 42.81.Pa, 07.07.Df, 42.25.Hz
DOI: 10.7498/aps.67.20171677
的光纤 (MZI) 湿度传感器 [8,9], 长周期光纤光栅
(LFPG) 测量法 [10] 等. Shao 等 [11] 提出一种基于
单模光纤 (SMF)-粗锥 -SMF-粗锥 -SMF 结构的湿
度传感器, 湿度在 50%RH—90%RH 范围内, 传感
器灵敏度为 −0.047 nm/%RH, 但传感器制作实
验条件难以控制, 同时未解决与温度交叉灵敏问
题. Mather 等 [12] 提出基于反射式光子晶体光纤
(PCF) 干涉仪以测量湿度. 在40%RH—70%RH 湿
度范围内, 传感器灵敏度为5.6 pm/%RH. 然而, 该
传感器响应慢, 有超过 1 min 的时间响应. Zhang
和 Tao [13] 提出基于聚合物的布拉格光栅湿度传
感器. 湿度在 70%RH—95%RH 范围内, 传感器灵
敏度为 24 pm/%RH. 尽管在 FBG 表面涂覆聚合
物, 对湿度显示出非常高的敏感堵, 但是响应却很
慢. Liu 等 [14] 提出将传感器弯成 S 形以测量湿度.
在 26.5%RH—95.2%RH 范围内, 传感器灵敏度为
1.1718 nm/%RH. 然而未研究传感器被弯成不同 S
1 引
言
环境相对湿度 (RH) 是表示空气中绝对湿度与
同温度下饱和绝对湿度的比值. 湿度测量在气象、
农林业、生物化学、建筑、医疗卫生等领域中有着
广泛的应用. 尤其在林业中, 湿度是林火预报重要
的衡量指标之一, 空气中的水分含量是森林能否燃
烧以及衡量林火蔓延速度的重要参数. 相对湿度越
大, 可燃物水分吸收越快, 蒸发越慢, 越不容易发生
火灾. 所以湿度的测量尤为重要 [1]
.
相比传统的电类湿度传感器, 光纤传感器
具有响应速度快、体积小等独特优势, 而且可
以 实 现 分 布 式 测 量. 目 前 已 经 提 出 了 多 种 不
同 结 构 的 光 纤 湿 度 传 感 器, 包 括 基 于 法 布 里 -
珀罗原理的光纤湿度传感器 [2−5], 光纤布拉格
光栅 (FBG) 测量法 [6,7]、基于 Mach-Zehnder 原理
∗
†
陕西省榆林科学技术局产学研基金 (批准号: 2015cxy-22) 和陕西省榆林学院校内项目 (批准号: JG-1527) 资助的课题.
通信作者. E-mail:
© 2018 中国物理学会 Chinese Physical Society
024212-1
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 2 (2018) 024212
形时, 对湿度的响应特征. Mathew 等 [15] 提出一种
光谱发生变化. 并通过实验研究了温度对传感器
透射谱的影响. 实验结果表明该传感器灵敏度高、
制作简单且易封装, 因而具有用于测量湿度的潜在
价值.
基于透射式 PCF 干涉仪, 在其表面涂覆琼脂糖溶
液以测量湿度. 在 14%RH—86%RH 湿度范围内,
传感器灵敏度为 0.06 dB/%RH. 尽管该传感器湿
度灵敏度高, 但是制造工艺十分复杂. 张小康等 [16]
提出了一种双包层单模光纤结构传感器, 相对湿度
在 30%RH—100%RH 范围内传感器光强变化接近
9 dB, 但是未研究聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氯乙
烯不同比例混合时传感器对湿度响应特征. 张芸
山等 [17] 提出一种基于光纤锥级联结构的湿度传感
器. 在湿度 35%RH—95%RH 范围内, 该传感器灵
敏度为 −0.065 dB/%RH. 然而未研究级联不同长
度单模光纤的传感器对湿度响应差异. Yeo 等 [18]
提出往 FBG 表面涂覆热塑性聚酰亚胺材料以测量
湿度灵敏度, 该传感器具有秒量级响应时间. 然而,
FBG 表面需要涂覆一层非常薄的涂层才能达到这
2 传感器制作和理论分析
图 1 为传感器结构示意图. 该传感器是由商
业熔接机制造. 使用剥线钳去除渐变折射率多模
光纤 (GI MMF) 涂覆层, 用蘸有酒精的棉花反复擦
洗, 用光纤切刀将其切成两部分. 将准备好的一
部分 GI MMF 和SMF 放入熔接机, 在显微镜下调
节成一条直线, 调节熔接机参数并选择单模 -多模
(SM-MM) 熔接程序, 得到 SM-GI MM 光纤锥. 经
过多次错误调试和尝试, 得到熔接光纤锥最优参
数. 设定的参数如下: 首次放电强度 +150, 首次放
电结束强度+120, 预熔时间为300 ms, 首次放电时
间为 1600 ms, Z 推进距离为 180 µm. 按照同样的
方法和熔接参数, 得到另一个光纤锥. 一段去除涂
覆层的色散补偿光纤 (DCF) 熔接在两个 GI MMF
之间, 构成了单模光纤 -光纤锥 -多模渐变光纤 -色
散补偿光纤 -多模渐变光纤 -光纤锥 -单模光纤结构
的MZI传感器.
个响应时间, 从而降低了湿度灵敏度. Wu 等 [19]
提
出一种单模光纤 -细芯光纤 -单模光纤结构的 MZI
传感器. 湿度在 80%RH—95%RH 范围内, 传感器
透射谱波长漂移量大, 但测量范围受到限制.
本文提出了一种单模光纤 -光纤锥 -多模渐变
光纤 -色散补偿光纤 -多模渐变光纤 -光纤锥 -单模
光纤结构的 MZI 湿度传感器. 通过利用恒温恒湿
试验机改变传感器外界环境湿度, 引起传感器透射
Uncoated DCF(sensing element
L
）
GI MMF
SMF(output)
SMF(input)
GI MMF
图 1 传感器结构示意图
Fig. 1. Schematic diagram of the proposed sensing.
图 2 (a) 为使用该熔接参数制作的光纤锥实物
有利于提高干涉条纹的对比度. 因此, 两个GI MM
光纤节点作为光耦合器. 光从宽带光源发出, 通
过 SMF 与 GI MMF 第一个光纤锥节点时, 一部分
光会耦合进 GI MMF 纤芯中, 一部分光进入到 GI
MMF 包层中. 在 GI MMF 传输的光经过 DCF 时,
由于纤芯失配等原因, 一部分光耦合进入 DCF 纤
芯中传输, 一部分光耦合进入 DCF包层中传输, 激
发包层模产生. 在 DCF 与 GI MMF 第二个熔接节
点处, 包层模与纤芯基模相遇并耦合. 由于纤芯和
包层有效折射率不同, 造成两束光产生相位差, 由
此发生干涉现象. L表示DCF长度.
照片. 经过多次实验, 得到的光纤锥长度维持在
372—396 µm 范围内, 直径在 160—172 µm 范围内
变化, 且重复性较好. 相比较标准 SM 和 GI MM
光纤 (直径 125 µm), 被制造的光纤锥直径更大.
图 2 (b) 是 DCF 实物图, 图 3 为 GI MMF 光纤锥接
入和未接入传感器时的透射谱. 从图 3 中可以看
到, 将 GI MMF 光纤锥接入传感器, 透射谱周期明
显增加, 且条纹对比度更加明显. 这是因为光纤锥
和GI MMF增大了光的发散角, 从而使更多的光进
入下一段色散补偿光纤包层中, 增加包层模能量,
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