本發(fā)明屬于光纖傳感，特別涉及基于光纖微球的探針型濕度傳感多點(diǎn)測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、濕度傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、農(nóng)業(yè)、氣象及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的濕度傳感器主要包括電容式、阻抗式和熱導(dǎo)式濕度傳感器。電容式濕度傳感器通過(guò)檢測(cè)空氣中水蒸氣含量對(duì)電容器電容值的影響來(lái)測(cè)量濕度，具有靈敏度高、線性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但存在易受溫度變化影響，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，介質(zhì)材料老化等缺點(diǎn)。阻抗式濕度傳感器通過(guò)測(cè)量吸濕材料(如氧化鋁、氯化鋰)的電阻變化來(lái)確定濕度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但受溫度和污染影響大，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，響應(yīng)速度較慢。熱導(dǎo)式濕度傳感器通過(guò)測(cè)量空氣的熱導(dǎo)率來(lái)確定濕度，其響應(yīng)速度快，但精度較低，受氣流影響大，成本較高。同時(shí)這些傳統(tǒng)濕度傳感器在使用中往往面臨穩(wěn)定性差、靈敏度有限以及易受電磁干擾影響的問(wèn)題。而光纖濕度傳感器由于其高靈敏度、抗電磁干擾能力強(qiáng)和遠(yuǎn)程傳感等固有優(yōu)勢(shì)，逐漸成為一種有前途的替代方案。目前常見(jiàn)的光纖濕度傳感器有光纖布拉格光柵型，分布式傳感型，光纖表面等離子共振型和光纖干涉型等。

2、光纖布拉格光柵(fbg)傳感器通過(guò)在光纖中刻寫(xiě)布拉格光柵，利用光柵反射波長(zhǎng)的變化來(lái)檢測(cè)外界環(huán)境的變化，具有復(fù)用性強(qiáng)，易于多點(diǎn)分布測(cè)量、抗電磁干擾和遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，但靈敏度比較低，不適于高精度測(cè)量。分布式光纖傳感器通過(guò)分析沿光纖長(zhǎng)度上的光信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光纖長(zhǎng)度上的物理量(如溫度、應(yīng)變)的分布式測(cè)量，具有全覆蓋測(cè)量、高空間分辨率、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)和多參量測(cè)量的特點(diǎn)。但其系統(tǒng)安裝和操作較為復(fù)雜，需要復(fù)雜的光纖布線和解調(diào)系統(tǒng)。光纖表面等離子共振(spr)傳感器通過(guò)光纖表面與金屬薄膜的相互作用，檢測(cè)光在金屬表面的共振效應(yīng)，具有高靈敏度優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對(duì)光纖表面進(jìn)行金屬涂層處理，制造工藝要求高，其一般為透射結(jié)構(gòu)，使用不方便，并且spr共振峰較寬，不易于多點(diǎn)復(fù)用。光纖干涉型傳感器利用光波在光纖中的干涉效應(yīng)來(lái)檢測(cè)外界物理量的變化，包括邁克爾遜傳感器、馬赫-曾德傳感器(mzi)和法布里-珀羅(fp)傳感器等，這種結(jié)構(gòu)具有靈敏度高和制作方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

3、光纖干涉型濕度傳感器結(jié)合了光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的高精度，寬量程的測(cè)量。在干涉型光纖傳感器中，fp干涉儀因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，交叉靈敏度小以及小型化的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注；但傳統(tǒng)的干涉型傳感器的靈敏度多為pm量級(jí)，其靈敏度還不夠高，無(wú)法滿足高靈敏檢測(cè)的需要。此外，這些干涉型傳感器多為單點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法滿足多點(diǎn)探測(cè)和同時(shí)測(cè)量多個(gè)參量的要求。

4、針對(duì)現(xiàn)有的光纖濕度傳感器存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、測(cè)量結(jié)果受溫度影響大，靈敏度低，有潛在危險(xiǎn)性等問(wèn)題，本發(fā)明提出了基于光纖微球的探針型濕度傳感多點(diǎn)測(cè)量方法及裝置。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、靈敏度高，可補(bǔ)償溫度影響，安全可靠，適用于各種需要單點(diǎn)或者多點(diǎn)濕度監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了基于光纖微球的探針型濕度傳感多點(diǎn)測(cè)量方法及裝置，以解決現(xiàn)有的fp傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度低，不利于多點(diǎn)傳感的問(wèn)題。

2、本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采取的方法包括以下步驟：

3、步驟一裝置選擇：選擇一臺(tái)光譜儀，一臺(tái)在1450-1650nm范圍內(nèi)工作的寬帶光源。單模光纖，n個(gè)法布里-珀羅傳感頭；所述的法布里-珀羅傳感頭由fbg溫度補(bǔ)償單元及fp微球傳感頭組成，fp微球傳感頭由單模光纖、多模光纖、光纖微球和瓊脂糖凝膠薄膜組成。

4、步驟二法布里-珀羅傳感頭的制作過(guò)程為：選取一段單模光纖和一段階躍折射率多模光纖，多模光纖的一端和單模光纖相熔接，將多模光纖的長(zhǎng)度切至為200-300μm，多模光纖的另一端使用熔接機(jī)將光纖端面加熱至熔融狀態(tài)后冷卻，使光纖端面因表面張力而形成球形結(jié)構(gòu)；將傳感頭使用光纖位移平臺(tái)插入加熱85℃～95℃的瓊脂糖凝膠中10～15秒，通過(guò)對(duì)涂覆次數(shù)的控制獲得厚度為10-100μm的瓊脂糖凝膠薄膜；之后將傳感頭放在加熱臺(tái)上在50℃下加熱3-4小時(shí)，使瓊脂糖凝膠薄膜完全固化，得到fp微球傳感頭；依照上述方法，制備n個(gè)具有不同厚度瓊脂糖凝膠薄膜的fp微球傳感頭，控制其瓊脂糖凝膠薄膜厚度差≥5μm；不同厚度瓊脂糖凝膠薄膜的fp微球傳感頭具有不同的fp腔長(zhǎng)，且光纖微球的曲率半徑r與瓊脂糖凝膠薄膜厚度l需滿足r≥2l；最后將fbg與fp微球濕度傳感頭的單模光纖端熔接，至此整個(gè)法布里-珀羅傳感頭制作完成。

5、對(duì)于制作完成的法布里-珀羅傳感頭，通過(guò)單模光纖傳播的信號(hào)光，傳入多模光纖后，一部分在多模光纖與瓊脂糖凝膠薄膜的交接面反射，另一部分光將通過(guò)交接面進(jìn)入瓊脂糖凝膠薄膜中，進(jìn)入瓊脂糖凝膠薄膜的光將在瓊脂糖凝膠薄膜和空氣的交界面處反射，然后兩束反射光發(fā)生相干干涉，其反射光強(qiáng)i滿足以下關(guān)系：

6、

7、式中﹐i1和i2分別表示多模光纖與瓊脂糖界面處反射回單模光纖的光強(qiáng)以及瓊脂糖凝膠薄膜層與空氣界面處反射回單模光纖的光強(qiáng)，n、l分別表示瓊脂糖的折射率與厚度，φ為光波的相位。

8、法布里-珀羅傳感頭的相位φ可以表示為：

9、

10、其中λ為入射光的中心波長(zhǎng)。由式(2)可知當(dāng)相位ξ等于π的偶數(shù)倍時(shí)﹐反射光強(qiáng)出現(xiàn)最大值，對(duì)應(yīng)反射光譜中的波峰。

11、

12、λd是光強(qiáng)最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，m為任意整數(shù)

13、兩個(gè)相鄰波谷之間的間隔，即自由光譜范圍(fsr)為：

14、

15、隨著濕度的提高，瓊脂糖吸收空氣中水分后﹐其折射率n和瓊脂糖凝膠薄膜的厚度l將發(fā)生變化，引起相位差δφ變化，根據(jù)式(2)可知，此時(shí)傳感器反射光譜中諧振波谷發(fā)生相應(yīng)漂移。濕度變化量為δrh，瓊脂糖折射率的變化量為δn，瓊脂糖凝膠薄膜的厚度變化量為δl，fp腔的波長(zhǎng)漂移量為δλ，濕度變化前fp腔對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)為λ0，濕度變化后fp腔對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)為λ1,則有：

16、

17、δn＝sn*δrh,δl＝sl*δrh?(6)

18、式(6)中的sn和sl分別是濕度引起的瓊脂糖折射率和厚度變化系數(shù)，其值由濕敏材料決定，在一定濕度范圍內(nèi)為常數(shù)。fp腔的波長(zhǎng)漂移量和濕度變化量之間的關(guān)系為：

19、δλ＝s·δrh?(7)

20、結(jié)合(5)，(6)和(7)三式，法布里-珀羅傳感頭的濕度靈敏度s可表示為:

21、

22、對(duì)系數(shù)k進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)測(cè)量fp光譜的峰值波長(zhǎng)的變化值δλ，就可得到δrh相對(duì)濕度變化值。

23、所述法布里-珀羅傳感頭中的fbg溫度補(bǔ)償單元是光纖中周期性變化的折射率結(jié)構(gòu)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)符合布拉格條件時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。光纖光柵fbg反射光λfbg的波長(zhǎng)可表示為：

24、λfbg＝2neffλ?(9)

25、fbg溫度補(bǔ)償單元未涂覆濕敏材料，不具有濕度敏感性，只受外界溫度影響。fbg的反射波長(zhǎng)隨溫度變化的公式為：

26、δλfbg＝λfbg(αt+ξt)δt?(10)

27、選取n個(gè)波長(zhǎng)不同的fbg，將其分別與n個(gè)fp微球傳感頭熔接，形成n個(gè)法布里-珀羅傳感頭。每個(gè)法布里-珀羅傳感頭的fbg溫度補(bǔ)償單元用于測(cè)量該處的環(huán)境溫度，補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)fp微球傳感頭的影響，準(zhǔn)確獲得環(huán)境的相對(duì)濕度值。

28、步驟三裝置連接：寬帶光源通過(guò)傳輸光纖與2×1耦合器的一個(gè)輸入端相連接，2×1耦合器的輸出端與1×n分束器的光輸入端相連，1×n分束器的n個(gè)輸出端分別與n個(gè)法布里-珀羅傳感頭相連，1×n分束器的輸入端通過(guò)2×1耦合器的另一個(gè)輸入端與光譜儀相連。

29、步驟四：寬帶光源產(chǎn)生信號(hào)光，由單模光纖傳輸?shù)?×n分束器。1×n分束器將光信號(hào)分為n個(gè)通道，每個(gè)通道與法布里-珀羅傳感頭相連，每束信號(hào)光分別在法布里-珀羅傳感頭發(fā)生反射，多束反射光進(jìn)過(guò)1×n分束器后合成一束光，通過(guò)3db耦合器后輸出到光譜儀，光信號(hào)經(jīng)光譜儀采集后濾波解調(diào)。

30、所述的1×n分束器是具有n個(gè)通道的光纖元件，每個(gè)通道與一個(gè)法布里-珀羅傳感頭相連接；每個(gè)通道法布里-珀羅傳感頭都由fbg溫度補(bǔ)償單元與fp微球傳感頭串聯(lián)熔接構(gòu)成；所述的n個(gè)fp微球傳感頭均使用瓊脂糖為涂覆材料，但厚度不同，對(duì)應(yīng)的fp腔長(zhǎng)l不同，由此，n個(gè)fp微球傳感頭的自由光譜范圍不同，反射光譜周期變化的頻率不同；n個(gè)通道的反射光譜通過(guò)1×n分束器和耦合器匯合進(jìn)入光譜儀，光譜儀得到n個(gè)法布里-珀羅傳感頭反射譜的混合光譜。

31、步驟五混合光譜的濾波及處理：混合光譜i為:

32、

33、對(duì)(11)式中得到的混合光譜進(jìn)行傅里葉變換獲得頻域譜，以便在頻域進(jìn)行濾波操作，用以提取其中不同的頻率分量。混合光譜進(jìn)行傅里葉變換獲得頻域譜表示為：

34、

35、使用頻域?yàn)V波器對(duì)傅里葉變換獲得的頻域譜進(jìn)行分離，提取n個(gè)頻率區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)于所用的n個(gè)fp微球傳感頭。

36、頻率濾波公式如下所示：

37、

38、其中，v1和v2為濾波器的頻率范圍。

39、基于濾波得到的n個(gè)頻率，對(duì)每個(gè)fp微球傳感頭的信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換(ifft)，重構(gòu)出n個(gè)fp微球傳感頭各自的光譜，其中第i個(gè)fp微球傳感頭的光譜s(λ)為：

40、

41、對(duì)于第i個(gè)通過(guò)檢測(cè)分離并重構(gòu)出的每個(gè)干涉譜波峰的波長(zhǎng)移動(dòng)，依據(jù)公式(10)對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償后，經(jīng)公式(7)可得到對(duì)應(yīng)法布里-珀羅傳感頭的相對(duì)濕度變化。為實(shí)現(xiàn)以上所述步驟，本發(fā)明的具體裝置包括：寬帶光源、2×1耦合器、1×n分束器、n個(gè)法布里-珀羅傳感頭、光譜儀；所述的法布里-珀羅傳感頭由光纖布拉格光柵fbg與fp微球傳感頭熔接而成，fp微球傳感頭由單模光纖和多模光纖相熔接，之后在多模光纖的端面制作光纖微球，并在光纖微球表面涂覆瓊脂糖凝膠薄膜制成；所述的n個(gè)法布里-珀羅傳感頭所用的fbg具有不同的反射波長(zhǎng)；所述的n個(gè)法布里-珀羅傳感頭所用的fp微球傳感頭瓊脂糖瓊脂糖為涂覆材料厚度不同；所述的寬帶光源連接至2×1耦合器的雙端口一端的一個(gè)端口，2×1耦合器的一端口端通過(guò)傳輸光纖連接1×n分束器的輸入端，1×n分束器的輸出端連接n個(gè)法布里-珀羅傳感頭，2×1耦合器的雙端口一端的另一個(gè)端口與光譜儀相連。

42、本發(fā)明的有益效果為：

43、1、本發(fā)明采用瓊脂糖涂覆的fp腔作為傳感頭，使用瓊脂糖的吸濕特性：瓊脂糖是一種高吸濕性的材料，其濃度為1％的凝膠膜濕度膨脹系數(shù)為0.15μm/％rh。這種特性使得傳感器對(duì)濕度變化極為敏感，能夠檢測(cè)到微小的濕度變化。同時(shí)瓊脂糖本身的選擇性較好，不受其他氣體的干擾。

44、2、本發(fā)明采用了探針式傳感器，相對(duì)于與透射式傳感器，這種傳感器體積更小，封裝難度更低。可以作為探頭使用，放到各種狹小的環(huán)境中使用。

45、3、本發(fā)明采用不同腔長(zhǎng)的法布里-珀羅傳感頭為復(fù)用裝置，傳感器可以連接多個(gè)fp腔長(zhǎng)不同的傳感頭，各個(gè)傳感頭不會(huì)互相干擾，可通過(guò)對(duì)總光譜圖進(jìn)行fft變換得到每個(gè)傳感頭的光譜圖，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量濕度的功能。