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1、使用中空芯纤维与明胶膜相互作用的光纤干涉湿度传感器抽象通过将短中空芯光纤（HCF）熔接到单模光纤的末端并在HCF的尖端涂覆一层明胶来构建光纤Fabry-Perot干涉仪（FPI）用 于相对湿度测量。明胶膜的厚度随环境湿度水平而变化，并调节FPI的腔体长度。因此，通过测量相互引用条纹的波长偏移来 实现湿度测量。在20-80%RH的测量范围内，可到达0.192 nm/%RH的相对湿度灵敏度。动态测量显示响应和恢复时间分 别为240和350 ms。传感器性能测试显示，在室温下具有良好的可重复性和稳定性，但也显示相对湿度灵敏度对环境温度有轻 微的依赖性。因此，光纤布拉格光栅被级联到FPI传感探头上，以
2、同时监测温度，温度灵敏度为10pmC。关键字:光纤传感器;湿度测量;明胶;法布里珀罗干涉仪.引言湿度测量在食品，药品，储存和环境监测等许多领域被广泛需要。需要具有宽测量范围、高精度和快速响应速度的高性能 湿度传感涉。由于基于电子技术的传统湿度传感器几乎不用于远距离测量或在强电磁干扰环境中，因此光纤湿度传感器由于其 远距离信号传输能力和抗电磁干扰能力，近年来吸引了越来越多的研究兴趣。光纤湿度传感器通常由与湿度敏感材料相互作用的光纤结构组成。光纤结构可以是光纤光栅1, 2, 3, 4,光纤干涉仪5, 6, 7, 8, 9, D形光纤10, 11, 12,超细纤维13, 14等。其中，光纤干涉仪表现
3、出相对较高的灵敏度和简单的结构。报道 的湿度敏感材料包括聚乙烯醇（PVA） 15, 16, 17, 18, 19,聚酰亚胺20, 21,壳聚糖22, 23, 24,琼脂糖25, 26,碳 纳米管27,氧化物28, 29, 30, 31,诺兰光学粘合剂（NOA） 32和石墨烯氧化物（GO） 33, 34。上述大多数湿度敏感材 料都用于光纤干涉湿度传感器。然而，很难实现所有良好的性能，包括高灵敏度，大测量范围，高响应速度和良好的可重复性。 因此，研究人员通过将新的湿度敏感材料与各种光纤结构相结合，继续探索新的传感器设计，以获得更好的传感性能。值得注 意的是，最近报道了一种明胶包被的四芯纤维基迈克尔
4、逊干涉湿度传感器，其灵敏度相对较高，为0.185nm/%RH35。然而， 传感结构相当复杂，难以制造。本文通过利用短中空芯光纤（HCF）与明胶膜相互作用，演示了一种光纤干涉湿度传感器。它是通过将短长度的HCF熔 接到单模光纤（SMF）的末端并用一层明胶涂覆HCF的尖端以形成FabyPerot干涉仪（FPI）来构建的。湿度会改变明胶膜 的厚度，明胶膜的厚度会调节干涉腔的长度，从而改变FPI干涉光谱的浸渍波长。因此，在20-80%RH的测量范围内实现了灵 敏度为0.192 nm/%RH的相对湿度（RH）测量，响应和恢复时间分别为240和350 ms。研究发现，RH灵敏度对环境温度表 现出轻微的依赖
5、性。因此，光纤布拉格光栅（FBG）被级联在FPI传感探头中，以同时监测温度变化。1 .制造与原理所提出的光纤FPI湿度传感器探头的示意图如图1a所示。它是通过将HCF与SMF （SM-28）熔接并在HCF的尖端涂 覆一层明胶而形成的。HCF的内径和外径分别为75和125pm。熔接采用手动模式下操作的熔接机（Atomowave SFS-A60+） 进行熔接，主要参数设置为重叠15 pm,预拼接融合时间为200 ms,电弧放电为-25位。熔接后，HCF被切割，只留下一个具 有所需长度的短HCF。然后将5g明胶粉溶解到95mL去离子水中并在65的温度下搅拌30分钟，制备5%浓度的明胶溶液。 然后使用
6、浸涂法将明胶溶液涂覆在HCF的尖端上。然后在室温下干燥7小时以形成薄膜。根据图像局部差异估计的干燥明胶膜 的厚度约为6pm。FBG级联到FPI传感探头上，用于同时测量温度。它是在FPI制造之前通过使用248nm准分子激光器和相 掩模方法在SMF中编写的。其中心波长、反射率和3 dB带宽分别为1562 nm、85%和0.2 nm。图1b是所提出的FPI湿度探 头的图像。湿度测量的工作原理是基于湿度引起的明胶膜厚度变化，该明胶薄膜改变由两个反射面形成的FPI的腔体长度，如图1a 所示。当光从SMF进入HCF的气孔时，菲涅耳反射发生在二氧化硅空气界面处。当光传播到明胶膜时，在空气-明胶界面 处再次发
7、生反射。反射光的这两局部结合在SMF的核心，并导致那里的光干涉。反射输出信号包含FPI的干涉条纹，其中浸渍 或峰值波长将随湿度而变化，因为后者会改变明胶膜的厚度，从而改变FPI腔的长度。基于光学干涉理论，FPI探头反射光的强度可以通过使用双光束近似推导出来，并表示为36：(1) 哪里是入射光的强度，和是两个接口的反射率，是波长，是FPI的空腔长度，并且是初始阶段。干涉条纹的自由光谱范围 (FSR)可以表示为：(2) 哪里是FPI腔内空气的折射率。干涉光谱在满足以下条件的谐振波长相位处到达其倾角，其中m为整数。干涉光谱的浸渍波 长可以表示为：(3)当外部湿度水平增加时，明胶膜将从周围空气中吸收更
8、多的水分子并扩大体积。其厚度将相应增加，这将减少FPI的腔体 长度，并将干涉光谱的浸渍波长向短波长方向移动。当外部湿度水平降低时，明胶膜会将水分子释放到周围的空气中并缩小体 积。其厚度将减小，FPI的腔体长度将变大，以使干涉光谱的浸渍波氏移动到更长的波长。FPI的浸渍波长的变化可以表示为：(4) 哪里是FPI腔长度的变化。一旦我们实现了浸渍波长偏移与RH变化的关系，就可以通过测量光纤FPI探头的干涉光谱来获得RH测量。3 .实验结果及讨论湿度测量的实验设置如图2所示。它由宽带光源(BBS),光谱分析仪(OSA, MS9740A),光纤环行器(0C) , FPI 探头和温湿度控制室(THCC)组
9、成。将FPI探头安装在夹具上，以防止光纤弯曲和振动的影响，然后放入THCC进行测试。 首先将温度保持在20。在2080%RH的范围内，以5%RH的步长改变RH。每次更改后，我们等待超过10分钟，以使薄膜 在新的RH水平上到达平衡，然后记录光谱并读取浸渍波长。制备了 3个不同HCF长度为73、110和220 pm的FPI探针，其干涉光谱如图3所示。它们的FSR分别为17.10, 10.19 和5.25nmo它随着HCF长度或腔体长度而减小，如公式(2)所预测的那样。然而，干涉条纹的比照度也随着HCF长度而降 低。对于73、110和220 pm的HCF长度，它分别为28.96、14.89和9.28
10、 dB。光信号与腔体长度的传输损耗增加应该 是比照度降低的主要原因。在下面的湿度测量实验中，我们使用最小HCF长度为73Rm的FPI探针。湿度水平在2080%RH范围内以5%RH的步长增加。图4显示了 FPI探头在20、40、60和80%RH不同水平下测得的 反射光谱。当RH从20%RH增加到80%RH时，干扰骤降观察到11.53 nm的显着波长偏移，FBG的反射峰波长几乎没有变化, 说明FBG对RH完全不敏感。我们测试了 FPI探针在RH水平的升序和降序中的响应。如图5所示，FPI探头中测得的针对RH的波长偏移非常接近， 说明所提出的FPI探头具有良好的可逆性。通过线性拟合计算出的FPI探头
11、的RH灵敏度为192 pm/%RHo FBG反射峰中测得 的波长偏移也如图5所示。最大变化仅为10 pm,小于OSA的波长分辨率。为了进一步研究FPI湿度探头的重复特性，又进行了两次重复测试。图6显示了斜率波长相对于RH水平的升序和降序的 测量结果。六组数据的均方差为3.96x10-2,说明所提出的FPI湿度探头具有相当好的可重复性。不同测量之间的微小误差 很可能是由THCC中不均匀的RH分布和不稳定的气流引起的。为了研究环境温度对FPI湿度探头响应的影响，在另外两种不同的温度15和25下进行了测试。测量结果与在20 下测量的结果一起如图7所示。可以看出，FPI探头波长偏移的三个序列与RH水平
12、具有良好的线性关系，在15、20和25y 温度下，线性拟合计算的湿度灵敏度分别为173、192和194 pm/%RH。灵敏度随温度而略有增加，当温度从15oC变化到20 时，变化比从20。（3到25。时变化更大。众所周知I,如果温度升高，空气中可以含有更多的水分子，因此FPI探头的明胶膜 在较高的温度下可能会吸收更多的水分子，特别是在相对湿度高的时候。这可能是湿度灵敏度随温度升高而增加的原因。然后，在20 P的固定温度下，在20P的固定温度下，在20、40和80%RH的三种不同RH水平下对FPI探头进行时 间稳定性测试。在30分钟的时间内每5分钟测量一次浸渍波长，结果如图8所示。可以看出，在检
13、查期间内，每个RH值处 的测量波长相当稳定。在三种RH情况下，记录的波动不超过0.28 nm。考虑到194 pm/%RH的灵敏度，最大误差仅对应于 1.44%RH,这在大多数应用中可以忽略不计。测量结果的小波动也可能与THCC中RH分布不均匀和气流不稳定有关。FPI探头对湿度变化的动态响应是通过快速将湿度水平从50%RH快速改变至ij 80%RH,然后在10s后将其改变回来来实 现的。我们将OSA设置为自动采集模式，以高速记录FPI探头干涉光谱的波长偏移。如图9所示，测量结果说明响应和恢复时 间分别约为240和350 ms,分别表示传感器从其最终值的10%到达90%所需的时间以及反向过程。值得
14、一提的是，湿度切换 时间也被计算在内，因此实际的动态响应和恢复时间应该小得多。但是，它们比以前的参考文献中报告的要快得多，如表1所 zj O快速响应和恢复时间可归因于FPI探针的紧凑结构和明胶膜的小厚度，这使得水蒸气分子能够快速扩散。基于快速响应时 间，FPI探头提供了一种近乎实时的湿度测量技术，可用于人体呼吸监测等领域，以改善医疗保健，因为当前商业湿度传感器的 响应时间约为几秒钟。最后，我们测试了 FBG在10至50的温度范围内对温度的灵敏度。FBG反射峰相对于温度的测量波长如图10所示。 FBG传感器的计算温度灵敏度为10 pm/。具有高线性度r2= 0.99723。由于FBG对RH变化不
15、敏感，因此它可以提供精确 的环境温度信息，供FPI湿度探头工作时参考。为了更好地评估所提出的FPI湿度传感器，我们将传感器的关键性能（包括灵敏度，测量范围和动态响应时间）与其他报 告的传感器进行了比拟，这些性能也基于光纤干涉仪。结果如表1所示，说明我们的湿度传感器在湿度传感性能的所有三个参 数中名列前茅。结合低本钱、线性响应、高稳定性和同时测量温度等优点，FPI湿度传感器在相关工业领域可能具有广阔的应用 前景。4 .结论基于光纤FPI的湿度传感器已经通过用单模光纤熔接短HCF并用一层明胶涂覆HCF的尖端来证明。其工作原理基于湿 度引起的明胶膜厚度变化，从而改变FPI的腔体长度。通过测量相互引用条纹的波长偏移，实现了 0.192 nm/%RH的高灵敏度 和20-80%RH的宽测量范围的湿度测量。获得了良好的重复性和稳定性，响应和恢复时间分别仅为240和350 ms。此外，通 过在FPI探头中级联FBG传感器，可以同时测量灵敏度为10 pm/的温度。