基于氧化石墨烯和聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明提出了一種基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，屬于光 纖傳感技術領域。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有比表面積大、導熱系數高、機械強度大等優 良性能。作為石墨烯最重要的衍生物-氧化石墨烯，在保留著石墨烯眾多特性的同時，其表 面豐富的含氧官能團使得其有著良好的親水特性，可以穩定的分散于水溶液中。由于氧化 石墨烯表面及邊緣含氧極性官能團的存在，使得該材料在一定條件下能夠與高分子聚合物 材料混合，從而制成復合材料。比如與聚乙烯醇溶液混合，制成氧化石墨烯/聚乙烯醇復合 材料，該復合材料表面同樣具有大量的含氧極性基團，具有良好的親水性以及吸濕性。將該 復合材料水溶液經干燥處理后，能在光纖傳感器側表面鍍上氧化石墨烯/聚乙烯醇復合薄 膜。利用該復合薄膜吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，可制成光纖濕度傳感器。
[0003] 馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器通過采用干涉測量法產生相位調制以便獲得較 高的靈敏度和分辨率，該原理也被廣泛應用于各種光纖傳感器中來監測各類待測量，其發 展前景相當廣闊。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供一種基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感 器，將經過干燥處理的氧化石墨烯/聚乙烯醇混合溶液均勻地鍍在馬赫-曾德爾干涉型光 纖傳感器的側表面，從而形成一種新型的鍍有氧化石墨烯/聚乙烯醇復合薄膜的光纖濕度 傳感器。該復合薄膜具有吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，相應的薄膜折射率也會發生變化， 結合馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器具有高靈敏度和分辨率的特性，制作成基于氧化石墨 烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器。
[0005] 本發明通過以下技術方案實現：
[0006] 本發明提供了一種基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征 在于：由寬帶光源（1)、第一光纖腰錐放大（2)、氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜（3)、第二光 纖腰錐放大（4)和光譜分析儀（5)組成；氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜經過干燥處理，均勻 鍍在第一光纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)中間光纖區域的側表面上，形成氧化 石墨烯/聚乙烯醇復合膜（3);氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜⑶的厚度為200~500nm ; 第一光纖腰錐放大（2)左端與寬帶光源（1)連接，第一光纖腰錐放大（2)右端與第二光纖 腰錐放大（4)左端連接，第二光纖腰錐放大（4)右端與光譜分析儀（5)連接。
[0007] 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征在于：第一 光纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)之間的距離為10~30mm。
[0008] 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征在于：第一 光纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)長度為150~200 μ m，直徑為150~190 μ m。
[0009] 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征在于：選用 氧化石墨烯/聚乙烯醇復合材料制成濕度敏感膜。
[0010] 本發明的工作原理是：
[0011] 入射光在經過光纖腰錐放大（2)時，部分在光纖纖芯中傳播的光會被耦合到光纖 包層中，激發出在包層中傳播的包層模，剩余的光將作為纖芯模繼續沿纖芯向前傳播；光纖 腰錐放大（4)可以將包層中傳播的部分包層模重新耦合到纖芯中，從而與纖芯模形成MZI。 MZI兩個干涉臂的物理長度相同，但由于包層和纖芯的有效折射率不一樣，從而形成光程 差。纖芯模和包層模滿足的相位匹配條件表達式為：
[0013] 其中
分別表示纖芯有效折射率和第i個包層模的有效折射率，λ為 入射光波長，d為光纖腰錐放大（2)和光纖腰錐放大（4)之間的距離，表示纖芯有效折 射率和第i個包層模的有效折射率的差值。當外界環境變化時，例如折射率變化，將會引起 變化，由此，通過監測相位差值的變化，再和開始標定的量對比，就可以測得當前折射 率的值。
[0014] 本發明采用的是氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜，氧化石墨烯和聚乙烯醇都屬于對 濕度變化敏感的材料。氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜，其表面及邊緣存在大量的含氧極性 基團，因此，該復合材料同樣對濕度變化敏感。氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜吸收水分子會 膨脹，干燥則會消溶脹，相應的折射率也會發生變化。當該復合膜被鍍在光纖傳感器的表面 時，該材料的折射率的變化量將會作用在馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器的傳感臂上，通 過監測透射干涉條紋的變化，可以得到折射率的改變量，從而達到探測外界濕度的變化。
[0015] 本發明的有益效果是：氧化石墨烯和聚乙烯醇兩者本身都是濕度敏感膜，本發明 提出將這兩種材料混合，制成一種新型的氧化石墨烯/聚乙烯醇復合薄膜，該薄膜的濕度 敏感性將顯著提高。同時，結合馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器技術，大大提升了該濕度傳 感器的靈敏度。制成的光纖濕度傳感器結構也更加緊湊。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器特征裝置示 意圖；
[0017] 圖2是本發明的光纖濕度傳感器處于不同濕度下的干涉光譜變化實驗圖；
[0018] 圖3是本發明的濕度靈敏度擬合曲線圖
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖及實施實例對發明作進一步描述：
[0020] 參見附圖1，基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征在于： 由寬帶光源（1)、第一光纖腰錐放大（2)、氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜（3)、第二光纖腰錐 放大（4)和光譜分析儀（5)組成；氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜經過干燥處理，均勻鍍在第 一光纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)中間光纖區域的側表面上，形成氧化石墨烯 /聚乙烯醇復合膜（3);氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜（3)的厚度為200~500nm ;第一光 纖腰錐放大（2)左端與寬帶光源（1)連接，第一光纖腰錐放大（2)右端與第二光纖腰錐放 大（4)左端連接，第二光纖腰錐放大（4)右端與光譜分析儀（5)連接。
[0021] 光纖腰錐放大（2)和⑷都是采用型號為=Fujikura FSM-60S的光纖熔接機制 作，程序設置利用的是光纖熔接機的特殊功能，通過控制電弧放電功率，放電次數和放電時 間來控制形成的光纖腰錐放大（2)和（4)的直徑和長度。
[0022] 將第一光纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)的中間區域浸沒在氧化石墨烯 /聚乙烯醇混合溶液中2小時，然后取出并置于室溫下自然干燥48小時，從而形成氧化石墨 烯/聚乙烯醇復合膜（4)。圖2為室溫條件下濕度變化范圍為30%~75%情況下的干涉光 譜變化實驗圖，隨著實驗濕度逐漸增大，對應的干涉光譜的干涉強度發生變化，干涉強度逐 漸減小。圖3是本發明的位于1531nm波長處的干涉峰，其強度變化隨濕度變化的擬合曲線 圖，該傳感器的靈敏度為0. 193dB/RH。
【主權項】
1. 基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征在于：由寬帶光源 (1) 、第一光纖腰錐放大（2)、氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜（3)、第二光纖腰錐放大（4)和 光譜分析儀（5)組成；氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜經過干燥處理，均勻鍍在第一光纖腰錐 放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)中間光纖區域的側表面上，形成氧化石墨烯/聚乙烯醇 復合膜（3);氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜（3)的厚度為200~500nm;第一光纖腰錐放大 (2) 左端與寬帶光源（1)連接，第一光纖腰錐放大（2)右端與第二光纖腰錐放大（4)左端連 接，第二光纖腰錐放大（4)右端與光譜分析儀（5)連接。2. 所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特征在于：第一光 纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)長度為150~200μm，直徑為150~190μm。3. 根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特 征在于：第一光纖腰錐放大（2)和第二光纖腰錐放大（4)之間的距離為10~30mm。4. 根據權利要求1所述的基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器，其特 征在于：選用氧化石墨烯/聚乙烯醇復合材料制成濕度敏感膜。
【專利摘要】本發明將經過干燥處理的氧化石墨烯/聚乙烯醇混合溶液均勻的鍍在馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器的側表面，從而形成一種新型的鍍有氧化石墨烯/聚乙烯醇復合薄膜的光纖濕度傳感器，屬于光纖傳感技術領域。氧化石墨烯/聚乙烯醇復合薄膜具有吸濕膨脹和干燥消溶脹的特性，相應的薄膜折射率也會發生變化，結合馬赫-曾德爾干涉型光纖傳感器具有高靈敏度和分辨率的特性，制作成基于氧化石墨烯/聚乙烯醇復合膜的光纖濕度傳感器。該傳感器具有結構緊湊、制作技術簡易，靈敏度高等優點。
【IPC分類】G01N21/45
【公開號】CN105300927
【申請號】CN201510694866
【發明人】王友清, 沈常宇, 樓偉民, 申屠鋒營, 劉樺楠, 魏健
【申請人】中國計量學院
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月22日