本发明涉及f-p光纤干涉仪传感器技术领域，具体的说是基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器。
背景技术：
光纤传感器具有结构简单紧凑、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等诸多优点，被广泛应用于许多传感领域，例如温度、湿度、应变、横向压力、折射率传感等等。在诸多光纤传感器中，光纤fabry-perot干涉仪传感器有其独特的优点，可以实现温度非灵敏、双参数同时测量以及具有稳定性好等优点，因此光纤fabry-perot干涉仪传感器发展非常迅速。其中，对湿度的测量是一个重要的应用领域。根据现有的文献报道，在室温下，对相对湿度的测量可以达到4.20±0.02nm/％rh。同时，对横向载荷的高精度测量，也可以利用光纤干涉仪，比较方便的做法是利用单模光纤与sio2微管相熔接，制成大尺寸空气泡腔。利用泡腔的对压力的应变来改变干涉的光程差，这一变化可以在光谱分析仪上被观测到，并且表征为谱线的移动，以此实现横向压力的高精度测量。对于双参数同时测量领域，也同样有文献的报道。例如有利用布拉格光栅制成的可以同时测量温度与湿度的fabry-perot高精度光纤传感器，其对于温度的测量精度达到了10.88pm/℃，同时它利用反射谱线的强度来表征相对湿度的变化，其精度也可以达到0.0682db/％rh。但是，到目前为止，还没有文献报道出在光纤传感领域，有湿度与横向载荷的双参数高精度同时测量的方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，该种湿度与横向压力传感器结合空气泡腔以及琼脂腔，由于空气泡腔对湿度不敏感但对横向压力敏感，琼脂腔对压力不敏感但对湿度敏感，可以同时测量湿度与横向压力数据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，其特征在于：包括导入光纤、空气泡腔和琼脂腔，所述的导入光纤端面嵌入空气泡腔内，所述的空气泡腔外表面远离导入光纤一侧粘覆有琼脂腔；
所述的导入光纤用于导入光源信号和传输反射光，所述的导入光纤导入的光源信号在导入光纤端面与空气的分界面上发生第一次反射与第一次透射，第一次透射的光源信号经过空气泡腔在空气泡腔与琼脂腔的分界面上发生第二次反射与第二次透射，第二次透射的光源信号经过琼脂腔在琼脂腔与空气的分界面上发生第三次反射与第三次透射，第一次反射、第二次反射和第三次反射的光信号均通过导入光纤输出并发生干涉；
所述的空气泡腔在横向压力的作用下会产生形变；所述的琼脂腔吸湿后导致折射率和体积发生变化。
所述的空气泡腔采用sio2微管通过电弧放电的方法制成，所述的空气泡腔与导入光纤熔接；所述的空气泡腔的反射谱线的消光比大于10db。
所述的琼脂腔采用琼脂胶体制成。
所述的导入光纤采用单模光纤。
一种制备基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的方法，其特征在于：首先在导入光纤的端部制成空气泡腔，再通过端蘸法使琼脂腔与空气泡腔结合，具体步骤如下：
步骤1，将导入光纤一端与sio2微管采用光纤熔接机熔接；
步骤2，在微位移平台上，利用显微镜找到熔接点，朝向sio2微管的延伸方向，截取250um；
步骤3，将熔接点放置在偏离电弧放电的位置，通过电弧放电使sio2微管形成空心的空气泡腔；通过光谱分析仪检测空气泡腔的反射谱线的消光比，若消光比小于10db，重复步骤1至步骤3；
步骤4，若消光比大于10db，则将制好的空气泡腔竖直向下设置，通过操纵平台夹持光纤并控制光纤在竖直方向上进行位移，空气泡腔的正下方设置有热琼脂溶液；
步骤5，调节光纤竖直向下运动，使空气泡腔端面浸没在热琼脂溶液中，维持两秒后缓慢向上移动光纤，空气泡腔端面覆盖有一层琼脂液，空气泡腔端面的琼脂液冷却至室温后形成琼脂腔。
所述的步骤1中，sio2微管的端面与导入光纤一端端面熔接，所述的sio2微管的内径不大于导入光纤的直径。
所述的步骤3中，导入光纤另一端采用光纤环形器分别与连接宽带光源和光谱分析仪连接，所述的连接宽带光源和光谱分析仪用于检测空气泡腔的反射光谱。
所述的步骤3中，将熔接点放置在偏离电弧放电位置250μm的位置，然后设置70bit的电弧强度和2000ms的电弧放电时间。
所述的步骤4中，热琼脂溶液采用琼脂粉与水质量比为0.75％的比例放置在沸水中，不断搅拌，让琼脂粉完全溶于水中后制成，所述的热琼脂溶液温度不低于42℃。
该种基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器能够产生的有益效果为：通过单模光纤与sio2微管熔接成泡腔，利用大尺寸空气泡腔对横向压力高敏感的特性，可以制成横向压力传感器。在此基础上，创造性地在泡腔端面，粘附一层琼脂层，形成一个琼脂腔。利用琼脂吸水膨胀的原理，以此造成干涉谱线的红移。通过此方法得到的混合腔结构，可以实现同时对横向压力与湿度的高精度测量。
进一步的，通过混合腔结构形成的三层反射界面，使三次的反射光发生干涉现象，进而能够对通过收集得到的反射光进行处理，计算得到相应的湿度和横向压力数据。
附图说明
图1为本发明基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的结构原理图。
图2为本发明基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的反射原理图。
图3为本发明基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器制造过程中sio2微管熔接导入光纤的示意图。
图4为本发明基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器制造过程中琼脂腔的制作流程示意图。
图5为本发明基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器湿度测量实验装置示意图。
图6为本发明基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器横向压力实验装置示意图。
说明书附图标记：1、光纤；2、空气泡腔；3、琼脂腔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，其特征在于：包括导入光纤1、空气泡腔2和琼脂腔3，所述的导入光纤1端面嵌入空气泡腔2内，所述的空气泡腔2外表面远离导入光纤1一侧粘覆有琼脂腔3；
所述的导入光纤1用于导入光源信号和传输反射光，所述的导入光纤1导入的光源信号在导入光纤1端面与空气的分界面上发生第一次反射与第一次透射，第一次透射的光源信号经过空气泡腔2在空气泡腔2与琼脂腔3的分界面上发生第二次反射与第二次透射，第二次透射的光源信号经过琼脂腔3在琼脂腔3与空气的分界面上发生第三次反射与第三次透射，第一次反射、第二次反射和第三次反射的光信号均通过导入光纤1输出并发生干涉；
空气泡腔2具有良好的应变灵敏度，且空气泡腔2在横向压力下会产生轴向的拉伸，能够作为微结构测量横向压力；琼脂腔3中的琼脂具有亲水性以及吸水膨胀的特性，吸水膨胀后会造成干涉谱线的红移，且灵敏度较高，能够进行高精度的湿度检测。
进一步的，空气泡腔2采用sio2微管通过电弧放电的方法制成；所述的琼脂腔3采用琼脂胶体制成；所述的导入光纤1采用单模光纤。
在制备该种湿度与横向压力传感器时，需要采用的设备和材料包括单模光纤、sio2微管、光纤熔接机、光谱分析仪、宽带光源、光纤切割刀、光纤环形器、光纤夹具和显微镜。
制作过程详细如下：
如图3所示，利用光纤熔接机将单模光纤一端端面与sio2微管端面同轴熔接在一起，在微位移平台上，利用显微镜找到熔接点之后，向sio2微管的方向，截取250um。
在光纤熔接机中，用一个1×2的光纤环形器的一端连接单模光纤，另外两端连接宽带光源和光谱分析仪，在制备空气泡腔2的过程中需要观察反射光谱。在熔接机操作面板，通过马达驱动，把单模光纤和sio2微管的熔接点调节到偏离电弧放电位置250um的位置，然后设置70bit的电弧强度和2000ms的电弧放电时间。通过电弧放电就能使sio2微管形成一个大尺寸空心球。进一步的，通过光谱分析仪检测空气泡腔2是否符合要求，具体标准是如果反射谱线的消光比大于10db，则符合要求，如若小于10db，则重复上述步骤，直至制作出符合要求的空气泡腔2结构。
在制作琼脂腔3之前，需要进行琼脂液的制备，将琼脂粉与水质量比为0.75％的比例放置在沸水中，不断搅拌，让琼脂粉完全溶于水中，形成浊液。由于琼脂液在42℃以上时为液态，37℃以下凝结为果冻状的固态，因此，在琼脂腔3制备前将琼脂液维持液态。
如图4所示，将制作好的空气泡腔2结构竖直向下夹持在操作平台上，操作平台可以控制导入光纤1在竖直方向上进行微小位移。将准备好的热琼脂放置于光纤下端正下方，维持温度，使琼脂保持液态。通过操作平台控制导入光纤1向下位移，使空气泡腔2端面浸没在热琼脂液中，维持两秒，然后缓慢移动位移旋钮，让导入光纤1竖直向上移动。这时，在空气泡腔2的端面上，已经覆盖上了一层琼脂液，冷却至室温，形成琼脂腔3。
制作好的湿度与横向压力传感器如图1所示，空气泡腔和琼脂腔3形成双微腔结构。此时在检测湿度和横向压力的过程中，如图2所示，光信号从导入光纤1射入，首先在导入光纤1端面与空气的分界面上发生第一次反射与第一次透射，第一次透射的光源信号经过空气泡腔2在空气泡腔2与琼脂腔3的分界面上发生第二次反射与第二次透射，第二次透射的光源信号经过琼脂腔3在琼脂腔3与空气的分界面上发生第三次反射与第三次透射，第一次反射、第二次反射和第三次反射的光信号均通过导入光纤1输出并发生干涉，干涉公式如下：
式中，i是干涉光的强度，i1是第一次反射光的强度，i2是第二次反射光的强度，i3是第三次反射光的强度；φair是空气腔的相移，φagar是琼脂腔的相移，φair-agar是空气腔与琼脂腔的总相移，具体的计算式如下
φair-agar＝φair φagar
式中，n1是空气的折射率，l1是空气腔的长度；n2是琼脂的折射率，l2是琼脂腔的长度。
通过上式的干涉公式，配合实验得到的湿度检测反射强度谱线以及横向压力检测反射强度谱线，可以精确检测湿度数据以及横向压力数据。
如图5所示，光从光源发出，经过耦合器进入导入光纤1，在一个可调湿度箱中，放置有基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，箱子中的相对湿度从25％rh到95％rh连续变化，每隔5％测量一次光谱仪的反射强度谱线。
如图6所示，光从光源发出，经过耦合器进入导入光纤1，基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器压在两个载玻片之间，然后用四个垂直的玻璃片做一个两面开口的立方体管道，将两个载玻片包围起来。并且立方体管道的内径与载玻片的尺寸大小是一样的，这样可以保证在结构上方和下方的两个载玻片在实验过程中保持平行。光从光源发出，经过环形器，一端连入传感器，一端连入光谱分析仪。在载玻片上以50g为步长加砝码，从0g增加到500g，记录光谱仪上谱线的移动情况。
进一步的，该种基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器结构简单紧凑，能够制作成微小型高精度传感器。同时制作成本低，原材料丰富，利于产品的生产。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
1.基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，其特征在于：包括导入光纤(1)、空气泡腔(2)和琼脂腔(3)，所述的导入光纤(1)端面嵌入空气泡腔(2)内，所述的空气泡腔(2)外表面远离导入光纤(1)一侧粘覆有琼脂腔(3)；
所述的导入光纤(1)用于导入光源信号和传输反射光，所述的导入光纤(1)导入的光源信号在导入光纤(1)端面与空气的分界面上发生第一次反射与第一次透射，第一次透射的光源信号经过空气泡腔(2)在空气泡腔(2)与琼脂腔(3)的分界面上发生第二次反射与第二次透射，第二次透射的光源信号经过琼脂腔(3)在琼脂腔(3)与空气的分界面上发生第三次反射与第三次透射，第一次反射、第二次反射和第三次反射的光信号均通过导入光纤(1)输出并发生干涉；
所述的空气泡腔(2)在横向压力的作用下会产生形变；所述的琼脂腔(3)吸湿后导致折射率和体积发生变化。
2.根据权利要求1所述的基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，其特征在于：所述的空气泡腔(2)采用sio2微管通过电弧放电的方法制成，所述的空气泡腔(2)与导入光纤(1)熔接；所述的空气泡腔(2)的反射谱线的消光比大于10db。
3.根据权利要求1所述的基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，其特征在于：所述的琼脂腔(3)采用琼脂胶体制成。
4.据权利要求1所述的基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器，其特征在于：所述的导入光纤(1)采用单模光纤。
5.一种制备如权利要求1至4中任一所述的基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的方法，其特征在于：首先在导入光纤(1)的端部制成空气泡腔(2)，再通过端蘸法使琼脂腔(3)与空气泡腔(2)结合，具体步骤如下：
步骤1，将导入光纤(1)一端与sio2微管采用光纤熔接机熔接；
步骤2，在微位移平台上，利用显微镜找到熔接点，朝向sio2微管的延伸方向，截取250um；
步骤3，将熔接点放置在偏离电弧放电的位置，通过电弧放电使sio2微管形成空心的空气泡腔(2)；通过光谱分析仪检测空气泡腔(2)的反射谱线的消光比，若消光比小于10db，重复步骤1至步骤3；
步骤4，若消光比大于10db，则将制好的空气泡腔(2)竖直向下设置，通过操纵平台夹持光纤并控制光纤在竖直方向上进行位移，空气泡腔(2)的正下方设置有热琼脂溶液；
步骤5，调节光纤竖直向下运动，使空气泡腔(2)端面浸没在热琼脂溶液中，维持两秒后缓慢向上移动光纤，空气泡腔(2)端面覆盖有一层琼脂液，空气泡腔(2)端面的琼脂液冷却至室温后形成琼脂腔(3)。
6.如权利要求5所述的一种制备基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的方法，其特征在于：所述的步骤1中，sio2微管的端面与导入光纤(1)一端端面熔接，所述的sio2微管的内径不大于导入光纤(1)的直径。
7.如权利要求5所述的一种制备基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的方法，其特征在于：所述的步骤3中，导入光纤(1)另一端采用光纤环形器分别与连接宽带光源和光谱分析仪连接，所述的连接宽带光源和光谱分析仪用于检测空气泡腔(2)的反射光谱。
8.如权利要求7所述的一种制备基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的方法，其特征在于：所述的步骤3中，将熔接点放置在偏离电弧放电位置250μm的位置，然后设置70bit的电弧强度和2000ms的电弧放电时间。
9.如权利要求5所述的一种制备基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器的方法，其特征在于：所述的步骤4中，热琼脂溶液采用琼脂粉与水质量比为0.75％的比例放置在沸水中，不断搅拌，让琼脂粉完全溶于水中后制成，所述的热琼脂溶液温度不低于42℃。
技术总结