基于马赫-曾德干涉的光纤湿度传感器

王勇能，沈常宇

(中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)

湿度监控在航空航天、食品、化工、文物保存、电子电器等领域具有重要的作用。高性能的湿度传感器必须具备以下优点[1]：如湿度灵敏度尽可能要高，湿滞回差尽可能要小，响应时间尽可能要短，湿度量程能尽可能大，并拥有良好的稳定性及使用寿命长等；同时还需要做到体积尽可能小、方便解调、便于安装、线性好、不受环境因素影响等。

湿度传感器可分传统式、光纤式两种，传统式湿度传感器又可以分为毛发湿度计、干湿球湿度计、电量式湿度计[2-3]。同时，如果按照测量方法来区分，湿度传感器又可以分为露点式、伸缩式、蒸发式和电式类(电子式、电阻式、电容式)共6种[4]。传统湿度传感器往往存在精度低、响应时间长、灵敏度不高等缺陷；同时，也易受环境影响，误差大，不能在恶劣环境中使用或者使用寿命不长，且不能抗电磁干扰等问题。

光纤传感器不受电磁信号干扰，而且具有占用空间小、灵敏度高、响应时间短、线性曲线好、湿滞特性好、便于形成集成网路，以及能在恶劣环境下工作等优点，能很好满足精密电子仪器环境监测工作要求。近些年来，人们对于光纤湿度传感器的研究逐步深入并取得很多的突破，主要可以分为两大类：波长检测型和光功率检测型[5-6]。

波长检测型湿度传感器主要包括Fiber Bragg Grating(FBG)和长周期光纤光栅(LPG)湿度传感器。它们都是通过湿敏材料吸湿后改变其折射率，从而引起光纤结构的改变或光纤包层与纤芯的折射率差，通过测量FBG或者LPG波长的漂移来得到对应湿度的变化。

光功率检测型光纤湿度传感器是通过检测待测环境中湿度值变化引起光纤中传输光功率的变化来进行湿度检测。相比波长检测型，光功率检测型光纤湿度传感器具有不需要波长解调，且灵敏度高和成本低等优势。基于此，本文设计了一款基于马赫-曾德干涉型光纤湿度传感器，采用明胶作为湿敏材料,在湿度范围18.4%～83.4%内，该光纤湿度传感器的灵敏度可达0.124 nm/%RH。与现有的光纤湿度传感器相比具有灵敏度高、线性好、制备方便、体积小等优势。

1 光纤错位结构熔接

图1给出了本文研究的马赫-曾德干涉结构，由单模光纤错位熔接而成。在垂直于光纤SMF1的轴方向，SMF2向下偏移2～3 μm，长度为3.0 cm。SMF2和SMF3也采用错位熔接，沿SMF2垂轴方向，SMF3向上移动了2～3μm，最后形成如图1所示三段式SMF的错位结构。之后，在错位结构处表面涂覆上明胶。

如图1，对于SMF1、SMF2和SMF3的错位结构，SMF1中传输的纤芯模式光的一部分会被耦合到SMF2的包层中，激发一部分包层模式光，纤芯模式光的剩余部分进入SMF2的纤芯。在通过SMF2后，SMF2的纤芯模式光和包层模式光的一部分回到SMF3的纤芯，从而形成了一种MZI系统[7]。

图1 错位马赫-曾德干涉结构

2 湿敏材料明胶制备及镀膜

目前已知的绝大部分光纤湿度传感器实现湿度传感都依赖于湿敏材料，湿敏材料的吸湿性、可循环使用能力、脱湿性都影响着光纤湿度传感器的湿度特性，所以湿敏材料对于光纤湿度传感器来说至关重要。

自从20世纪30年代美国Dunmore首创以PVA(聚乙烯醇)和LiCl混合物为感湿膜的电湿敏元件用以无线电探空仪[8]获得成功，人们对于湿敏材料的研究不断深入，涌现了大量新型湿敏材料，从而不断推动光纤湿度传感器的发展。发展至今，按照湿敏材料吸湿后影响传感器传输光的方式、方面不同，我们主要将湿敏材料分为两种。

第一种是湿敏材料吸湿后对光纤包层有效折射率产生影响。主要包括明胶(gelatin)、聚乙烯醇(PVA)[9]、壳聚糖[10]等。这类湿敏材料可以制成倏逝场光湿传感器和干涉型光湿传感器，该类湿敏材料的制备工艺很成熟，是当下的研究热点[11-13]。

第二种是湿敏材料吸湿后膨胀从而对光纤传感结构产生应力拉伸或弯曲。主要包括羧甲基纤维素、聚酰亚胺(PI)[14]等。

本文中制备了明胶作为湿敏材料，其吸湿后改变折射率从而影响马赫-曾德干涉谱[15]，并且具有很高的凝胶性和吸湿性[16]。

明胶溶液制备过程[17]：首先用电子天平称取5.0 g明胶固体颗粒(分析纯度为98%)，然后将称取的明胶放于干燥好的烧杯中，放入100 mL的去离子水，并用玻璃棒进行搅拌，初步溶解后将烧杯置于磁力搅拌器上进一步搅拌，将磁力搅拌器的温度传感头浸于液面之下并避免与杯面和杯底接触，搅拌温度设为65 ℃，时间15 min，可得到均匀与颜色为乳黄色的明胶水溶液，质量分数为5%。

镀膜：采用涂覆法进行镀膜，将光纤置于载玻片上固定，用胶头滴管吸取适当明胶水溶液缓慢均匀地滴在马赫-曾德干涉结构上。涂覆均匀后，将光纤旋转180°再重复涂覆一次，使光纤一周涂覆有均匀的明胶溶液，烘干，完成镀膜。

3 基于马赫-曾德干涉的光纤湿度传感器

马赫-曾德干涉的光纤湿度传感器系统测试平台框图如图2，包括宽带光源BBS、光谱分析仪OSA、湿度箱、吸湿装置、增湿装置、气泵、夹子1、夹子2、橡胶软管和光纤通道。所述湿度箱内包括湿度计(湿度范围0～99.9%)、错位结构、载玻片，湿度计芯片尽可能与错位结构靠近，错位结构平稳放置在载玻片上；所述吸湿装置由橡胶塞、玻璃瓶、玻璃管、无水硅胶颗粒组成，与湿度箱、气泵口1通过橡胶软管连接，无水硅胶颗粒容量占整个玻璃瓶内部空间的2/3左右；增湿装置由2/3玻璃瓶体积的蒸馏水、玻璃管、玻璃瓶和橡胶塞组成，与湿度箱、气泵口2通过橡胶软管连接。所述出气口能避免湿度箱内气压过高的现象。

具体实施：测试开始前，我们将光纤连接线的各端用贴纸固定，然后用蘸有酒精的脱脂棉轻轻擦拭整段裸露的光纤(除开已经镀膜的传感部位)。测试开始时宽带光源发出范围为1 520～1 592 nm的光，通过光纤通道传输经过错位结构发生M-Z干涉后的光信号被光谱分析仪接收；测量开始时，松开夹子1，夹紧夹子2，待到湿度箱内湿度计显示值达到最低时，开始记录光谱仪谐振峰波形，然后松开夹子2，夹紧夹子1，湿度箱内湿度值上升，通过湿度计上RH值每增加5%并稳定时记录一次波形数据直至最高湿度值附近停止记录，汇总谐振峰波形曲线，完成测量。

由于湿度箱的体积过小，会有湿度跳变的现象，针对该问题，改进措施是严格控制气泵口的气流速度，同时观察湿度计湿度变化快慢，当湿度计能稳定在所需湿度值15s时，记录该湿度下的波形数据。

图2 测试平台装置图

4 结果与讨论

如图3，该光纤湿度传感器总谱线图曲线表现良好，漂移现象不明显。

图3 干涉条纹随湿度变化透射光谱图

然后将细节放大进行灵敏度分析，如图4。实际测量中，由于湿度箱大小、环境湿度值、气泵最大气流速度等的限制，实际湿度箱湿度范围为17.1%～89.7%，在权衡过后选择18.4%～83.4%的湿度范围和1 537～1 552 nm波长区间进行灵敏度分析，绘制波形曲线如图4。在不考虑边缘噪声等干扰的情况下，该光纤湿度传感器能很好地实现湿度传感(一些曲线不光滑是由于为了区分不同湿度值下的波形，按照不同虚实线和点集规则所画，不是实验测量时所造成的噪声等)，只有少许的漂移。文中分别对损耗比-湿度和波长-湿度进行了线性拟合，即双灵敏度测量：

图4 波长1 545 nm随湿度变化图

在波长1 545 nm处进行损耗湿度拟合，拟合结果如图5。线性方程为

(1)

说明湿度与透射损耗比具有很好的线性关系，从而也得出该光纤湿度传感器的灵敏度为0.156 4 dB/%RH。

图5 透射损耗比湿度拟合图

其次，在损耗为-30 dB处(此情况下可以包含最多等梯度湿度值的测量结果，RH范围为38.4%～73.4%)进行波长湿度拟合，如图6，线性方程为：

(2)

说明湿度与波长线性关系也好，得出灵敏度则为0.124 nm/%RH相较于同类的光纤湿度传感器，该湿度传感器的灵敏度较高。

结论:该款光纤湿度传感无论是在低湿度还是高湿度环境中都具有很好的线性，不存在湿度限制，能在很宽湿度范围内进行湿度感应传感。

图6 波长湿度拟合图

5 结 语

本文设计了一款基于马赫-曾德干涉的光纤湿度传感器，适应当下光纤湿度传感器研究热点。在比较了众多实现马赫-曾德干涉结构和湿敏材料后，采用错位结构并选择了明胶作为该款光纤湿度传感器的湿敏材料，在经过试验测量后，得到透射谐振峰波形曲线。通过分别对损耗比-湿度和波长-湿度进行线性拟合，得到了该款光纤湿度传感器的灵敏度分别为0.124 nm/%RH和0.156 4 dB/%RH。通过查阅文献，相较于当下已有的其他光纤湿度传感器的灵敏度，该光纤湿度传感器的灵敏度较高。

同时，相较于其他光纤湿度传感器存在无法在高低湿度环境内对湿度进行精确、稳定测量的问题，本款光纤湿度传感器可以实现在高低湿度环境内对湿度进行精确、稳定测量，同时具备灵敏度高、线性好、成本低、制备方便、体积小等优点，具有较好的应用前景。