基于光纤F-P腔的湿度传感器研究

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摘 要: 在理论和实验的基础上分析了光纤F-P腔湿度传感器的湿度敏感特性,使用了低精细度的光纤F-P腔分析理论,即只考率在两个反射面上反射功率最强的一次反射光。以陶瓷插芯固定光纤端面,并在此基础上制备高反射率银膜和多孔硅膜构成F-P结构,得到了在低于85%的相对湿度环境下,每0.6nm的波长漂移对应于10%的相对湿度变化,与传统湿度计5%的测量精度相比有了很大的提高,并且实验证明其具有较好的重复性和线性度。因此认为这种结构的湿度传感器具有很好的湿度传感性能。

关键词: 低精细度光纤F-P腔 多孔硅 湿度传感器

中图分类号: TN29 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-091-02

1 引言

空气湿度是人类环境表征的一个重要参数。人们的日常生活和生产活动以及动植物的生长和生存,都与周围环境的湿度息息相关,从日常生活、家电、交通、到医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。目前市场上提供的监测湿度的传感器大多是机械式和基于电化学的电子类湿度计。光纤传感器因为具有体积小,重量轻,不受电磁干扰,光纤传输全光信号,易于集成等一系列的优点而成为如今传感器发展制作中备受关注,而光纤类的湿度计在制作技术上尚不成熟,存在诸多弊病,光纤Bragg光栅式的对湿度响应较小,0-100%RH只有约100pm漂移量??,基于光纤端面镀膜的湿度敏感膜不稳定,易脱落。

光纤f-p腔式传感器除了具有其它光纤传感器的有点外还有传感器原理简单,传感精度极高等优点??。但是其制作过程复杂,成本较高,要做出可实用化的光纤F-P传感器还很困难。我们提出了一种新的方法制作光纤F-P腔,简化了F-P腔的制作过程,应用于湿度检测装置。

2 低精细度 F-P干涉理论

这里使用的是低精细度的F-P干涉??,即腔的两表面反射率不高,有很大的反射损耗,只能在反射光谱中检测倒干涉现象。此种F-P干涉模型如下图1所示,我们只需考虑光在第一个界面的反射光和第二个面的反射光在光纤内的干涉叠加即可。

图 1 低精细度光纤F-P腔干涉示意图

(2.1)

式中I1为入射光在第一个表面的反射光强,I2为入射光透过第一个表面以后在第二个表面反射一次再透射过第一个表面达到光纤内的光强,δ为两束光的相位差。假设第一个面的反射率为r1,第二个面的反射率为,r2为入射光,I则可以写出,入射光I和反射光I1,I2之间的关系

(2.2)

δ是光在F-P腔中往返一次的相位差,是光线入射第一个面以后的折射角。对于光线在光纤波导中传播,入射到光纤F-P腔的模型可认为光线为近轴光线,正入射的形式,则 为零,δ的公式简化为。由此可以看出光纤F-P腔的反射回来的干涉光强峰值仅与nd和相关。当满足关系式 时出现反射光强的最大值。即此时F-P干涉仪反射光输出的极大值条件为相邻光束的光程差等于入射波长的整数倍,即。定义两个相邻极大峰的间隔称为自由光谱宽度(FSR):

(2.3)

该值限制了传感器的动态范围,因为我们入射光源为包含不同波长的宽带光源,该值太小的话,会在就有可能发生不同级次的光谱发生重叠现象,使得进行光谱分析时会发生错误。

3 低精细度光纤F-P腔制备与湿度敏感

当空气中存在水分子的时候F-P腔内填充的吸湿材料会吸收水分子,致使腔内物质的折射率发生改变 ,腔长度改变,透射光谱峰值波长改变为而 和 ,都是随着空气中的相对湿度的变化而变化的,这其中主要是 的变化,所以我们通过监测透射光谱峰值波长的变化可以确定空气中相对湿度的变化。

多孔硅于1956年由美国贝尔实验室的Uhlir最先发现,目前对于多孔硅的研究主要集中在多孔硅的制备,微结构特征以及其发光特性的研究 。但是基于多孔硅的表面积和体积比大于200 ??的这样一种表面结构并且其具有相当活跃的化学性质,是以其表面可以非常容易地吸附大量的外界气体分子,从而改变多孔硅的光学特性,因此用其作为气体敏感材料应该也具有很好的应用前景,是以我们选择多孔硅填充于F-P腔内用作湿度敏感材料。三层膜的厚度分别为3.3nm半透半反射率银膜,30um多孔硅湿度敏感膜,50nm高反射率银膜第一层膜之所以选择半透半反膜是因为,这里需要有一定的透射率,让第二层膜反射回来并且希望I1和I2之间的光强相近,第二层膜选择较厚的高反射率银膜是希望光能尽可能减少损失。下图2为多孔硅断面SEM图片,图中疏松的竖条纹即是多孔硅的多孔结构。最下面一层黑色的为光纤的端面。

图4是光纤F-P腔与检测装置的相连的示意图,光源采用的是中心波长为1550nm的宽带光源,其发出的光进过3db耦合器以后到F-P腔,F-P腔有反射光谱和透射光谱,这里检测的是反射光谱,反射光在经过3db耦合器其中一束光被送到光谱仪,从光谱仪上可以读出F-P腔在一定浓度下的反射光谱,然后改变探头所处环境的湿度,观察光谱仪的光谱变化,并对比作出初步分析。

图2多孔硅表面形貌图 图3 传感探头实物图

图4 实验测试装置示意图

4 实验测试与结果分析

把做好的F-P光纤传感探头和center313型号的温湿度计的探头一起放置于利用化学方法产生的湿度恒定环境中,共有相对湿度为11%,33%,55%,73%,85%,97%,六个不同的湿度环境,测试过程为先把探头置于11%的相对湿度中,等待约20分钟,瓶内湿度稳定下来,且F-P探头的湿度敏感介质充分吸收湿度以后,利用光谱仪把此时的和波长相对应的损耗数据存储下来供分析使用,然后更换湿度瓶,重复以上过程,从97%的相对湿度开始测试再逐渐降低湿度,以观察其恢复性和重复性,光谱仪记录的数据是每间隔0.1nm记录一个数据,数据分析使用的是origin软件,下面的图片均是origin软件绘图得到的,以下实验结果。

图5 湿度上升测量 图6 湿度下降时测量

得到的光谱曲线图得到的曲线图

通过对实验数据的分析可以知道该传感器在低浓度的时候(相对湿度73%以下)有0.6nm每10个百分点的飘移,而相对湿度在73%以上时有1-3个nm每十个百分点的漂移这可能是多孔硅活跃的化学性质和其高的表面积和体积比在此发挥了作用,在湿度较高的时候有大得多的吸附作用。重复性在73%的相对湿度以下时也具有非常好的重复性。在85%的相对湿度以上时重复性稍差,原因可能是在高湿度环境下的响应时间较长,比较难以稳定。另外该传感器的两个峰值之间波长差约为23nm,即自由光谱宽度为23nm,相对于其对相对湿度的光谱响应度来说足够确定0到100%的相对湿度,不会发生重叠误差。

图9 传感器对湿度的上升 图 10波长峰值与

和下降响应时间测试 相对湿度的关系

响应时间测试

根据光纤F-P腔的光学性质,在腔长固定时,对固定波长的光有固定的损耗,而腔长变化以后损耗也会变化,利用这一特性我们以调谐激光器作为输入光源,让激光器的输入光波长固定在1550nm不变,检测装置用高精度的功率计取代光谱仪,变化相对湿度环境观察功率计上的读数稳定所需时间。上升响应时间为把湿度由11%直接变化到97%时传感器稳定所需的时间,下降响应时间为湿度由97%直接下降到11%所需的稳定时间,数据记录平均每间隔2秒记录一个数据,由图8示我们可以看到湿度从11%直接上升到90%时大约150s后功率计上的损耗趋于稳定,当湿度由90%直接下降到11%时间约为50s后功率计上显示的损耗趋于稳定。

5 结论

本人理论分析了光纤F-P腔的湿度传感理论的可行性,并且在实验结果的分析中得到了验证,光纤F-P腔的反射谱随着湿度的变化有很大的漂移量,在低相对湿度的时候得到了比较好的实验结果,但是在高相对湿度的时候线性度和重复性稍差,但是从这里的测试结果可以看到光纤F-P腔形式的传感器对于气体传感具有非常好的敏感性,此处在高相对湿度的线性度和重复性稍差可以考虑使用其它湿度敏感薄膜,如聚酰亚胺(PI),,Nafion等。如果要做其它气体传感器的话则选择与之相应的敏感薄膜作为F-P腔内的敏感物质。

(本论文实验得到了自然科学基金的支持,基金号60908020,特此感谢。)

注释:

金永君,尹向宝,关柏欧.FBG湿度传感器研究[J].光纤及电 缆应用技术,2009年第2期.

江毅,唐才杰. 光纤Fabry-Perot干涉仪原理及应用[M].国防工业出版社,2009.

金兴良,李伟.基于Nafion结晶紫传感膜的光纤湿度传感器研究[J].光学与光谱分析,VOL.25,No.8,pp1328-1331 August,2005.

W.M.Kwok,Y.C.Bow,W.Y.Chan,M.C.Poom,P.G.Han and H.Wong. Study of porous silicon gas sensor. Electron devices meeting,1999.