劉 博，于 洋，常 偉，夏 鳳

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110087；2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

高精度濕度的測量與監(jiān)測在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、食品加工、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域十分重要[1]。近年來，由于光纖光柵傳感器具有體積小，易于實現(xiàn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、靈敏度較高、耐極端環(huán)境和抗電磁干擾等優(yōu)點，在濕度測量方面越來越受到學(xué)者的關(guān)注。光纖濕度傳感器的實現(xiàn)有很多種，主要有光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)[2-3]、光纖干涉儀結(jié)構(gòu)[4]、D型光纖結(jié)構(gòu)、開腔光纖結(jié)構(gòu)[5]、錐形光纖結(jié)構(gòu)等。在眾多類型結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)中，馬赫增德爾干涉?zhèn)鞲衅鞅粡V泛應(yīng)用在高精度的參數(shù)檢測中，比如溫度傳感、濕度傳感[6]、應(yīng)變傳感和曲率傳感[7-8]等參數(shù)測量。光在不同的光路中傳播，產(chǎn)生光程差，形成干涉，其中一條光路受到外界物理量的影響產(chǎn)生擾動，稱為測量光路，另外一條光路對外部環(huán)境變化不敏感，幾乎不受影響，稱為參考光路。因此，在馬赫增德爾干涉(MZI)中用于分光和合光的器件是必須的[9]。早期報道的MZI干涉結(jié)構(gòu)利用光纖耦合器作為分光和合光元件，使得測量路徑和參考路徑存在于不同的光纖中。然后，直列式光纖MZI由于其結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小而迅速取代了具有2個分離臂的MZI。例如，在單模光纖(SMF)中利用2個拉絲錐作為分光束與合光束的元件，在同一個光纖中可以產(chǎn)生芯模和包層模之間的耦合。這種直列光纖MZI用于折射率(RI)測量和溫度測量[10]。此外，一些文章中還采用其他方法在光纖中進(jìn)行光束分離和耦合以形成MZI，例如長周期光纖光柵(LPFG)對[11-12]，橫向偏移拼接[13-15]，以及采用飛秒激光制造的微型腔體[16]，塌陷光子晶體光纖(PCF)[17]，通過飛秒激光形成空腔[18]，插入兩段短的薄芯光纖或多模光纖(MMF)[19-20]。與測量光在光纖傳播的MZI相比，測量路徑中的光通過被測材料傳播的MZI對周圍材料的RI變化更加敏感。因此，具有大側(cè)向偏移或露天空腔的MZI對周圍RI變化更敏感。例如，橫向偏移為62.5 m的光纖傳感器在氣體檢測中獲得了超過3 402 nm/RIU的高靈敏度[15]，遠(yuǎn)高于其他類型MZI的RI靈敏度，但是由于錯位光纖結(jié)構(gòu)本身的錯位結(jié)構(gòu)特點，造成了傳感器本身容易斷裂，在不具有封裝的情況下，在工程實用方面受到了一定的限制。

本文從理論與試驗兩方面研究了基于錯位的偏移結(jié)構(gòu)的無芯光纖MZI傳感器。采用不同的錯位偏移量以及不同長度的MZI光纖傳感器測量濕度，濕度變化引起聚乙烯醇(polyvinyl achohol，PVA)涂覆層厚度的變化，從而引起測量路光程的折射率變化，通過對干涉譜的測量實現(xiàn)了傳感器周圍的濕度測量。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高等優(yōu)點。通過將光纖錯位結(jié)構(gòu)封裝在PVA中，不僅實現(xiàn)了濕度的高靈敏度測量，還提高了傳感器的機械強度，封裝后的濕度傳感器不僅具有更好的魯棒性，而且在生物傳感器中具有很好的監(jiān)測前景。

1 傳感器理論分析與結(jié)構(gòu)制作

基于錯位偏移的無芯光纖的MZI濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)中，兩端單模光纖用于傳輸和接收光，單模光纖之間的傳感結(jié)構(gòu)由3段無芯光纖組成，3段無芯光纖分別錯位熔接，第一段與引入單模光纖熔接沒有錯位，當(dāng)光由單模光纖進(jìn)入到無芯光纖時會產(chǎn)生擴散作用，產(chǎn)生多種傳輸模式。當(dāng)光經(jīng)過第一個錯位結(jié)構(gòu)處的時候，光路會分成2路。一路光在錯位熔接的無芯光纖中傳播，另一路在PVA涂覆層中傳播，在錯位光纖中傳播的稱為參考光路，在周圍空氣環(huán)境的PVA中傳播的稱為測量光路。經(jīng)過傳播后2路光在第二錯位結(jié)構(gòu)處又都進(jìn)入到無芯光纖中耦合到一起，并且從引出光纖的單模光纖中輸出。

圖1 錯位無芯光纖示意圖

PVA具有良好的濕敏性、良好的粘附性和穩(wěn)定性，已被廣泛用作光纖濕度傳感器中的傳感膜[21]。本文選擇聚乙烯醇(PVA)作為濕度傳感器涂覆層，在錯位部分涂覆。首先稱取一定質(zhì)量的PVA粉末和一定質(zhì)量的去離子水(本次實驗按照5%進(jìn)行涂層實驗，然后一起加入到干凈的燒杯中進(jìn)行混合，使用磁力攪拌器對混合溶液進(jìn)行攪拌，加熱溫度設(shè)置為95 ℃，攪拌120 min后，PVA粉末完全溶解在去離子水中，形成透明液體，使用鍍膜機經(jīng)過涂層后的傳感器放入到恒溫箱中，溫度設(shè)置為80 ℃，烘烤3 h，使PVA涂覆層中的水分完全蒸發(fā)，完成錯位傳感器PVA涂層的涂覆。

涂覆PVA前后的光譜圖如圖2所示。

圖2 涂覆PVA前后的透射譜對比

圖2中虛線為錯位傳感器在空氣中的透射光譜，實線為涂覆PVA后的透射光譜。可以看出，包覆濕敏材料后透射光譜的能量降低，主峰位置有一定的漂移。涂覆濕敏材料PVA后，可以發(fā)現(xiàn)干涉模式出現(xiàn)高強度的主峰和干涉谷，具有更好的對比度。

在本文的結(jié)構(gòu)中，由于2條光路存在光程差，耦合在一起產(chǎn)生干涉，測量光路通過周圍環(huán)境，由于在錯位結(jié)構(gòu)表面獨有PVA涂覆層，在濕度環(huán)境下，PVA薄膜吸收空氣中的水分后膨脹變形改變了傳感光路，而參考光路在無芯光纖中傳播，所以光程基本沒有改變。因此，周圍濕度環(huán)境的改變導(dǎo)致傳輸光譜中的干擾波長發(fā)生明顯偏移。采用具有更大模場面積的無芯光纖代替單模光纖作為2路光程耦合部分接收傳感部分的光功率，可以有效降低傳感器的插入損耗。根據(jù)MZI結(jié)構(gòu)的傳感原理，輸出的光信號可以表示為

(1)

式中：I1,I2為2路光路的功率強度；λ為光波長；nco為光纖的折射率；ns為周圍環(huán)境的折射率；L為錯位結(jié)構(gòu)中間段的長度；φ0為干涉的初始相位。

當(dāng)錯位結(jié)構(gòu)干涉滿足式(2)時，可以得到最小的光輸出信號。

(2)

式中：m為整數(shù)；λm為在透射譜中第m個序列傾角的干涉波長，干涉波長是從透射光譜中的最低點提取的波長值。

從式(2)可以看出，第m個干涉波長對于周圍環(huán)境的折射率是敏感的。為了滿足內(nèi)部反射條件，支持光纖模式，周圍環(huán)境的折射率應(yīng)該比無芯光纖的折射率小一些。根據(jù)式(2)，在透射譜中干涉波長較小的傾角對應(yīng)了較大的干涉階數(shù)。折射率系數(shù)Sn如式(3)定義。

(3)

可以推導(dǎo)出，當(dāng)周圍材料的折射率接近無芯光纖的折射率或干涉波長位于較高波長時，靈敏度會增加。

第m與第m+1個干涉波長之間的關(guān)系可以表示為

(4)

對于PVA來說，折射率與相對濕度的關(guān)系如圖3所示[22]。

圖3 PVA折射率與相對濕度關(guān)系

PVA折射率隨著環(huán)境濕度的改變而變化，假設(shè)干涉波長設(shè)置為1 550 nm，PVA的折射率為1.35，無芯光纖的折射率為1.45，那么理論上可以根據(jù)式(3)計算出折射率靈敏度為-15 500 nm/RIU，根據(jù)傳感理論，由式(2)，對應(yīng)于不同m值的多個波谷可以在透視光譜中共存。當(dāng)利用干涉波長的改變來檢測折射率的變化，對于得到干涉波長值來說，太多或者太少的波谷沒有任何作用。本文選擇一個干涉谷作為檢測對象。

錯位結(jié)構(gòu)光纖傳感器的制作使用熔接機(FITEL S179)完成熔接。2段單模光纖(8 μm/125 μm)用剝線鉗剝?nèi)ネ扛矊?，然后用酒精擦拭干凈，防止涂覆層有機物在熔接放電過程中增加光纖熔接的損耗，使用光纖切割刀(S326)切割平整，保持端面的平整度，這2段單模光纖作為傳感器的接入端和輸出端。另取3段無芯光纖(包層直徑為125 μm)，去除涂覆層后使用酒精擦拭干凈，取其中2段分別與單模光纖進(jìn)行熔接，無芯光纖長度約為200 μm。在制作錯位結(jié)構(gòu)之前需要調(diào)整熔接機為手動模式，定位X坐標(biāo)為橫坐標(biāo)，使光纖在橫坐標(biāo)軸上為一條直線，然后調(diào)整縱坐標(biāo)方向上移60 μm，在光纖熔接時保持2個橫向偏移方向相同尤其重要，可以通過熔接機的攝像頭調(diào)整偏移方向，這樣可以獲得良好對比度的干涉光譜。在折射率測量期間，錯位無芯光纖的傳感結(jié)構(gòu)固定在玻璃片上，這樣可以保證在測量期間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。傳感器制作實物如圖4所示。

圖4 錯位光纖傳感器實物圖

2 實驗與結(jié)果分析

本文中使用的無芯光纖的直徑為125 μm，折射率為1.45，采用精度為10 μm的高精度平移臺來控制每段無芯光纖的切割長度。首先制作具有不同長度的無芯光纖錯位結(jié)構(gòu)傳感器，并測試了相應(yīng)的RI靈敏度特性。實驗中采用Si155光纖解調(diào)儀作為光源和光譜分析儀器，解調(diào)儀通過網(wǎng)線與電腦連接，光譜數(shù)據(jù)圖像實時顯示在電腦端，通過在線監(jiān)測光譜變化，可以有效地提高傳感結(jié)構(gòu)的精度，偏移量可以根據(jù)光譜效應(yīng)進(jìn)行實時調(diào)整，最終得到較為理想的傳感結(jié)構(gòu)。傳感器結(jié)構(gòu)熔接完成后，偏移錯位部分涂上聚乙烯醇(PVA)，傳感光路的光在PVA中傳播，傳感器在濕潤環(huán)境中吸收空氣中的水分而膨脹變形，這樣改變了PVA的折射率，從而間接得到環(huán)境的濕度變化。首先制作不同濃度的氯化鈉飽和溶液進(jìn)行折射率的測量和標(biāo)定，溶液的折射率用阿貝折射率測量儀測量。

本文制作了2種光纖錯位結(jié)構(gòu)，L分別為200 μm和400 μm，錯位結(jié)構(gòu)可以通過光學(xué)顯微鏡觀察。此外，接入和輸出部分的無芯光纖長度為200 μm，無芯光纖錯位為60 μm。制作的2種傳感結(jié)構(gòu)分別放在濕度調(diào)節(jié)箱中，得到不同環(huán)境折射率(RI)下的透射譜如圖5所示。

(a)無芯光纖長度為200 μm時的透射光譜

可以看出，通過增加錯位無芯光纖的長度L可以降低光譜的FSR，與式(4)的計算相吻合。理論上，對比度主要跟參考光路和測量光路之間的光功率有關(guān)。實驗中，無芯光纖的折射率為1.45，在濕度測量中，首先把濕度測量轉(zhuǎn)換為傳感光路的折射率測量，所以測量光路中RI的變化，即可間接得到濕度的變化。由于在傳感結(jié)構(gòu)中，錯位的位置鍍有一層PVA材料，利用氯化鈉溶液對傳感器進(jìn)行折射率測量，對錯位無芯光纖長度為200 μm的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖6所示。從圖6可以看出，基于錯位的光纖傳感器的靈敏度達(dá)到-77.428 4 nm/RIU，相比熔錐型光纖濕度傳感器[10]，在折射率1.333～1.363范圍內(nèi)，錯位光纖濕度傳感器靈敏度高出熔錐型光纖濕度傳感器3倍。

圖6 折射率靈敏度擬合圖

為了驗證錯位光纖傳感器的濕度傳感特性，本文搭建了如圖7所示的濕度測量實驗系統(tǒng)。濕度測量實驗系統(tǒng)由光纖解調(diào)儀(Si155)、標(biāo)準(zhǔn)濕度傳感器以及恒溫恒濕箱組成，解調(diào)儀波長帶寬為80 nm，為了在光譜范圍內(nèi)能確保有一個完整的干涉谷，通過式(4)選取合適的值?？梢钥闯?，光譜范圍與錯位部分的長度L和折射率差有關(guān)。在實驗中，無芯光纖的折射率為1.45，通常PVA的折射率約為1.49，PVA折射率的變化是由聚乙烯醇溶液的濃度決定的，把傳感器放在恒溫恒濕箱中，濕度升高時，PVA敏感膜中的水分會增加，引起聚乙烯醇分子鏈的膨脹與密度的減小，從而導(dǎo)致敏感層折射率的下降。在空間中相對濕度為35%～95%的折射率范圍為1.352 3～1.437 2?？紤]透射光譜的對比度，對于錯位結(jié)構(gòu)的偏移，選擇60 μm的錯位距離，長度為200 μm的錯位光纖傳感器作為環(huán)境濕度實驗傳感器。

圖7 光纖錯位傳感器濕度測試實驗裝置圖

錯位光纖濕度傳感器放入恒溫恒濕箱中，箱內(nèi)溫度設(shè)置為30 ℃，相對濕度從35%至95%，步進(jìn)為15%分別測量。每次測量在濕度調(diào)節(jié)10 min后記錄光譜，確保實驗測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。實驗記錄傳感器光譜圖如圖8所示。

圖8 錯位光纖傳感器透射光譜圖

對圖8中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到靈敏度擬合如圖9所示。錯位光纖傳感器在相對濕度30%～95%的范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度為-10.946 67 nm，線性擬合度為0.990 75，線性度良好。根據(jù)PVA在濕度范圍30%～95%時候的折射率變化約為0.085 RIU，計算得到傳感器的靈敏度為77.412 nm/RIU,與上面折射率實驗相符。

圖9 濕度靈敏度擬合圖

對錯位光纖傳感器進(jìn)行穩(wěn)定性實驗，設(shè)置相對濕度以15%的步長從35%上升到95%，然后下降，每個相對濕度保持2 h，溫度保持在 30 ℃，相對濕度穩(wěn)定約 1.5 h后記錄數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 無芯光纖傳感器與相對濕度的穩(wěn)定性結(jié)果

對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，濕度上升時，擬合曲線為Y2=-10.946 67X2+1 552.907 33，擬合度為R2=0.990 75；濕度下降過程中的數(shù)據(jù)擬合曲線為Y1=-10.832X1+1 552.969 6，擬合度為R2=0.987 17。擬合曲線差別不大，說明傳感器的一致性較好。

通過對傳感器的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析在相對濕度為50%、65%、80%時，在90 min內(nèi)記錄10次干涉光譜數(shù)據(jù)，證明本文所制備的傳感器的穩(wěn)定性。結(jié)果如圖11所示，可以看到傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，圖中光譜數(shù)據(jù)的微小波動，是由于解調(diào)儀(Si155)的波長測量精度所引起的，Si155在5 kHz的解調(diào)頻率下波長精度為2 pm，所以在光譜數(shù)據(jù)記錄過程中會出現(xiàn)微小的波動。在3個不同的相對濕度下，波長值相對穩(wěn)定，最大偏差在±0.3 nm以內(nèi)。

圖11 不同相對濕度下的時間穩(wěn)定性測量

3 結(jié)束語

本文從理論方面研究了基于錯位偏移結(jié)構(gòu)的無芯光纖濕度傳感器的傳感原理，并實驗驗證了光纖傳感器的特性，文中制備的無芯錯位傳感器折射率的靈敏度可高達(dá)77.482 5 nm/RIU，比熔錐型光纖結(jié)構(gòu)的靈敏度高3倍。在無芯光纖錯位部分涂覆PVA薄膜進(jìn)行濕度測量，帶有PVA鍍膜的光纖傳感器具有很好的魯棒性，而且提高了傳感器的機械強度。實驗結(jié)果表明：在35%～95%相對濕度范圍內(nèi)，傳感靈敏度為10.946 67 nm。該錯位結(jié)構(gòu)濕度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在工程應(yīng)用中具有潛在應(yīng)用價值。