Page 24 - 网络电信2020年5月刊上

解 决 方 案

采用多模光纤级联布拉格光栅的温湿度传感器

刘欣，李金泽，孙浩
西安电子科技大学 物理与光电工程学院

摘要：为了设计一种结构简单能够同时测量温度和相对湿度的光纤传感器，制作了一种采用多模光纤串联
布拉格光栅结构的光纤温湿度传感器。首先将6mm的多模光纤与布拉格光栅连接，然后通过氢氟酸将多模光纤
的直径腐蚀到60μm，最后在多模光纤上涂覆一层羧甲基纤维素水凝胶膜。对所制作的光纤传感器进行温湿度
响应测试，实验结果表明，所设计的传感器湿度灵敏度为69.6pm/%相对湿度，温度灵敏度为15pm/℃。该传感
器对温湿度响应灵敏，可以作为一种结构简单紧凑的温湿度同时测量传感器广泛应用。
关键词：光纤传感器；相对湿度；温度；羧甲基纤维素；多模光纤; 布拉格光栅

温度和相对湿度（Relative humidity，RH）的监控和测量 传统的电学湿度传感器提高了三倍 [13] 。2019年陈等人设计了
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在工业生产、农业种植、医疗保健、环境保护 等领域起着非 一种采用琼脂糖水凝胶涂层的温湿度传感器，其湿度灵敏度为
常重要的作用。传统的电子温度和湿度传感器由于体积大、耐 0.314nm/%RH，温度灵敏度为5.37nm/℃ [14] 。众多的研究工作都
腐蚀性差、抗电磁干扰能力弱，因此在很多复杂的环境中的使 表明了水凝胶优异的湿度敏感性能。
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用会受到限制 。与传统的温湿度传感器相比，光纤传感器具 羧甲基纤维素是一种改性纤维素，易溶于水形成水凝胶，
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有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强 等优点， 具有良好的增稠、成膜、粘结、水分保持等特性 [15] 。其被广泛
适合在一些极端环境下使用，因此目前光纤温湿度传感器的应 的应用于制药、食品加工、纺织印染、造纸、石油天然气钻探
用越来越广泛。 等领域 [16] 。由于羧甲基纤维素具有良好的吸水性而且易于成
水凝胶是高分子聚合物以水为分散介质而形成的凝胶，其 膜，而目前羧甲基纤维素大部分用于制药、食品加工的领域，
在水中会形成交联的三维网状结构，能够迅速吸收和保持大量 因此笔者设计了一种采用羧甲基纤维素作为湿敏材料的光纤温
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的水分。常见的水凝胶有聚乙烯醇 、聚乙二醇 、聚甲基丙 湿度传感器。
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烯酸甲酯 、海藻酸盐 、壳聚糖 、琼脂糖 等。这些三维网 布拉格光栅光纤是使用一定的方法使光纤纤芯的折射率产
状结构的水凝胶往往含有大量亲水基团和疏水基团，亲水基团 生周期性的变化，形成永久性的空间相位光栅 [17] 。实际上就是
能够迅速吸收大量水分，而疏水基团则可以快速释放出水分， 在纤芯内产生了一个窄带滤波器或者反射镜。当一束光经过光
对水分变化非常敏感。 栅时，满足光栅条件的波长将会被反射回来，其余的波长的光
得益于水凝胶优异的湿敏性能，很多研究者将水凝胶作为 将透射过光栅继续传播。当光栅发生温度变化时会引起栅区的
湿敏材料用于光纤湿度传感器。2015年Zhang等人提出了一种 折射率变化，从而会使得光栅中心波长发生位移。由于普通的
基于裸露纤维并附着有水凝胶球的湿度传感器，并通过实验证 光纤布拉格光栅对湿度变化不敏感，因此可以由于光纤湿度传
明其灵敏度优于水凝胶涂层的传感器 [10] 。2017年Lopez-Torres 感器的温度校准。
等人采用层层自组装的方法的在光子晶体光纤上沉积了一层聚 笔者提出并设计了一种腐蚀多模光纤级联布拉格光栅结
丙烯胺盐酸盐/聚丙烯酸复合水凝胶膜，该湿度传感器灵敏达 构的温湿度传感器。首先使用氢氟酸将多模光纤腐蚀到直径
2.35nm/%RH [11] 。2018 年Luo等人设计了一种采用海藻酸钙水 60μm，然后在多模光纤上涂覆一层羧甲基纤维素膜，使得其
凝胶的光纤温湿度传感器，实验结果表明海藻酸钙水凝胶具有 能够对湿度有良好的响应。然后通过级联布拉格光栅实现对温
良好的温湿度响应特性 [12] 。2019年Buchberger采用化学气相 度的测量。通过对所制作的传感器进行温湿度响应测试，结果
沉积法制备了几百纳米厚的水凝胶膜，证明其湿度响应时间较 表明所制作的湿度器湿度灵敏度为69.6pm/%RH，温度灵敏度为

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