使用中空芯纖維與明膠膜相互作用的光纖干涉濕度傳感器

1、使用中空芯纖維與明膠膜相互作用的光纖干涉濕度傳感器抽象通過將短中空芯光纖（HCF）熔接到單模光纖的末端并在HCF的尖端涂覆一層明膠來構建光纖Fabry-Perot干涉儀（FPI）用 于相對濕度測量。明膠膜的厚度隨環(huán)境濕度水平而變化，并調節(jié)FPI的腔體長度。因此，通過測量相互引用條紋的波長偏移來 實現(xiàn)濕度測量。在20-80%RH的測量范圍內，可到達0.192 nm/%RH的相對濕度靈敏度。動態(tài)測量顯示響應和恢復時間分 別為240和350 ms。傳感器性能測試顯示，在室溫下具有良好的可重復性和穩(wěn)定性，但也顯示相對濕度靈敏度對環(huán)境溫度有輕 微的依賴性。因此，光纖布拉格光柵被級聯(lián)到FPI傳感探頭上，以

2、同時監(jiān)測溫度，溫度靈敏度為10pmC。關鍵字:光纖傳感器;濕度測量;明膠;法布里珀羅干涉儀.引言濕度測量在食品，藥品，儲存和環(huán)境監(jiān)測等許多領域被廣泛需要。需要具有寬測量范圍、高精度和快速響應速度的高性能 濕度傳感涉。由于基于電子技術的傳統(tǒng)濕度傳感器幾乎不用于遠距離測量或在強電磁干擾環(huán)境中，因此光纖濕度傳感器由于其 遠距離信號傳輸能力和抗電磁干擾能力，近年來吸引了越來越多的研究興趣。光纖濕度傳感器通常由與濕度敏感材料相互作用的光纖結構組成。光纖結構可以是光纖光柵1, 2, 3, 4,光纖干涉儀5, 6, 7, 8, 9, D形光纖10, 11, 12,超細纖維13, 14等。其中，光纖干涉儀表現(xiàn)

3、出相對較高的靈敏度和簡單的結構。報道 的濕度敏感材料包括聚乙烯醇（PVA） 15, 16, 17, 18, 19,聚酰亞胺20, 21,殼聚糖22, 23, 24,瓊脂糖25, 26,碳 納米管27,氧化物28, 29, 30, 31,諾蘭光學粘合劑（NOA） 32和石墨烯氧化物（GO） 33, 34。上述大多數(shù)濕度敏感材 料都用于光纖干涉濕度傳感器。然而，很難實現(xiàn)所有良好的性能，包括高靈敏度，大測量范圍，高響應速度和良好的可重復性。 因此，研究人員通過將新的濕度敏感材料與各種光纖結構相結合，繼續(xù)探索新的傳感器設計，以獲得更好的傳感性能。值得注 意的是，最近報道了一種明膠包被的四芯纖維基邁克爾

4、遜干涉濕度傳感器，其靈敏度相對較高，為0.185nm/%RH35。然而， 傳感結構相當復雜，難以制造。本文通過利用短中空芯光纖（HCF）與明膠膜相互作用，演示了一種光纖干涉濕度傳感器。它是通過將短長度的HCF熔 接到單模光纖（SMF）的末端并用一層明膠涂覆HCF的尖端以形成FabyPerot干涉儀（FPI）來構建的。濕度會改變明膠膜 的厚度，明膠膜的厚度會調節(jié)干涉腔的長度，從而改變FPI干涉光譜的浸漬波長。因此，在20-80%RH的測量范圍內實現(xiàn)了靈 敏度為0.192 nm/%RH的相對濕度（RH）測量，響應和恢復時間分別為240和350 ms。研究發(fā)現(xiàn)，RH靈敏度對環(huán)境溫度表 現(xiàn)出輕微的依賴

5、性。因此，光纖布拉格光柵（FBG）被級聯(lián)在FPI傳感探頭中，以同時監(jiān)測溫度變化。.制造與原理所提出的光纖FPI濕度傳感器探頭的示意圖如圖1a所示。它是通過將HCF與SMF （SM-28）熔接并在HCF的尖端涂 覆一層明膠而形成的。HCF的內徑和外徑分別為75和125pm。熔接采用手動模式下操作的熔接機（Atomowave SFS-A60+） 進行熔接，主要參數(shù)設置為重疊15 pm,預拼接融合時間為200 ms,電弧放電為-25位。熔接后，HCF被切割，只留下一個具 有所需長度的短HCF。然后將5g明膠粉溶解到95mL去離子水中并在65的溫度下攪拌30分鐘，制備5%濃度的明膠溶液。 然后使用浸涂

6、法將明膠溶液涂覆在HCF的尖端上。然后在室溫下干燥7小時以形成薄膜。根據(jù)圖像局部差異估計的干燥明膠膜 的厚度約為6pm。FBG級聯(lián)到FPI傳感探頭上，用于同時測量溫度。它是在FPI制造之前通過使用248nm準分子激光器和相 掩模方法在SMF中編寫的。其中心波長、反射率和3 dB帶寬分別為1562 nm、85%和0.2 nm。圖1b是所提出的FPI濕度探 頭的圖像。濕度測量的工作原理是基于濕度引起的明膠膜厚度變化，該明膠薄膜改變由兩個反射面形成的FPI的腔體長度，如圖1a 所示。當光從SMF進入HCF的氣孔時，菲涅耳反射發(fā)生在二氧化硅空氣界面處。當光傳播到明膠膜時，在空氣-明膠界面 處再次發(fā)生反

7、射。反射光的這兩局部結合在SMF的核心，并導致那里的光干涉。反射輸出信號包含F(xiàn)PI的干涉條紋，其中浸漬 或峰值波長將隨濕度而變化，因為后者會改變明膠膜的厚度，從而改變FPI腔的長度。基于光學干涉理論，F(xiàn)PI探頭反射光的強度可以通過使用雙光束近似推導出來，并表示為36：哪里是入射光的強度，和是兩個接口的反射率，是波長，是FPI的空腔長度，并且是初始階段。干涉條紋的自由光譜范圍 (FSR)可以表示為：哪里是FPI腔內空氣的折射率。干涉光譜在滿足以下條件的諧振波長相位處到達其傾角，其中m為整數(shù)。干涉光譜的浸漬波 長可以表示為：當外部濕度水平增加時，明膠膜將從周圍空氣中吸收更多的水分子并擴大體積。其厚

8、度將相應增加，這將減少FPI的腔體 長度，并將干涉光譜的浸漬波長向短波長方向移動。當外部濕度水平降低時，明膠膜會將水分子釋放到周圍的空氣中并縮小體 積。其厚度將減小，F(xiàn)PI的腔體長度將變大，以使干涉光譜的浸漬波氏移動到更長的波長。FPI的浸漬波長的變化可以表示為：哪里是FPI腔長度的變化。一旦我們實現(xiàn)了浸漬波長偏移與RH變化的關系，就可以通過測量光纖FPI探頭的干涉光譜來獲得RH測量。.實驗結果及討論濕度測量的實驗設置如圖2所示。它由寬帶光源(BBS),光譜分析儀(OSA, MS9740A),光纖環(huán)行器(0C) , FPI 探頭和溫濕度控制室(THCC)組成。將FPI探頭安裝在夾具上，以防止光

9、纖彎曲和振動的影響，然后放入THCC進行測試。 首先將溫度保持在20。在2080%RH的范圍內，以5%RH的步長改變RH。每次更改后，我們等待超過10分鐘，以使薄膜 在新的RH水平上到達平衡，然后記錄光譜并讀取浸漬波長。制備了 3個不同HCF長度為73、110和220 pm的FPI探針，其干涉光譜如圖3所示。它們的FSR分別為17.10, 10.19 和5.25nmo它隨著HCF長度或腔體長度而減小，如公式(2)所預測的那樣。然而，干涉條紋的比照度也隨著HCF長度而降 低。對于73、110和220 pm的HCF長度，它分別為28.96、14.89和9.28 dB。光信號與腔體長度的傳輸損耗增加

10、應該 是比照度降低的主要原因。在下面的濕度測量實驗中，我們使用最小HCF長度為73Rm的FPI探針。濕度水平在2080%RH范圍內以5%RH的步長增加。圖4顯示了 FPI探頭在20、40、60和80%RH不同水平下測得的 反射光譜。當RH從20%RH增加到80%RH時，干擾驟降觀察到11.53 nm的顯著波長偏移，F(xiàn)BG的反射峰波長幾乎沒有變化, 說明FBG對RH完全不敏感。我們測試了 FPI探針在RH水平的升序和降序中的響應。如圖5所示，F(xiàn)PI探頭中測得的針對RH的波長偏移非常接近， 說明所提出的FPI探頭具有良好的可逆性。通過線性擬合計算出的FPI探頭的RH靈敏度為192 pm/%RHo

11、FBG反射峰中測得 的波長偏移也如圖5所示。最大變化僅為10 pm,小于OSA的波長分辨率。為了進一步研究FPI濕度探頭的重復特性，又進行了兩次重復測試。圖6顯示了斜率波長相對于RH水平的升序和降序的 測量結果。六組數(shù)據(jù)的均方差為3.96x10-2,說明所提出的FPI濕度探頭具有相當好的可重復性。不同測量之間的微小誤差 很可能是由THCC中不均勻的RH分布和不穩(wěn)定的氣流引起的。為了研究環(huán)境溫度對FPI濕度探頭響應的影響，在另外兩種不同的溫度15和25下進行了測試。測量結果與在20 下測量的結果一起如圖7所示。可以看出，F(xiàn)PI探頭波長偏移的三個序列與RH水平具有良好的線性關系，在15、20和25

12、y 溫度下，線性擬合計算的濕度靈敏度分別為173、192和194 pm/%RH。靈敏度隨溫度而略有增加，當溫度從15oC變化到20 時，變化比從20。（3到25。時變化更大。眾所周知I,如果溫度升高，空氣中可以含有更多的水分子，因此FPI探頭的明膠膜 在較高的溫度下可能會吸收更多的水分子，特別是在相對濕度高的時候。這可能是濕度靈敏度隨溫度升高而增加的原因。然后，在20 P的固定溫度下，在20P的固定溫度下，在20、40和80%RH的三種不同RH水平下對FPI探頭進行時 間穩(wěn)定性測試。在30分鐘的時間內每5分鐘測量一次浸漬波長，結果如圖8所示?？梢钥闯?，在檢查期間內，每個RH值處 的測量波長相當

13、穩(wěn)定。在三種RH情況下，記錄的波動不超過0.28 nm。考慮到194 pm/%RH的靈敏度，最大誤差僅對應于 1.44%RH,這在大多數(shù)應用中可以忽略不計。測量結果的小波動也可能與THCC中RH分布不均勻和氣流不穩(wěn)定有關。FPI探頭對濕度變化的動態(tài)響應是通過快速將濕度水平從50%RH快速改變至ij 80%RH,然后在10s后將其改變回來來實 現(xiàn)的。我們將OSA設置為自動采集模式，以高速記錄FPI探頭干涉光譜的波長偏移。如圖9所示，測量結果說明響應和恢復時 間分別約為240和350 ms,分別表示傳感器從其最終值的10%到達90%所需的時間以及反向過程。值得一提的是，濕度切換 時間也被計算在內，

14、因此實際的動態(tài)響應和恢復時間應該小得多。但是，它們比以前的參考文獻中報告的要快得多，如表1所 zj O快速響應和恢復時間可歸因于FPI探針的緊湊結構和明膠膜的小厚度，這使得水蒸氣分子能夠快速擴散?；诳焖夙憫獣r 間，F(xiàn)PI探頭提供了一種近乎實時的濕度測量技術，可用于人體呼吸監(jiān)測等領域，以改善醫(yī)療保健，因為當前商業(yè)濕度傳感器的 響應時間約為幾秒鐘。最后，我們測試了 FBG在10至50的溫度范圍內對溫度的靈敏度。FBG反射峰相對于溫度的測量波長如圖10所示。 FBG傳感器的計算溫度靈敏度為10 pm/。具有高線性度r2= 0.99723。由于FBG對RH變化不敏感，因此它可以提供精確 的環(huán)境溫度信息，供FPI濕度探頭工作時參考。為了更好地評估所提出的FPI濕度傳感器，我們將傳感器的關鍵性能（包括靈敏度，測量范圍和動態(tài)響應時間）與其他報 告的傳感器進行了比擬，這些性能也基于光纖干涉儀。結果如表1所示，說明我們的濕度傳感器在濕度傳感性能的所有三個參 數(shù)中名列前茅。結合低本錢、線性響應、高穩(wěn)定性和同時測量溫度等優(yōu)點，F(xiàn)PI濕度傳感器在相關工業(yè)領域可能具