本發(fā)明提出了一種保偏光子晶體（簡(jiǎn)稱(chēng)pmpcf）光纖構(gòu)成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(mach-zehnder?interferometer，簡(jiǎn)稱(chēng)mzi)的濕度傳感器，具體而言，涉及一種基于pmpcf-mzi的人體非接觸檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能迅速發(fā)展并充分滲透進(jìn)人們生活，非接觸式傳感作為一種新型的人機(jī)交互界面得到了眾多關(guān)注。相較于接觸式傳感，非接觸式傳感有效避免了人機(jī)交互過(guò)程中的物理接觸，從而減輕交互結(jié)構(gòu)的機(jī)械損耗，避免精密交互設(shè)備的人體污染（汗液、油脂污染等），并有效阻斷細(xì)菌病毒的接觸傳播，非接觸式傳感器在尖端應(yīng)用中顯示出巨大潛力。以濕度為傳感源進(jìn)行人體非接觸式傳感在近幾年得到了廣泛的關(guān)注。

2、人體的濕度信號(hào)的來(lái)源通常是呼出的氣體以及皮膚表面的汗液蒸發(fā)，二者有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即信號(hào)的產(chǎn)生和消失都較為迅速。因此，為了實(shí)現(xiàn)基于濕度的非接觸傳感需要開(kāi)發(fā)響應(yīng)迅速且具有高靈敏度的濕度傳感器。

3、光纖傳感器相比其他類(lèi)型的傳感器具有抗電磁干擾性和本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)。由于光纖本身并不能對(duì)濕度變化產(chǎn)生響應(yīng)，上述光纖傳感結(jié)構(gòu)均需要涂敷特定的濕度敏感材料，將濕度變化轉(zhuǎn)換為折射率變化或應(yīng)力變化等可以被光纖直接傳感的物理量，從而實(shí)現(xiàn)rh信號(hào)到光信號(hào)的傳感。常見(jiàn)的濕敏材料主要有無(wú)機(jī)氧化物、高分子聚合物、碳基材料三大類(lèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于氧化石墨烯（go）/二硫化鉬（mos2）/pva復(fù)合膜沉積的pmpcf-mzi濕度傳感器及制備方法，得到了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高靈敏度、線性度好、響應(yīng)時(shí)間快的光纖濕度傳感器。使用保偏光子晶體光纖構(gòu)建光纖馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。與在傳統(tǒng)階躍折射率光纖中傳播相比，偏振光在pmpcf中傳播時(shí)，偏振方向不會(huì)改變，包層模的傳輸更加穩(wěn)定，避免偏振衰落現(xiàn)象，從而獲得更高的干涉條紋對(duì)比度。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于氧化石墨烯（go）/二硫化鉬（mos2）/pva復(fù)合膜沉積的pmpcf-mzi濕度傳感器，由第一單模光纖（1），腰錐放大區(qū)域（2），保偏光子晶體光纖（3），氣孔塌陷區(qū)域（4），第二單模光纖（5），go/mos2/pva薄膜（6）組成，其特征在于：第一單模光纖（1）與保偏光子晶體光纖（3）通過(guò)腰錐放大（2）區(qū)域連接，使用光纖熔接機(jī)對(duì)保偏光子晶體光纖（3）進(jìn)行過(guò)量放電處理形成氣孔塌陷區(qū)域（4）并與第二單模光纖（5）連接，go/mos2/pva沉積在保偏光子晶體光纖（3）上，形成go/mos2/pva薄膜（6）。

3、寬帶光源（7）與偏振器（8）的輸入端相連，偏振器（8）的輸出端與傳感器（9）

4、的第一單模光纖（1）相連，傳感器（9）的第二單模光纖與光譜儀（10）相連。

5、上述基于go/mos2/pva復(fù)合膜沉積的pmpcf-mzi濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟：

6、步驟一：合成制備go/mos2/pva溶液，具體過(guò)程如下：將go分散液和mos2分散液，混合制備go/mos2混合懸濁液，使用超聲水浴機(jī)并進(jìn)行超聲處理2小時(shí)，使mos2和go均勻分散。將pva溶液加入上述go/mos2混合懸濁液，使用磁力攪拌機(jī)攪拌混合，混合過(guò)程中g(shù)o表面的醛基和羧基與pva的羥基反應(yīng)并穩(wěn)定結(jié)合?；旌贤戤吅笤俅纬曁幚?小時(shí)去除溶液中的氣泡，得到棕色澄清的go/mos2/pva溶液。該溶液在長(zhǎng)時(shí)間放置后未產(chǎn)生沉淀，證明三種物質(zhì)已經(jīng)穩(wěn)定結(jié)合。

7、步驟二：腰錐放大區(qū)域（2）通過(guò)在商用光纖熔接機(jī)中設(shè)置熔接重疊距離150μm，放電時(shí)間增加至4000ms，與第一單模光纖（1）熔接制作而成。氣孔塌陷區(qū)域（4）可以通過(guò)提高熔接機(jī)熔接保偏光子晶體光纖（3）與第二單模光纖（5）時(shí)的放電功率與放電時(shí)間使pmpcf的氣孔因高強(qiáng)度電弧放電而發(fā)生塌陷。

8、步驟三：go/mos2/pva復(fù)合膜沉積，具體過(guò)程如下：先使用無(wú)水乙醇對(duì)保偏光子晶體光纖（3）進(jìn)行擦拭。將go/mos2/pva溶液放入液體流通池中，將保偏光子晶體光纖（3）浸入溶液靜置，10分鐘后取出光纖使用光纖夾具懸空固定，常溫晾干光纖表面殘留的水分后，送入烘干箱中40度烘干24小時(shí)。使用此方法將溶液穩(wěn)定地涂敷在光纖傳感結(jié)構(gòu)表面。

9、本發(fā)明的工作原理是：當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光通過(guò)第一單模光纖（1）進(jìn)入腰錐放大區(qū)域（2）時(shí)，一部分光被耦合進(jìn)入保偏光子晶體光纖（3）的包層激發(fā)出多個(gè)包層模式，而剩余的光繼續(xù)沿著纖芯傳播，將相干光分束為探測(cè)臂（包層模式）和參考臂（纖芯模式），探測(cè)臂攜帶外界變化信息后于氣孔塌陷區(qū)域（4）與參考臂疊加進(jìn)入第二單模光纖（5），由于光纖纖芯和包層之間的折射率差異，光纖中纖芯模和包層模在傳輸相同距離后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的相位差，纖芯模式與包層模式會(huì)聚時(shí)會(huì)發(fā)生干涉。纖芯模和包層模之間的總干涉強(qiáng)度由以下方程給出：

10、

11、其中分別為纖芯和包層中的光強(qiáng)。為相位差，可由以下方程表示：

12、

13、其中為輸入光波長(zhǎng)，為傳感臂的長(zhǎng)度，為纖芯模式與包層模式之間的有效折射率差，?即：

14、

15、當(dāng)外界折射率變化時(shí)包層的有效折射率發(fā)生改變，使纖芯模式與包層模式的相位差改變。

16、當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)i取得極大值：

17、

18、此時(shí)極大值所在的波峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為：

19、

20、當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)i取得極小值：

21、

22、此時(shí)極大值所在的波峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為：

23、

24、當(dāng)為其他值時(shí)，干涉光強(qiáng)應(yīng)處于極大值與極小值之間，使整個(gè)干涉光場(chǎng)形成明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的可見(jiàn)度由下式定義：

25、

26、因此干涉條紋的對(duì)比度可定義為：

27、

28、人類(lèi)皮膚的排汗過(guò)程會(huì)在皮膚表面形成濕度環(huán)境，當(dāng)皮膚（以手指為例）靠近濕度傳感器時(shí)，手指皮膚散發(fā)的水分子被go/mos2/pva復(fù)合膜所捕獲，在范德華力的作用下大部分水分子滲透并填充進(jìn)復(fù)合膜的空隙中，少量水分子還會(huì)與go表面的含氧官能團(tuán)或游離pva分子的羥基結(jié)合。隨著水分子含量的上升，復(fù)合膜有效折射率的降低，進(jìn)而導(dǎo)致光子晶體光纖包層與復(fù)合膜之間的有效折射率差上升，最終導(dǎo)致干涉強(qiáng)度的變化。

29、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)提出了基于go/mos2/pva復(fù)合膜沉積的pmpcf-mzi濕度傳感器，用于人體濕度的非接觸式傳感。該傳感器表現(xiàn)出在低濕度下的高靈敏度，且具備響應(yīng)迅速、重復(fù)性高、具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在非接觸式傳感，該傳感器可以有效識(shí)別1cm內(nèi)手指的接近，并可以捕捉到3mm或更大的距離變化。該傳感器在非接觸式距離檢測(cè)、定位，或作為非接觸式人機(jī)交互面板等方面有著極大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種基于氧化石墨烯（go）/二硫化鉬（mos2）/pva復(fù)合膜沉積的pmpcf-mzi濕度傳感器及其制備方法，由第一單模光纖（1），腰錐放大區(qū)域（2），保偏光子晶體光纖（3），氣孔塌陷區(qū)域（4），第二單模光纖（5），go/mos2/pva薄膜（6）組成，其特征在于：第一單模光纖（1）與保偏光子晶體光纖（3）通過(guò)腰錐放大（2）區(qū)域連接，保偏光子晶體光纖（3）長(zhǎng)度為28mm，使用光纖熔接機(jī)對(duì)保偏光子晶體光纖（3）進(jìn)行過(guò)量放電處理形成氣孔塌陷區(qū)域（4）并與第二單模光纖（5）連接，go/mos2/pva沉積在保偏光子晶體光纖（3）上，形成go/mos2/pva薄膜（6）；所述光纖濕度傳感器，其特征在于，既可以通過(guò)測(cè)量傳感器的透射光譜或反射光譜，通過(guò)分析光譜強(qiáng)度，消光比變化得到濕度變化信息，也可以通過(guò)測(cè)量單個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度改變，來(lái)獲得環(huán)境濕度的變化信息；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于氧化石墨烯（GO）/二硫化鉬（MoS<subgt;2</subgt;）/PVA復(fù)合膜沉積的保偏光子晶體光纖(PMPCF)馬赫曾德干涉儀(MZI)濕度傳感器及制備方法，用于非接觸式人體檢測(cè)。所述的濕度傳感器由第一單模光纖，腰錐放大區(qū)域，保偏光子晶體光纖，氣孔塌陷區(qū)域，第二單模光纖，GO/MoS<subgt;2</subgt;/PVA薄膜組成，其中，保偏光子晶體光纖長(zhǎng)度為28?mm；第一單模光纖與偏振器輸出端相連，偏振器輸入端與寬帶光源相連；第二單模光纖與光譜儀相連；本發(fā)明具有高靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間迅速的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：俞衛(wèi)棟,沈常宇,石宇飛,何望君,陳樹(shù)浩,姜俊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州路格科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21