一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器及其制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111189801A(43)申请公布日2020.05.22(21)申请号202010033505.3(22)申请日2020.01.13(71)申请人西安石油大学地址710065陕西省西安市电子二路东段18号(72)发明人邵敏韩亮孙浩男王蓉蓉(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人马贵香(51)Int.Cl.G01N21/45(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图1页(54)发明名称一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器及其制备方法(57)摘要本发明公开一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器及其制备方法，包括单模光纤与光子晶体光纤，单模光纤的一端与光子晶体光纤的一端熔接，单模光纤与光子晶体光纤构成在线型光纤迈克尔逊模间干涉仪，所述光子晶体光纤的空气孔内填充有黑磷烯－聚乙烯醇。检测原理，填充在空气孔中的黑磷烯－聚乙烯醇与外界的湿气发生互作用时，会改变光子晶体光纤中各模式的传播常数，调制在线型光纤迈克尔逊模间干涉仪的干涉条纹，通过检测所述基于黑磷烯的光纤湿度传感器输出光谱的变化，能够得到环境湿度的变化信息。本发明结构、工艺简单、易操作、成本低、灵敏度高，可应用于湿度测量领域。CN111189801ACN111189801A权利要求书1/2页1.一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)，单模光纤(1)的一端与光子晶体光纤(2)的一端熔接，所述光子晶体光纤(2)的空气孔(4)内填充有黑磷烯－聚乙烯醇(3)。2.根据权利要求1所述的一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器，其特征在于，光子晶体光纤(2)的长度为5～15mm。3.根据权利要求1所述的一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器，其特征在于，黑磷烯－聚乙烯醇(3)在光子晶体光纤(2)的空气孔(4)内填充的高度为300～1000μm。4.根据权利要求1所述的一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器，其特征在于，基于黑磷烯的光纤湿度传感器的光强I为：式中，R是光子晶体光纤端面的反射率；Icore是纤芯基模的光强，是第m阶包层模的光强，为包层模与纤芯基模间的相位差。5.根据权利要求4所述的一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器，其特征在于，包层模与纤芯基模间的相位差为：式中，λ为入射波长，Δneff是包层模与纤芯基模间的有效折射率差，L是光子晶体光纤的长度。6.制备权利要求1-5任意一项所述的基于黑磷烯的光纤湿度传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将黑磷烯溶液与聚乙烯醇溶液混合并搅拌均匀，得到混合液A；S2，将单模光纤(1)一端的端面与光子晶体光纤(2)一端的端面进行熔接；S3，将光子晶体光纤(2)的另一端插入混合液A中，混合液A进入光子晶体光纤(2)的空气孔(4)内；S4，将填充有混合液A的光子晶体光纤(2)保持竖直向上，使混合液A均匀地填充在光子晶体光纤(2)的空气孔(4)中，且空气孔(4)中无气泡，得到所述基于黑磷烯的光纤湿度传感器。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，制备黑磷烯溶液时，在真空或密封的环境中，采用液相剥离法制备黑磷烯溶液，采用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮，黑磷烯溶液中溶质质量百分数为10％～30％；聚乙烯醇溶液中，溶剂为水，溶质质量百分数为10％～30％；将黑磷烯溶液与聚乙烯醇溶液按照质量比为2：1～5：1混合并搅拌均匀。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S2中，将单模光纤(1)与光子晶体光纤(2)的端面切除平整后进行熔接，熔接时，熔接强度为75-85mA，预熔时间为100-110ms，并且光子晶体光纤(2)在放置时偏离电极5-10μm。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S3的过程在真空条件下进行，光子晶体光纤(2)插入混合液A中的时间为1～2小时；2CN111189801A权利要求书2/2页S4中，将填充有混合液A的光子晶体光纤(2)保持竖直向上30～60分钟。3CN111189801A说明书1/5页一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器及其制备方法技术领域[0001]本发明涉及光纤湿度传感领域，尤其涉及一种基于黑磷烯的光纤湿度传感器及其制备方法。背景技术[0002]湿度作为一个重要的表征环境空气的物理量，在生态、工业、农业、航空航天等领域里具有重要的地位，如气象、防火安全、食品制造与存贮、医疗卫生、动植物学、文物开发与保护等领域均要求对湿度进行实时、长期、连续的监测。同时，日常生活中，人体的舒适等级也与环境空气的湿度息息相关，而且空气湿度对雾霾的产生也有一定的影响。适宜的湿度不仅能保证物品的安全与质量，而且还可以降低人类对能源的消耗。[0003]近年来，光纤技术也被应用于研制各种湿度传感器件。光纤湿度传感器具有体小质轻、响应快、耐受性好、抗电磁