基于错位偏移无芯光纤的高灵敏度湿度传感器

刘 博，于 洋，常 伟，夏 凤

(1.沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110087；2.沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110043)

0 引言

高精度湿度的测量与监测在工业生产、生物医学、食品加工、化工生产等领域十分重要[1]。近年来，由于光纤光栅传感器具有体积小，易于实现分布式传感网络、灵敏度较高、耐极端环境和抗电磁干扰等优点，在湿度测量方面越来越受到学者的关注。光纤湿度传感器的实现有很多种，主要有光纤布拉格光栅结构[2-3]、光纤干涉仪结构[4]、D型光纤结构、开腔光纤结构[5]、锥形光纤结构等。在众多类型结构传感器结构中，马赫增德尔干涉传感器被广泛应用在高精度的参数检测中，比如温度传感、湿度传感[6]、应变传感和曲率传感[7-8]等参数测量。光在不同的光路中传播，产生光程差，形成干涉，其中一条光路受到外界物理量的影响产生扰动，称为测量光路，另外一条光路对外部环境变化不敏感，几乎不受影响，称为参考光路。因此，在马赫增德尔干涉(MZI)中用于分光和合光的器件是必须的[9]。早期报道的MZI干涉结构利用光纤耦合器作为分光和合光元件，使得测量路径和参考路径存在于不同的光纤中。然后，直列式光纤MZI由于其结构更简单、体积更小而迅速取代了具有2个分离臂的MZI。例如，在单模光纤(SMF)中利用2个拉丝锥作为分光束与合光束的元件，在同一个光纤中可以产生芯模和包层模之间的耦合。这种直列光纤MZI用于折射率(RI)测量和温度测量[10]。此外，一些文章中还采用其他方法在光纤中进行光束分离和耦合以形成MZI，例如长周期光纤光栅(LPFG)对[11-12]，横向偏移拼接[13-15]，以及采用飞秒激光制造的微型腔体[16]，塌陷光子晶体光纤(PCF)[17]，通过飞秒激光形成空腔[18]，插入两段短的薄芯光纤或多模光纤(MMF)[19-20]。与测量光在光纤传播的MZI相比，测量路径中的光通过被测材料传播的MZI对周围材料的RI变化更加敏感。因此，具有大侧向偏移或露天空腔的MZI对周围RI变化更敏感。例如，横向偏移为62.5 m的光纤传感器在气体检测中获得了超过3 402 nm/RIU的高灵敏度[15]，远高于其他类型MZI的RI灵敏度，但是由于错位光纤结构本身的错位结构特点，造成了传感器本身容易断裂，在不具有封装的情况下，在工程实用方面受到了一定的限制。

本文从理论与试验两方面研究了基于错位的偏移结构的无芯光纤MZI传感器。采用不同的错位偏移量以及不同长度的MZI光纤传感器测量湿度，湿度变化引起聚乙烯醇(polyvinyl achohol，PVA)涂覆层厚度的变化，从而引起测量路光程的折射率变化，通过对干涉谱的测量实现了传感器周围的湿度测量。该传感器具有结构简单、体积小、灵敏度高等优点。通过将光纤错位结构封装在PVA中，不仅实现了湿度的高灵敏度测量，还提高了传感器的机械强度，封装后的湿度传感器不仅具有更好的鲁棒性，而且在生物传感器中具有很好的监测前景。

1 传感器理论分析与结构制作

基于错位偏移的无芯光纤的MZI湿度传感器结构示意图如图1所示。这种结构中，两端单模光纤用于传输和接收光，单模光纤之间的传感结构由3段无芯光纤组成，3段无芯光纤分别错位熔接，第一段与引入单模光纤熔接没有错位，当光由单模光纤进入到无芯光纤时会产生扩散作用，产生多种传输模式。当光经过第一个错位结构处的时候，光路会分成2路。一路光在错位熔接的无芯光纤中传播，另一路在PVA涂覆层中传播，在错位光纤中传播的称为参考光路，在周围空气环境的PVA中传播的称为测量光路。经过传播后2路光在第二错位结构处又都进入到无芯光纤中耦合到一起，并且从引出光纤的单模光纤中输出。

图1 错位无芯光纤示意图

PVA具有良好的湿敏性、良好的粘附性和稳定性，已被广泛用作光纤湿度传感器中的传感膜[21]。本文选择聚乙烯醇(PVA)作为湿度传感器涂覆层，在错位部分涂覆。首先称取一定质量的PVA粉末和一定质量的去离子水(本次实验按照5%进行涂层实验，然后一起加入到干净的烧杯中进行混合，使用磁力搅拌器对混合溶液进行搅拌，加热温度设置为95 ℃，搅拌120 min后，PVA粉末完全溶解在去离子水中，形成透明液体，使用镀膜机经过涂层后的传感器放入到恒温箱中，温度设置为80 ℃，烘烤3 h，使PVA涂覆层中的水分完全蒸发，完成错位传感器PVA涂层的涂覆。

涂覆PVA前后的光谱图如图2所示。

图2 涂覆PVA前后的透射谱对比

图2中虚线为错位传感器在空气中的透射光谱，实线为涂覆PVA后的透射光谱。可以看出，包覆湿敏材料后透射光谱的能量降低，主峰位置有一定的漂移。涂覆湿敏材料PVA后，可以发现干涉模式出现高强度的主峰和干涉谷，具有更好的对比度。

在本文的结构中，由于2条光路存在光程差，耦合在一起产生干涉，测量光路通过周围环境，由于在错位结构表面独有PVA涂覆层，在湿度环境下，PVA薄膜吸收空气中的水分后膨胀变形改变了传感光路，而参考光路在无芯光纤中传播，所以光程基本没有改变。因此，周围湿度环境的改变导致传输光谱中的干扰波长发生明显偏移。采用具有更大模场面积的无芯光纤代替单模光纤作为2路光程耦合部分接收传感部分的光功率，可以有效降低传感器的插入损耗。根据MZI结构的传感原理，输出的光信号可以表示为

(1)

式中：I1,I2为2路光路的功率强度；λ为光波长；nco为光纤的折射率；ns为周围环境的折射率；L为错位结构中间段的长度；φ0为干涉的初始相位。

当错位结构干涉满足式(2)时，可以得到最小的光输出信号。

(2)

式中：m为整数；λm为在透射谱中第m个序列倾角的干涉波长，干涉波长是从透射光谱中的最低点提取的波长值。

从式(2)可以看出，第m个干涉波长对于周围环境的折射率是敏感的。为了满足内部反射条件，支持光纤模式，周围环境的折射率应该比无芯光纤的折射率小一些。根据式(2)，在透射谱中干涉波长较小的倾角对应了较大的干涉阶数。折射率系数Sn如式(3)定义。

(3)

可以推导出，当周围材料的折射率接近无芯光纤的折射率或干涉波长位于较高波长时，灵敏度会增加。

第m与第m+1个干涉波长之间的关系可以表示为

(4)

对于PVA来说，折射率与相对湿度的关系如图3所示[22]。

图3 PVA折射率与相对湿度关系

PVA折射率随着环境湿度的改变而变化，假设干涉波长设置为1 550 nm，PVA的折射率为1.35，无芯光纤的折射率为1.45，那么理论上可以根据式(3)计算出折射率灵敏度为-15 500 nm/RIU，根据传感理论，由式(2)，对应于不同m值的多个波谷可以在透视光谱中共存。当利用干涉波长的改变来检测折射率的变化，对于得到干涉波长值来说，太多或者太少的波谷没有任何作用。本文选择一个干涉谷作为检测对象。

错位结构光纤传感器的制作使用熔接机(FITEL S179)完成熔接。2段单模光纤(8 μm/125 μm)用剥线钳剥去涂覆层，然后用酒精擦拭干净，防止涂覆层有机物在熔接放电过程中增加光纤熔接的损耗，使用光纤切割刀(S326)切割平整，保持端面的平整度，这2段单模光纤作为传感器的接入端和输出端。另取3段无芯光纤(包层直径为125 μm)，去除涂覆层后使用酒精擦拭干净，取其中2段分别与单模光纤进行熔接，无芯光纤长度约为200 μm。在制作错位结构之前需要调整熔接机为手动模式，定位X坐标为横坐标，使光纤在横坐标轴上为一条直线，然后调整纵坐标方向上移60 μm，在光纤熔接时保持2个横向偏移方向相同尤其重要，可以通过熔接机的摄像头调整偏移方向，这样可以获得良好对比度的干涉光谱。在折射率测量期间，错位无芯光纤的传感结构固定在玻璃片上，这样可以保证在测量期间结构的稳定性。传感器制作实物如图4所示。

图4 错位光纤传感器实物图

2 实验与结果分析

本文中使用的无芯光纤的直径为125 μm，折射率为1.45，采用精度为10 μm的高精度平移台来控制每段无芯光纤的切割长度。首先制作具有不同长度的无芯光纤错位结构传感器，并测试了相应的RI灵敏度特性。实验中采用Si155光纤解调仪作为光源和光谱分析仪器，解调仪通过网线与电脑连接，光谱数据图像实时显示在电脑端，通过在线监测光谱变化，可以有效地提高传感结构的精度，偏移量可以根据光谱效应进行实时调整，最终得到较为理想的传感结构。传感器结构熔接完成后，偏移错位部分涂上聚乙烯醇(PVA)，传感光路的光在PVA中传播，传感器在湿润环境中吸收空气中的水分而膨胀变形，这样改变了PVA的折射率，从而间接得到环境的湿度变化。首先制作不同浓度的氯化钠饱和溶液进行折射率的测量和标定，溶液的折射率用阿贝折射率测量仪测量。

本文制作了2种光纤错位结构，L分别为200 μm和400 μm，错位结构可以通过光学显微镜观察。此外，接入和输出部分的无芯光纤长度为200 μm，无芯光纤错位为60 μm。制作的2种传感结构分别放在湿度调节箱中，得到不同环境折射率(RI)下的透射谱如图5所示。

(a)无芯光纤长度为200 μm时的透射光谱

可以看出，通过增加错位无芯光纤的长度L可以降低光谱的FSR，与式(4)的计算相吻合。理论上，对比度主要跟参考光路和测量光路之间的光功率有关。实验中，无芯光纤的折射率为1.45，在湿度测量中，首先把湿度测量转换为传感光路的折射率测量，所以测量光路中RI的变化，即可间接得到湿度的变化。由于在传感结构中，错位的位置镀有一层PVA材料，利用氯化钠溶液对传感器进行折射率测量，对错位无芯光纤长度为200 μm的传感器进行数据拟合，如图6所示。从图6可以看出，基于错位的光纤传感器的灵敏度达到-77.428 4 nm/RIU，相比熔锥型光纤湿度传感器[10]，在折射率1.333～1.363范围内，错位光纤湿度传感器灵敏度高出熔锥型光纤湿度传感器3倍。

图6 折射率灵敏度拟合图

为了验证错位光纤传感器的湿度传感特性，本文搭建了如图7所示的湿度测量实验系统。湿度测量实验系统由光纤解调仪(Si155)、标准湿度传感器以及恒温恒湿箱组成，解调仪波长带宽为80 nm，为了在光谱范围内能确保有一个完整的干涉谷，通过式(4)选取合适的值。可以看出，光谱范围与错位部分的长度L和折射率差有关。在实验中，无芯光纤的折射率为1.45，通常PVA的折射率约为1.49，PVA折射率的变化是由聚乙烯醇溶液的浓度决定的，把传感器放在恒温恒湿箱中，湿度升高时，PVA敏感膜中的水分会增加，引起聚乙烯醇分子链的膨胀与密度的减小，从而导致敏感层折射率的下降。在空间中相对湿度为35%～95%的折射率范围为1.352 3～1.437 2。考虑透射光谱的对比度，对于错位结构的偏移，选择60 μm的错位距离，长度为200 μm的错位光纤传感器作为环境湿度实验传感器。

图7 光纤错位传感器湿度测试实验装置图

错位光纤湿度传感器放入恒温恒湿箱中，箱内温度设置为30 ℃，相对湿度从35%至95%，步进为15%分别测量。每次测量在湿度调节10 min后记录光谱，确保实验测量数据的稳定性和准确性。实验记录传感器光谱图如图8所示。

图8 错位光纤传感器透射光谱图

对图8中数据进行拟合得到灵敏度拟合如图9所示。错位光纤传感器在相对湿度30%～95%的范围内，传感器的灵敏度为-10.946 67 nm，线性拟合度为0.990 75，线性度良好。根据PVA在湿度范围30%～95%时候的折射率变化约为0.085 RIU，计算得到传感器的灵敏度为77.412 nm/RIU,与上面折射率实验相符。

图9 湿度灵敏度拟合图

对错位光纤传感器进行稳定性实验，设置相对湿度以15%的步长从35%上升到95%，然后下降，每个相对湿度保持2 h，温度保持在 30 ℃，相对湿度稳定约 1.5 h后记录数据，实验数据如图10所示。

图10 无芯光纤传感器与相对湿度的稳定性结果

对测量数据进行拟合，湿度上升时，拟合曲线为Y2=-10.946 67X2+1 552.907 33，拟合度为R2=0.990 75；湿度下降过程中的数据拟合曲线为Y1=-10.832X1+1 552.969 6，拟合度为R2=0.987 17。拟合曲线差别不大，说明传感器的一致性较好。

通过对传感器的稳定性进行研究，分析在相对湿度为50%、65%、80%时，在90 min内记录10次干涉光谱数据，证明本文所制备的传感器的稳定性。结果如图11所示，可以看到传感器表现出良好的稳定性，图中光谱数据的微小波动，是由于解调仪(Si155)的波长测量精度所引起的，Si155在5 kHz的解调频率下波长精度为2 pm，所以在光谱数据记录过程中会出现微小的波动。在3个不同的相对湿度下，波长值相对稳定，最大偏差在±0.3 nm以内。

图11 不同相对湿度下的时间稳定性测量

3 结束语

本文从理论方面研究了基于错位偏移结构的无芯光纤湿度传感器的传感原理，并实验验证了光纤传感器的特性，文中制备的无芯错位传感器折射率的灵敏度可高达77.482 5 nm/RIU，比熔锥型光纤结构的灵敏度高3倍。在无芯光纤错位部分涂覆PVA薄膜进行湿度测量，带有PVA镀膜的光纤传感器具有很好的鲁棒性，而且提高了传感器的机械强度。实验结果表明：在35%～95%相对湿度范围内，传感灵敏度为10.946 67 nm。该错位结构湿度传感器具有结构简单、制造成本低、稳定性好等优点，在工程应用中具有潜在应用价值。