王勇能，沈常宇

(中國計量大學 光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018)

濕度監(jiān)控在航空航天、食品、化工、文物保存、電子電器等領域具有重要的作用。高性能的濕度傳感器必須具備以下優(yōu)點[1]：如濕度靈敏度盡可能要高，濕滯回差盡可能要小，響應時間盡可能要短，濕度量程能盡可能大，并擁有良好的穩(wěn)定性及使用壽命長等；同時還需要做到體積盡可能小、方便解調(diào)、便于安裝、線性好、不受環(huán)境因素影響等。

濕度傳感器可分傳統(tǒng)式、光纖式兩種，傳統(tǒng)式濕度傳感器又可以分為毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計、電量式濕度計[2-3]。同時，如果按照測量方法來區(qū)分，濕度傳感器又可以分為露點式、伸縮式、蒸發(fā)式和電式類(電子式、電阻式、電容式)共6種[4]。傳統(tǒng)濕度傳感器往往存在精度低、響應時間長、靈敏度不高等缺陷；同時，也易受環(huán)境影響，誤差大，不能在惡劣環(huán)境中使用或者使用壽命不長，且不能抗電磁干擾等問題。

光纖傳感器不受電磁信號干擾，而且具有占用空間小、靈敏度高、響應時間短、線性曲線好、濕滯特性好、便于形成集成網(wǎng)路，以及能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點，能很好滿足精密電子儀器環(huán)境監(jiān)測工作要求。近些年來，人們對于光纖濕度傳感器的研究逐步深入并取得很多的突破，主要可以分為兩大類：波長檢測型和光功率檢測型[5-6]。

波長檢測型濕度傳感器主要包括Fiber Bragg Grating(FBG)和長周期光纖光柵(LPG)濕度傳感器。它們都是通過濕敏材料吸濕后改變其折射率，從而引起光纖結構的改變或光纖包層與纖芯的折射率差，通過測量FBG或者LPG波長的漂移來得到對應濕度的變化。

光功率檢測型光纖濕度傳感器是通過檢測待測環(huán)境中濕度值變化引起光纖中傳輸光功率的變化來進行濕度檢測。相比波長檢測型，光功率檢測型光纖濕度傳感器具有不需要波長解調(diào)，且靈敏度高和成本低等優(yōu)勢?；诖?，本文設計了一款基于馬赫-曾德干涉型光纖濕度傳感器，采用明膠作為濕敏材料,在濕度范圍18.4%～83.4%內(nèi)，該光纖濕度傳感器的靈敏度可達0.124 nm/%RH。與現(xiàn)有的光纖濕度傳感器相比具有靈敏度高、線性好、制備方便、體積小等優(yōu)勢。

1 光纖錯位結構熔接

圖1給出了本文研究的馬赫-曾德干涉結構，由單模光纖錯位熔接而成。在垂直于光纖SMF1的軸方向，SMF2向下偏移2～3 μm，長度為3.0 cm。SMF2和SMF3也采用錯位熔接，沿SMF2垂軸方向，SMF3向上移動了2～3μm，最后形成如圖1所示三段式SMF的錯位結構。之后，在錯位結構處表面涂覆上明膠。

如圖1，對于SMF1、SMF2和SMF3的錯位結構，SMF1中傳輸?shù)睦w芯模式光的一部分會被耦合到SMF2的包層中，激發(fā)一部分包層模式光，纖芯模式光的剩余部分進入SMF2的纖芯。在通過SMF2后，SMF2的纖芯模式光和包層模式光的一部分回到SMF3的纖芯，從而形成了一種MZI系統(tǒng)[7]。

圖1 錯位馬赫-曾德干涉結構

2 濕敏材料明膠制備及鍍膜

目前已知的絕大部分光纖濕度傳感器實現(xiàn)濕度傳感都依賴于濕敏材料，濕敏材料的吸濕性、可循環(huán)使用能力、脫濕性都影響著光纖濕度傳感器的濕度特性，所以濕敏材料對于光纖濕度傳感器來說至關重要。

自從20世紀30年代美國Dunmore首創(chuàng)以PVA(聚乙烯醇)和LiCl混合物為感濕膜的電濕敏元件用以無線電探空儀[8]獲得成功，人們對于濕敏材料的研究不斷深入，涌現(xiàn)了大量新型濕敏材料，從而不斷推動光纖濕度傳感器的發(fā)展。發(fā)展至今，按照濕敏材料吸濕后影響傳感器傳輸光的方式、方面不同，我們主要將濕敏材料分為兩種。

第一種是濕敏材料吸濕后對光纖包層有效折射率產(chǎn)生影響。主要包括明膠(gelatin)、聚乙烯醇(PVA)[9]、殼聚糖[10]等。這類濕敏材料可以制成倏逝場光濕傳感器和干涉型光濕傳感器，該類濕敏材料的制備工藝很成熟，是當下的研究熱點[11-13]。

第二種是濕敏材料吸濕后膨脹從而對光纖傳感結構產(chǎn)生應力拉伸或彎曲。主要包括羧甲基纖維素、聚酰亞胺(PI)[14]等。

本文中制備了明膠作為濕敏材料，其吸濕后改變折射率從而影響馬赫-曾德干涉譜[15]，并且具有很高的凝膠性和吸濕性[16]。

明膠溶液制備過程[17]：首先用電子天平稱取5.0 g明膠固體顆粒(分析純度為98%)，然后將稱取的明膠放于干燥好的燒杯中，放入100 mL的去離子水，并用玻璃棒進行攪拌，初步溶解后將燒杯置于磁力攪拌器上進一步攪拌，將磁力攪拌器的溫度傳感頭浸于液面之下并避免與杯面和杯底接觸，攪拌溫度設為65 ℃，時間15 min，可得到均勻與顏色為乳黃色的明膠水溶液，質(zhì)量分數(shù)為5%。

鍍膜：采用涂覆法進行鍍膜，將光纖置于載玻片上固定，用膠頭滴管吸取適當明膠水溶液緩慢均勻地滴在馬赫-曾德干涉結構上。涂覆均勻后，將光纖旋轉180°再重復涂覆一次，使光纖一周涂覆有均勻的明膠溶液，烘干，完成鍍膜。

3 基于馬赫-曾德干涉的光纖濕度傳感器

馬赫-曾德干涉的光纖濕度傳感器系統(tǒng)測試平臺框圖如圖2，包括寬帶光源BBS、光譜分析儀OSA、濕度箱、吸濕裝置、增濕裝置、氣泵、夾子1、夾子2、橡膠軟管和光纖通道。所述濕度箱內(nèi)包括濕度計(濕度范圍0～99.9%)、錯位結構、載玻片，濕度計芯片盡可能與錯位結構靠近，錯位結構平穩(wěn)放置在載玻片上；所述吸濕裝置由橡膠塞、玻璃瓶、玻璃管、無水硅膠顆粒組成，與濕度箱、氣泵口1通過橡膠軟管連接，無水硅膠顆粒容量占整個玻璃瓶內(nèi)部空間的2/3左右；增濕裝置由2/3玻璃瓶體積的蒸餾水、玻璃管、玻璃瓶和橡膠塞組成，與濕度箱、氣泵口2通過橡膠軟管連接。所述出氣口能避免濕度箱內(nèi)氣壓過高的現(xiàn)象。

具體實施：測試開始前，我們將光纖連接線的各端用貼紙固定，然后用蘸有酒精的脫脂棉輕輕擦拭整段裸露的光纖(除開已經(jīng)鍍膜的傳感部位)。測試開始時寬帶光源發(fā)出范圍為1 520～1 592 nm的光，通過光纖通道傳輸經(jīng)過錯位結構發(fā)生M-Z干涉后的光信號被光譜分析儀接收；測量開始時，松開夾子1，夾緊夾子2，待到濕度箱內(nèi)濕度計顯示值達到最低時，開始記錄光譜儀諧振峰波形，然后松開夾子2，夾緊夾子1，濕度箱內(nèi)濕度值上升，通過濕度計上RH值每增加5%并穩(wěn)定時記錄一次波形數(shù)據(jù)直至最高濕度值附近停止記錄，匯總諧振峰波形曲線，完成測量。

由于濕度箱的體積過小，會有濕度跳變的現(xiàn)象，針對該問題，改進措施是嚴格控制氣泵口的氣流速度，同時觀察濕度計濕度變化快慢，當濕度計能穩(wěn)定在所需濕度值15s時，記錄該濕度下的波形數(shù)據(jù)。

圖2 測試平臺裝置圖

4 結果與討論

如圖3，該光纖濕度傳感器總譜線圖曲線表現(xiàn)良好，漂移現(xiàn)象不明顯。

圖3 干涉條紋隨濕度變化透射光譜圖

然后將細節(jié)放大進行靈敏度分析，如圖4。實際測量中，由于濕度箱大小、環(huán)境濕度值、氣泵最大氣流速度等的限制，實際濕度箱濕度范圍為17.1%～89.7%，在權衡過后選擇18.4%～83.4%的濕度范圍和1 537～1 552 nm波長區(qū)間進行靈敏度分析，繪制波形曲線如圖4。在不考慮邊緣噪聲等干擾的情況下，該光纖濕度傳感器能很好地實現(xiàn)濕度傳感(一些曲線不光滑是由于為了區(qū)分不同濕度值下的波形，按照不同虛實線和點集規(guī)則所畫，不是實驗測量時所造成的噪聲等)，只有少許的漂移。文中分別對損耗比-濕度和波長-濕度進行了線性擬合，即雙靈敏度測量：

圖4 波長1 545 nm隨濕度變化圖

在波長1 545 nm處進行損耗濕度擬合，擬合結果如圖5。線性方程為

(1)

說明濕度與透射損耗比具有很好的線性關系，從而也得出該光纖濕度傳感器的靈敏度為0.156 4 dB/%RH。

圖5 透射損耗比濕度擬合圖

其次，在損耗為-30 dB處(此情況下可以包含最多等梯度濕度值的測量結果，RH范圍為38.4%～73.4%)進行波長濕度擬合，如圖6，線性方程為：

(2)

說明濕度與波長線性關系也好，得出靈敏度則為0.124 nm/%RH相較于同類的光纖濕度傳感器，該濕度傳感器的靈敏度較高。

結論:該款光纖濕度傳感無論是在低濕度還是高濕度環(huán)境中都具有很好的線性，不存在濕度限制，能在很寬濕度范圍內(nèi)進行濕度感應傳感。

圖6 波長濕度擬合圖

5 結 語

本文設計了一款基于馬赫-曾德干涉的光纖濕度傳感器，適應當下光纖濕度傳感器研究熱點。在比較了眾多實現(xiàn)馬赫-曾德干涉結構和濕敏材料后，采用錯位結構并選擇了明膠作為該款光纖濕度傳感器的濕敏材料，在經(jīng)過試驗測量后，得到透射諧振峰波形曲線。通過分別對損耗比-濕度和波長-濕度進行線性擬合，得到了該款光纖濕度傳感器的靈敏度分別為0.124 nm/%RH和0.156 4 dB/%RH。通過查閱文獻，相較于當下已有的其他光纖濕度傳感器的靈敏度，該光纖濕度傳感器的靈敏度較高。

同時，相較于其他光纖濕度傳感器存在無法在高低濕度環(huán)境內(nèi)對濕度進行精確、穩(wěn)定測量的問題，本款光纖濕度傳感器可以實現(xiàn)在高低濕度環(huán)境內(nèi)對濕度進行精確、穩(wěn)定測量，同時具備靈敏度高、線性好、成本低、制備方便、體積小等優(yōu)點，具有較好的應用前景。