李咪，馬成舉，李東明，張躍斌，鮑士仟，金嘉升，張垚，劉芊震，劉洺，張貽歆

（西安石油大學(xué) 理學(xué)院，西安 710065）

0 引言

持續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度（Relative Humidity，RH）的變化，在環(huán)境安全［1］、農(nóng)業(yè)［2］、電力［3］和醫(yī)藥工程［4］等領(lǐng)域至關(guān)重要。濕度傳感器的測(cè)濕范圍、機(jī)械性能、抗電磁輻射性等性能參數(shù)，直接決定著濕度傳感器能否滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。目前，常見(jiàn)的光纖濕度傳感器根據(jù)傳感機(jī)理的不同，主要有干涉型光纖濕度傳感器、吸收型光纖濕度傳感器、倏逝波型光纖濕度傳感器和光纖光柵濕度傳感器等。其中，基于法布里-珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)-P）的光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在溫度［5］、濕度［6］、壓力［7］和折射率［8］等傳感領(lǐng)域中受到科研人員的關(guān)注。例如，2013年，SU D等［9］提出了一種將聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）濕敏材料涂覆在單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）端面所構(gòu)成的F-P結(jié)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)濕度傳感，其濕度測(cè)量范圍為7%RH～91.2%RH，靈敏度為70 pm/%RH。2019年，ZHAO Y等［10］報(bào)道將濕敏材料石墨烯量子點(diǎn)（Graphene Quantum Dots，GQDs）聚乙烯醇填充到空芯毛細(xì)管的傳感器結(jié)構(gòu)，在13.47%RH～81.34 %RH范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了靈敏度為117.25 pm/%RH的濕度傳感，同時(shí)波長(zhǎng)漂移和濕度變化具有良好的線性關(guān)系。與基于其它原理的光纖濕度傳感器相比，基于法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Pérot Interferometer，F(xiàn)PI）的光纖濕度傳感器具有易于制作、可逆性好和可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，備受科研人員的關(guān)注。

現(xiàn)有的光纖傳感器多數(shù)采用石英光纖，由于普通單模光纖芯較脆弱且靈活性差，這就需要研究新型的材料和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)濕度檢測(cè)。與石英光纖相比，聚合物光纖（Polymer Optical Fiber，POF）因具有柔韌性好、低成本、導(dǎo)光能力強(qiáng)等特有的優(yōu)點(diǎn)而受到科研人員的青睞。近年來(lái)，POF已被應(yīng)用于溫濕度［11］、折射率［12］、液位［13］和生物［14］等傳感器研究。例如，2014年，英國(guó)阿斯頓大學(xué)［15］報(bào)道了一種基于POF的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）濕度傳感器，利用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）隨濕度的增加而體積膨脹的機(jī)理，以及FBG對(duì)膨脹應(yīng)力的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了濕度傳感。為了實(shí)現(xiàn)溫濕度同時(shí)測(cè)量，2019年，OLIVEIRA R等［16］提出一種雙光纖傳感器，該系統(tǒng)由紫外膠（NOA78）制成的F-P與微聚合物光纖（Microstructured Polymer Optical Fiber，mPOF）布拉格光柵相結(jié)合構(gòu)成，用來(lái)同時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫濕度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)溫度和濕度測(cè)量誤差分別低于0.2 ℃和0.2%RH。2021年，中北大學(xué)HU Y J等［17］設(shè)計(jì)了一種基于表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效應(yīng)和倏逝波損耗的mPOF濕度傳感器。利用磁控濺射法在mPOF表面得到50 nm的金層，再將濃度為0.5 %的瓊脂糖涂敷在金膜表面，從而產(chǎn)生金層-瓊脂糖層界面的SPR效應(yīng)。在濕度為20%～80%時(shí)，靈敏度為0.595 μW/%RH。對(duì)于絕大多數(shù)光纖濕度傳感器來(lái)說(shuō)，需要復(fù)雜的濕敏材料涂敷和微結(jié)構(gòu)制作，這增加了制作過(guò)程的成本和復(fù)雜性。因此，制作一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好以及可重復(fù)使用的濕度傳感器具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)并制備了一種基于PMMA微球與單模光纖復(fù)合的濕度傳感器。該傳感器是利用電烙鐵對(duì)PMMA聚合物光纖進(jìn)行加熱，在單模光纖端面形成一個(gè)PMMA微球，構(gòu)成FPI結(jié)構(gòu)。由于PMMA材料自身對(duì)濕度敏感，濕度的變化會(huì)導(dǎo)致FPI腔長(zhǎng)發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器的反射光譜，實(shí)現(xiàn)了濕度靈敏度為176.05 pm/%RH，線性度可達(dá)0.992 26的濕度傳感。所提出的傳感器具有制備容易、靈敏度高、穩(wěn)定性好和重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)、制作及濕度傳感原理

所設(shè)計(jì)的光纖濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意如圖1（a），該傳感器由SMF和熔融POF形成的PMMA微球構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中所使用的SMF是由長(zhǎng)飛公司生產(chǎn)，其包層直徑為125 μm，纖芯直徑為8.2 μm。POF是森沃光電科技有限公司生產(chǎn)的階躍型聚合物光纖，其芯層直徑為980 μm，折射率為1.49；包層直徑為20 μm，折射率為1.41。

圖 1 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sensor

由于聚合物光纖材料的熔點(diǎn)為70 ℃，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電烙鐵加熱至70 ℃左右時(shí)，非常容易將其加熱到熔融狀態(tài)。具體的流程制備為：首先，取一段SMF用剝纖鉗剝?nèi)ネ扛矊樱?jīng)酒精反復(fù)擦洗后，使用光纖切刀切割得到良好的光纖反射端面。處理好的SMF一端被固定在一定高度的平臺(tái)上，并將另一端連接到SM125解調(diào)儀用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反射光譜。然后，取長(zhǎng)度約為4 mm的POF用鑷子夾持，當(dāng)電烙鐵加熱溫度高達(dá)聚合物光纖熔點(diǎn)后，將其置于POF下1 cm處，使POF輕微附著在單模光纖上。最后，在POF周圍需要慢慢旋轉(zhuǎn)加熱源（即電烙鐵），以確保POF可以被均勻加熱。當(dāng)結(jié)構(gòu)冷卻后，使PMMA微球緊緊固定于單模光纖端面。需要注意的是，在加熱過(guò)程中，由于POF的熔融溫度范圍較小，所以通過(guò)加熱源的溫度以及光纖與加熱源的距離，控制好加熱的溫度，就可以很好地調(diào)節(jié)微球的形狀與尺寸，以及PMMA薄膜的長(zhǎng)度（即F-P腔長(zhǎng)）。實(shí)驗(yàn)中采用電烙鐵加熱法，相比酒精燈加熱法，電烙鐵能夠提供穩(wěn)定的加熱源，且安全系數(shù)高。經(jīng)過(guò)多次嘗試后，積累經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反射光譜，就可以提高制作的成功率。從而，在單模光纖端面上成功地熔融一個(gè)PMMA微球，光纖F-P傳感探頭結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖如圖1（b），F(xiàn)-P腔長(zhǎng)L為28.29 μm。

光在該傳感器結(jié)構(gòu)中的傳輸過(guò)程：當(dāng)一束光強(qiáng)為I1的光從單模光纖一端傳輸?shù)組1界面（SMF/PMMA）時(shí)，由于M1界面兩側(cè)折射率的不同而產(chǎn)生了菲涅爾反射，一部分光強(qiáng)為I2光束會(huì)被反射回SMF中，剩余部分的光（透射光強(qiáng)I3）繼續(xù)進(jìn)入到微球中。PMMA和空氣的交界面（M2）被看作第二個(gè)反射面，在M2界面也發(fā)生反射現(xiàn)象。于是，當(dāng)光強(qiáng)為I4的反射光又傳輸回M1界面時(shí)，一部分光（I6）重新透射到單模光纖纖芯，同時(shí)，一小部分光在FP腔內(nèi)有二次反射（I5）并且反射光強(qiáng)很低。因此，M1界面的反射光強(qiáng)I2和透射光強(qiáng)I6疊加產(chǎn)生雙光束干涉，從而形成法布里-珀羅干涉。

由光的干涉理論可知，干涉光的總光強(qiáng)可以表示為［18］

式中，I2和I6分別為兩束反射光的光強(qiáng)，φ0為初始相位，λ為工作波長(zhǎng)，n和L分別為F-P腔有效折射率和長(zhǎng)度。當(dāng)相位差滿足=2mπ（m為正整數(shù)）時(shí)，反射譜出現(xiàn)干涉峰，其波長(zhǎng)表示為

由式（1）和（2）可得，兩個(gè)相鄰波峰的波長(zhǎng)間隔即自由光譜范圍（Free Spectrum Range，F(xiàn)SR）為

當(dāng)外界濕度上升（或降低）時(shí)，PMMA吸收水分子發(fā)生體積膨脹（或收縮）。因此，F(xiàn)-P腔的腔長(zhǎng)發(fā)生改變，同時(shí)PMMA折射率增大，導(dǎo)致對(duì)光纖中傳輸?shù)墓獠ㄐ盘?hào)產(chǎn)生影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)濕度的感知。隨著濕度增加，折射率增大和PMMA長(zhǎng)度增長(zhǎng)，波谷向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)（即紅移），靈敏度可以表示為

根據(jù)式（4），可以看出傳感器靈敏度與腔長(zhǎng)L成反比。當(dāng)F-P腔長(zhǎng)越短時(shí)，傳感器靈敏度越高。即PMMA微球越小，傳感器的靈敏度越高。

2 濕度傳感響應(yīng)研究

實(shí)驗(yàn)中，采用解調(diào)儀（SM125，MOI，USA）作為輸入光源和解調(diào)裝置，入射光波波長(zhǎng)范圍為1 520～1 580 nm，分辨率為1 pm，將電腦和解調(diào)儀連接，用以觀察和記錄解調(diào)的反射光譜。傳感濕度測(cè)量系統(tǒng)裝置示意如圖2。

圖 2 傳感器濕度測(cè)量系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of the sensor humidity measurement system

傳感器置于密閉的濕度箱內(nèi)。記錄的室溫下傳感器的反射光譜如圖3（a），干涉光譜的對(duì)比度約為23.8 dBm，F(xiàn)SR約為29 nm。為進(jìn)一步分析干涉現(xiàn)象，對(duì)干涉譜進(jìn)行信號(hào)解調(diào)處理，通過(guò)快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）得到反射光譜的幅頻特性曲線。由光速公式v=cλ，可將干涉信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)換到頻率域，把自變量為光頻率v的干涉譜作FFT算法后，得到幅頻特性曲線［19］。在原光譜的空間頻譜中得到峰值處的光譜頻率。圖3（b）是其空間頻譜圖，相對(duì)應(yīng)FFT的主頻率為1/FSR=0.033 nm-1，由式（3）得到FSR的理論值約為28.50 nm，與實(shí)測(cè)光譜的FSR吻合。由圖可知，存在一個(gè)明顯的主峰和兩個(gè)次峰，這兩個(gè)次峰是主峰的頻率倍數(shù)，這說(shuō)明傳感器的干涉譜主要是由SMF/PMMA和PMMA/空氣界面反射光之間的干涉決定的。

圖 3 傳感器光譜Fig.3 The spectrum of sensors

3 傳感器溫濕度的響應(yīng)測(cè)試

3.1 傳感器濕度響應(yīng)測(cè)試

首先，對(duì)微球型傳感結(jié)構(gòu)的濕度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其中，濕度環(huán)境由密閉箱內(nèi)盛有水溶液的燒杯來(lái)提供，置于濕度箱的電子濕度計(jì)用來(lái)標(biāo)定相對(duì)濕度。實(shí)驗(yàn)中，控制濕度箱的溫度穩(wěn)定（溫度約為22.5 ℃），相對(duì)濕度從30%RH逐步上升到80%RH，每間隔10%RH記錄一次光譜數(shù)據(jù)，不同濕度的反射光譜如圖4（a）。隨著濕度增加，更多的水分子被PMMA微球吸收，導(dǎo)致其密度變高，折射率增大，從而導(dǎo)致波谷向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)（即紅移），當(dāng)相對(duì)濕度從30%RH變化到80%RH時(shí)，反射譜的紅移達(dá)到9.38 nm。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可得到相對(duì)濕度與反射譜波長(zhǎng)的擬合關(guān)系，如圖4（b），反射光譜波長(zhǎng)與濕度的變化呈線性關(guān)系，濕度靈敏度為176.05 pm/%RH，線性擬合度為0.992 26。

圖 4 傳感器濕度響應(yīng)Fig.4 Humidity response of sensor

圖 5 在30 ℃～65 ℃下波長(zhǎng)與溫度的擬合關(guān)系Fig.5 Linear fitting relationship between the temperature and wavelength when temperature ranges from 30 ℃ to 65 ℃

3.2 傳感器溫度響應(yīng)測(cè)試

對(duì)于光纖濕度傳感器，溫度串?dāng)_是必須要考慮的問(wèn)題。在溫度傳感實(shí)驗(yàn)研究中，將所制作的傳感器放入精度為1 ℃的溫度箱（NBD-M1200-10IC，NOBODY.China）中，溫度從30 ℃逐漸升至65 ℃，待溫箱的溫度穩(wěn)定后，每間隔5 ℃監(jiān)測(cè)一次反射譜，記錄了8組溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由于環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，PMMA材料的折射率和體積都會(huì)發(fā)生變化，從而引起反射光譜的波長(zhǎng)偏移，影響濕度傳感性能。在不同溫度下，傳感器的波長(zhǎng)與溫度的擬合關(guān)系如圖5。當(dāng)溫度為35 ℃～65 ℃時(shí)，傳感器的反射譜紅移約3.15 nm，傳感器的溫度靈敏度為105.07 pm/℃，線性擬合度為0.989 55。可以看出PMMA材料對(duì)溫度也敏感，在后續(xù)的研究中，通過(guò)在該傳感器中級(jí)聯(lián)FBG，解決該濕度傳感器的溫濕度交叉敏感的問(wèn)題。

4 傳感器穩(wěn)定性和重復(fù)性測(cè)試

4.1 傳感器穩(wěn)定性測(cè)試

為了衡量所制作傳感器的穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將濕度傳感器放置在溫度恒定（22.5 ℃）的密閉箱內(nèi)，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，分別選擇監(jiān)測(cè)了RH為33%和38%（低濕度環(huán)境）的反射譜，并持續(xù)監(jiān)測(cè)1 h。當(dāng)傳感器的反射光譜達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始記錄透射譜，此后間隔10 min記錄一次反射譜，總共記錄7組數(shù)據(jù)。圖6（a）為60 min內(nèi)傳感器的反射光譜圖，插圖為波谷處的局部放大圖。由實(shí)驗(yàn)圖可明顯地看出1 h內(nèi)濕度傳感器的反射光譜基本沒(méi)有變化。圖6（b）為隨時(shí)間的變化，相對(duì)濕度33%RH和38%RH下，傳感器反射譜的波谷功率和波長(zhǎng)的變化。從圖中看出，在60 min內(nèi)，隨著時(shí)間的流逝，不同濕度環(huán)境下波谷的漂移很小，性能十分穩(wěn)定，最大偏差分別為0.08 nm和0.09 nm。由此表明所提出的傳感器在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下可以保持良好的穩(wěn)定性。

圖 6 傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試Fig.6 Stability test of the sensor

4.2 傳感器重復(fù)性測(cè)試

進(jìn)一步研究了該傳感器的重復(fù)性。在三個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)下（實(shí)驗(yàn)溫度依次約為22.5 ℃、23.6 ℃和33.5 ℃），對(duì)所提出的傳感器進(jìn)行三次濕度測(cè)量的重復(fù)性測(cè)試，三次實(shí)驗(yàn)的線性擬合結(jié)果如圖7。三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中波長(zhǎng)漂移量存在較小偏差，靈敏度分別為176.05 pm/%RH、170.35 pm/%RH和173.68 pm/%RH，線性擬合度分別為0.992 26、0.991 69和0.992 05。實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差導(dǎo)致了濕度靈敏度的極小差值。三組數(shù)據(jù)靈敏度的平均值為173.36 pm/%RH，即所提出傳感器的靈敏度為173.36 pm/%RH。由此表明該傳感器在濕度測(cè)量中具有良好的可重復(fù)性。此外，環(huán)境溫度也影響濕度的測(cè)量，因此在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度的變化，盡量在溫度恒定下進(jìn)行濕度的測(cè)量。

圖 7 重復(fù)性測(cè)試Fig.7 Repeatability test of the sensor

表1為所設(shè)計(jì)的傳感器與其它類型光纖濕度傳感器的性能比較?？梢钥闯?，所設(shè)計(jì)的濕度傳感器在靈敏度、穩(wěn)定性以及線性度等方面都具有較好的表現(xiàn)，且表1中所列出的其它濕度傳感器大都涂敷或填充了濕敏材料。比如，文獻(xiàn)［25］的濕度靈敏度較高，并涂敷透明質(zhì)酸（Hyaluronic Acid，HA）/PVA復(fù)合膜。而本文所制作的傳感器實(shí)現(xiàn)了不需要任何涂敷濕敏材料的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)濕度傳感，不僅節(jié)約成本，而且降低了制作難度。因此，所提出的光纖濕度傳感器的綜合性能具有較大的優(yōu)勢(shì)。

表1 光纖濕度傳感器的性能比較Table 1 Performance comparison of the fiber-optic humidity sensors

5 結(jié)論

本文提出并制作了一種基于PMMA微球與單模光纖復(fù)合的濕度傳感器。該傳感器通過(guò)在單模光纖尖端熔融PMMA微球構(gòu)成F-P腔，形成光纖濕度傳感器。對(duì)該傳感器的濕度響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器在30%～80%濕度范圍內(nèi)，靈敏度達(dá)到176.05 pm/%RH，線性擬合度為0.992 26；在35 ℃～65 ℃溫度范圍內(nèi)，傳感器的溫度靈敏度為105.07 pm/℃，線性擬合度為0.989 55。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，不同環(huán)境濕度下，反射譜波長(zhǎng)漂移的最大偏差分別為0.08 nm和0.09 nm；重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，平均濕度靈敏度高達(dá)173.36 pm/%RH。所設(shè)計(jì)的濕度傳感器具有易于制作、無(wú)需鍍膜、低成本、靈敏度高、穩(wěn)定性好、可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。