光纤温湿度传感器功率响应与涂覆层厚度关系

袁　愿， 彭安娜， 邓焯泳， 冯金垣

(华南理工大学 物理与光电学院,广东 广州 510640)



光纤温湿度传感器功率响应与涂覆层厚度关系

袁愿， 彭安娜， 邓焯泳， 冯金垣

(华南理工大学 物理与光电学院,广东 广州 510640)

摘要:采用了一种基于光强度调制的双包层单模光纤温湿度传感器，对其结构特性和工作机理进行研究；根据光波导理论推导出了双包层光纤的模式场分布情况与特征方程；在传感器的制作过程中，对光纤的腐蚀工艺、温湿度敏感材料的选择、涂覆方法等作出实验分析。实验研究表明：敏感材料的涂覆厚度对传感器的光功率输出响应范围和线性度具有很大的影响，需要控制好涂覆层的厚度，以达到理想的光强调制深度和响应线性度。

关键词:双包层单模光纤传感器； 温湿度； 功率响应； 涂覆层厚度

0引言

光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种新型传感技术[1]。与传统电子传感器相比，光纤传感器拥有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、尺寸小、分布式测量等独特优点。随着工农业的发展和科学技术的进步，对温湿度光纤传感器的环境适应性和测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。虽然国外一些发达国家已经有实用化的光纤温度传感系统[2]，但成本很高，技术还不够成熟，目前还没有实用且低成本的、技术成熟的光纤温湿度传感系统。

本文对光强调制型的双包层光纤温湿度传感器制作工艺进行研究，对功率输出响应特性与涂覆层厚度关系进行实验分析，对制作出高精度的光纤温湿度传感器具有重大的意义[3]。

1双包层光纤传感器的工作机理

1.1双包层光纤传感器的结构特性

双包层光纤传感器的结构如图1所示。它是将单模阶跃光纤中某一段的原包层腐蚀到剩下一定厚度后，再在其外部涂覆上敏感材料，从而在传感段形成了双包层结构。其中，纤芯折射率为n1，内包层折射率为n2，外包层折射率为n3。腐蚀后的内包层是圆柱形的，从光波导理论[4]角度看，传感段相当于一个三层圆均匀光波导。外包层的敏感材料可以是温敏材料、湿敏材料等。光纤传感器利用光刻腐蚀和涂覆敏感材料的方法在光纤包层上直接形成的，涂覆段光纤不仅起光通道作用，而且作为敏感元件感知被测物理量(如温度、湿度等)。

1.2双包层光纤传感器的工作机理分析

光是电磁波，它具有电磁波的通性，因而光波导[2]问题仍然是以麦克斯韦方程作为理论基础的。对于二层圆均匀光波导的研究，国内外的研究都已经很多。而对于多层圆均匀光波导的研究，则相对较少，而且研究工作也更加复杂和困难。

图1　双包层光纤传感器的结构示意图Fig 1　Structure diagram of double cladding fiber sensor

双包层光纤传感段由芯层、内包层和外包层组成，其材料折射率径向分布如图2所示，可称为W型光纤，数学模型为

(1)

其中，r为径向矢量的模，a为单模光纤纤芯的半径，纤芯折射率为n1；b为内包层外半径，内包层折射率为n2；外包层是温敏或湿敏等敏感材料，其折射率为n3。

图2　双包层光纤上材料折射率沿径向的分布Fig 2　Distribution of refractive index of material of double cladding fiber along radial direction

求解双包层光纤内部的模式场分布最后归结于求解贝塞尔方程

(2)

其中，m=0,±1,±2,…；方程解在芯层中必须是有限，所以,只能取Jm函数；在最外层，由于必须保持r→∞时光场应该衰减到零的情况，因此,只能取Km函数。

对于如图2所示的双包层光纤(即n1>n3>n2)，当n3k0<β

(3)

当n2k0<β

(4)

当β

(5)

式中Jm和Nm为m阶贝塞尔函数，Im和Km为m阶变型贝塞尔函数，A0,A1,A2和A3为归一化系数，并定义了如下模式参量

(6)

(7)

(8)

(9)

定义两个归一化频率为

(10)

(11)

其他分量可根据模式场纵向分量与横向分量的关系式求出，即

(12)

在ε变化很小的情况下，hx，hz，ez在边界上均是连续的，所以,原本在边界上不连续的ey现在也连续了。因此，利用边界场分量在r=a和r=b处连续的条件就可求出特征方程，要求出A0，A1，A2，A3四个归一化系数只需要利用其中两个分量的连续条件。

根据标量场分量之间的关系

(13)

其中，ω 为工作频率，β为相移常数(或称传播常数)，ε为张量介电常数，对于弱导光纤，ε变化很小。本研究中的温湿度传感段，每层折射率变化不大，可看成是弱导光纤，ε可以看成是常数。

由此可得出模式场沿光纤所传输的总功率为

(14)

对光功率归一化，可推出待定系数A0。其中，Pcore,Pcl1,Pcl2分别为纤芯、内包层和外包层的功率分布，且

(15)

(16)

(17)

通过这样的方法便可求出传感段各层中的功率分布。

2光纤温湿传感器的制作工艺

本研究中所用的光纤是康宁SMF—28裸纤，纤芯直径为8.3μm，包层直径为125μm。双包层单模光纤温/湿度传感器的制作工艺过程如下[5～7]：

1)用光纤剥离钳机械地剥除原单模光纤一定长度的涂覆层，剥除长度为2cm，把去除部分涂覆层的光纤安装在塑料板上，用2片胶布固定。

2)把光纤和塑料板一起浸泡在装有浓度为5 %的HF溶液器皿中浸蚀，用光学显微镜监测光纤残余包层的厚度。

3)光纤包层被浸蚀到剩余想要的厚度后，用纯净水浸泡清洗2h，并烘干。

4)腐蚀后的光纤用胶带黏贴固定在一个U型基板上，使得传感段及其两端5mm长度范围内的光纤是悬空的。

5)用2条附加的光纤分别用胶带黏贴于传感段两侧并尽量靠近，每条附加光纤两端长度超过腐蚀区约2cm，用光纤钳去除其保护层，安装使得两条附加光纤在传感段两侧形成准闭合区间。图3是通过显微镜目镜拍摄的闭合区一端的照片。

6)涂覆敏感材料，利用液体的表面张力，可以将任何水溶胶涂覆在闭合区间上，从而在传感段上形成外包层。由于附加纤维直径小，使得所涂覆的大部分外包层的厚度都很薄，这将使传感器的响应速度很快。

图3　通过显微镜拍摄的腐蚀后的光纤一端的照片Fig 3　Photograph of one end of a etched fiber taken by microscope

本文中选择琼脂糖作为湿敏材料，用去离子水作溶剂，配制了浓度为0.37 %的水溶胶。外包层的厚度取决于涂敷材料浓度和涂敷次数。在完成外包层材料的涂覆后，将器件置于室内让其水分自然挥发24 h，使其含水量与室内空气湿度达到平衡。温度敏感材料涉及到两种热敏材料，道康宁公司的OE—4110 (Dow Corning Co.)和由两种聚合物混合的材料：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与聚偏氟乙烯(PVDF)。使用混合材料时，质量比是PMMA︰PVDF = 3︰2，溶剂是二甲基甲酰胺(DMF)。在完成外包层材料的涂覆后，让器件在约80 ℃电子加热器上放置10 h，使溶剂完全挥发。

3功率输出与涂覆层厚度关系实验

本实验在制作湿度传感器过程中，选用同一条光纤，其选用浓度为0.37 %的琼脂糖作为涂敷材料。

图4为分别涂覆2,5,10,20次时的功率输出响应曲线。可以看出:当涂覆次数不同时，传感器的功率损耗值也不同。另外，功率输出响应曲线的线性也随涂覆厚度的改变而改变，将图4中涂覆2次和10次时的功率输出响应进行比较，很明显看出涂覆2次和10次的响应曲线在30～100 %RH范围具有单调响应。

图4　涂覆不同次数时湿度传感器的光功率损耗Fig 4　Optical power loss of humidity sensor with different coating times

图5为当涂覆11次，随着温度的不断增长光功率也相对稳定减小，光功率变化范围约为-13～-3 dB。图6为当涂覆15次时，检测了2次的结果，2次结果相类似，光功率变化范围约为10～18 dB。可以看到涂覆的厚度不同，温度传感器的光功率损耗也不同。

4结论

本文研究的温湿度传感器采用双包层结构，外包层折射率的改变可以实现光强调制。在理论分析的基础上，对传感器的制作工艺进行了研究，包括光纤的腐蚀工艺、温/湿度敏感材料的选择、涂覆方法等。在传感器的制作过程中进一步发现，通过实验分析发现敏感材料的涂覆厚度对传感器的光功率输出响应范围和线性度都有很大的影响，因此，在制作传感器时需要控制好涂覆层的厚度，以达到理想的光强调制深度和响应线性度。

图5　涂覆11次时温度传感器的光功率损耗Fig 5　Optical power loss of temperature sensor with 11 times coating

图6　涂覆15次时温度传感器的光功率损耗Fig 6 Optical power loss of temperature sensor with 15 times coating

参考文献:

[1]胡玲.光纤温度传感器的研究与发展[J].科协论坛,2010(5):90.

[2]韩悦文,陈海燕,黄春雄.光纤技术在湿度传感器中的应用[J].光纤与光缆及其应用技术,2008(6):5-8.

[3]李雅娟,党亚固,费德君，等.光强调制型光纤湿度传感器评述[J].传感器与微系统,2009,28(7):5-8,11.

[4]吴重庆.光波导理论[M].2版.北京:清华大学出版社,2005，8-64.

[5]陆婷婷,秦明,黄庆安.一种新型MEMS温度传感器的设计[J].功能材料与器件学报,2008,14(1): 223-226.

[6]邓焯泳.光纤温/湿度传感系统的研究与应用[D].广州：华南理工大学，2013.

[7]Yeo T L,Sun T，Gratten K T V.Fiber-optic sensor technologies for humidity and moisture measurement[J].Sens and Actu A,2008,144(2):280-295.

袁愿 (1990- ),女,湖北孝感人，硕士研究生,助教,主要研究方向为光电子与光电技术。

Relationship between power response and thickness of coating layer of optical fiber temperature/humidity sensor

YUAN Yuan， PENG An-na， DENG Zhuo-yong， FENG Jin-yuan

(School of Physics and Optoelectronics,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract:A double cladding single-mode fiber temperature/humidity sensor based on light intensity modulation is adopted and its structure characteristics and working mechanism are studied.According to optical waveguide theory,mode field distribution and characteristic equation of double cladding fiber are deduced.Corrosion technology of optical fiber,choice of temperature/humidity sensitive material and coating methods are experimentally analyzed.It is found that coating thickness of sensitive materials has great influence on range and linearity of light power output response,so it needs to control thickness of coating layer,in order to achieve ideal modulation depth of light intensity and response linearity.

Key words:double cladding single-mode fiber sensor; temperature/humidity; power response; thickness of coating layer

作者简介:

中图分类号:TN 253

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)01—0011—03

收稿日期：2015—04—17

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0011—03