基于細(xì)芯光纖與雙球結(jié)構(gòu)的溫度濕度傳感器*

石小雨， 陳 寧， 魯志琪， 陶武強(qiáng)， 彭 敏， 劉昌寧

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002)

0 引 言

隨著信息化不斷滲透到生活的各個方面，對信息采集的穩(wěn)定度和精度提出了更高的要求，研究新型的光纖傳感器，吻合時代發(fā)展的主題。越來越多的科研工作者研究干涉型光纖傳感器，并把研究成果應(yīng)用于航天、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、通信等諸多領(lǐng)域[1～7]，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和突出成績。其中有一部分人提出了基于細(xì)芯光纖(thin core fiber,TCF)的研究，細(xì)芯光纖因其具有較小的纖芯直徑，當(dāng)光功率在光纖中傳播時，受約束的范圍更小，令其對于外界環(huán)境參量的變化更加敏感。正是由于這一特性，讓細(xì)芯光纖在光纖傳感領(lǐng)域得到了比較廣泛的研究[8～13]。近年來，對于細(xì)芯光纖的主要研究方向是將細(xì)芯光纖與各種結(jié)構(gòu)連接起來制成具有不同功能的光纖傳感器，用于測量溫度、折射率、拉力等參數(shù)[14,15]，取得了許多重要成果并應(yīng)用于工程實踐上。為了提高細(xì)芯光纖傳感器結(jié)構(gòu)的性能，可以在器件表面涂一層濕敏薄膜材料來提高結(jié)構(gòu)的濕度靈敏度[16～19]。

本文選取價格比較便宜、鍍膜步驟簡單的聚酰亞胺(polyimide,PI)膜涂覆在細(xì)芯光纖上，可以用來制作溫度和濕度同時測量的多參量光纖傳感器。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)制作

1)傳感器的拼接過程：截取兩段單模光纖(single mode fiber,SMF)，它采用標(biāo)準(zhǔn)的SMF(武漢長飛光纖光纜有限公司生產(chǎn)，纖芯直徑為9 μm，包層直徑為125 μm)制作。將SMF的任意一端剝掉涂覆層，后用丙酮溶液擦拭清潔已剝涂覆層部位，并用光纖切割刀將已剝掉涂覆層的斷面切平，用同樣的方法再將一段3.4 cm長的細(xì)芯光纖兩端面切平。接下來兩根SMF經(jīng)過大芯徑多功能光纖熔接機(jī)(型號為FSM—100P+，日本藤倉公司制造)的燒球模式分別在SMF的一端燒至直徑為300 μm的球型，然后在兩球之間拼接一段長度為3.4 cm的細(xì)芯光纖。

2)傳感器的拉錐過程：如圖1所示，該過程仍然使用大芯徑多功能光纖熔接機(jī)，通過該熔接機(jī)的拉錐模式，使傳感器中心部分的細(xì)芯光纖置于熔接機(jī)的中心，設(shè)置好拉錐參數(shù)，選擇分步拉錐模式，放電量分別為120，100，80 bit，每次放電時間均為1 500 ms，最細(xì)部分拉錐至80 μm。

圖1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)

3)傳感器的鍍膜過程：將拉錐好的結(jié)構(gòu)用丙酮清洗拉錐部分的表面，后將拉錐部分浸入粘合劑中靜置5 min，以增強(qiáng)聚合物表面的附著力。粘合劑干燥之后，傳感器準(zhǔn)備進(jìn)行PI層涂覆，將拉錐部分浸入PI溶液中，通過設(shè)置步進(jìn)電機(jī)以10 μm/s的速率拉出，然后將傳感器置于干燥箱中，將烤箱的溫度增加到80 ℃，干燥30 min。重復(fù)此步驟多次，直至在顯微鏡下可以觀察到明顯的PI膜，在沉積的最后一次干燥時，需在150 ℃的烤箱中固化2.5 h。至此傳感器的制作過程完成。

如圖2所示，在50x/0.8奧林巴斯顯微鏡下觀察細(xì)芯光纖鍍膜前后的變化，可以看出，拉錐后的細(xì)芯光纖鍍膜前的直徑為80.15 μm，鍍膜后的直徑為84.15 μm，可知膜厚僅為2 μm。

圖2 鍍膜前(左)與鍍膜后(右)

1.2 傳感原理分析

入射光通過單模光纖進(jìn)入左端的球形結(jié)構(gòu)，由球形結(jié)構(gòu)的耦合作用，一部分光進(jìn)入細(xì)芯光纖的纖芯，另外一部分耦合進(jìn)入包層，分別激發(fā)出細(xì)芯光纖的纖芯模式與包層模式，這兩種模式傳輸?shù)接叶说那蛐谓Y(jié)構(gòu)時耦合回SMF的纖芯。由于傳輸路徑不同，纖芯模式和包層模式之間存在相位差，從而形成干涉。

該干涉是基于馬赫—曾爾德(Mach-Zehnder,M-Z) 干涉理論。纖芯模式與包層模式的相位差表達(dá)式為

式中L為干涉長度，λ為真空中的波長，Δneff=nco-ncl為纖芯與包層有效折射率的差，nco為纖芯有效折射率，ncl為包層有效折射率，nex為外界折射率。干涉時光的光強(qiáng)表達(dá)式為

式中I1與I2分別為細(xì)芯光纖的纖芯模和包層模的光強(qiáng)。當(dāng)φ=(2m+1)π(m取正整數(shù))時，干涉光強(qiáng)達(dá)最小值，出現(xiàn)干涉谷。由相位差表達(dá)式得波谷的波長為

當(dāng)溫度或濕度發(fā)生變化時，纖芯與包層有效折射率之差與干涉長度L會發(fā)生變化，從而引起譜線的漂移，該傳感器從理論上可以實現(xiàn)對溫度和濕度的傳感。

1.3 傳感器的光譜

圖3為傳感器的原始透射譜，從圖中選出兩個穩(wěn)定且間隔距離較大的諧振峰波谷1和波峰2作對比，其中,波谷1位于1 385 nm處，諧振峰波谷強(qiáng)度為-32.04 dB。波峰2位于1 562 nm處，強(qiáng)度為27.66 dB, 在通信波段1 550附近，具有實用價值。

圖3 傳感器透射譜初始圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 濕度實驗

將傳感器兩端的SMF分別連接到光譜分析儀(OSA)和寬帶光源(BBS),其中OSA為日本橫河公司所生產(chǎn)的AQ6370D，測量范圍為600～1 700 nm，精度為±0.01 nm，分辨率為0.05，BBS為自發(fā)輻射光源，其發(fā)光光譜范圍為1 250～1 650 nm的光。濕度實驗范圍為40 %～70 %RH，從40 %RH開始，每隔5 %RH記錄一次傳感器的透射譜。

如圖4分別為Dip1和Dip2隨濕度變化漂移圖，保持箱內(nèi)溫度恒為25 ℃時，濕度逐漸上升的過程中，傳感器的透射譜發(fā)現(xiàn)藍(lán)移，考察Dip1和Dip2中心波長和環(huán)境濕度變化關(guān)系，可得外界濕度變化與中心波長有一定的線性關(guān)系。

圖4 傳感器Dip1和Dip2隨濕度變換漂移

如圖5為傳感器Dip1和Dip2中心波長隨外界濕度變化的擬合圖。由圖可知，Dip1點的濕度靈敏度為34.71 pm/%RH，Dip2點的濕度靈敏度為45.71 pm/%RH。且Dip1和Dip2的擬合線性度較高，分別為0.977 5和0.966 6。

圖5 傳感器透射譜Dip1和Dip2中心波長隨濕度變化擬合

2.2 溫度實驗

測量開始前保持箱內(nèi)濕度恒為40 %RH，設(shè)定溫控箱內(nèi)的初始溫度為30 ℃，溫度范圍為30～100 ℃，溫度增量為10 ℃。

如圖6為傳感器Dip1,Dip2中心波長隨溫度變化的漂移圖。實驗過程中所使用的溫度爐為合肥科晶生產(chǎn)的高溫精密可控溫度爐(型號為OTF—1200X)，實驗前將傳感器穿過高溫爐中的玻璃管中，將結(jié)構(gòu)置于玻璃管中心處，入射SMF接BBS，出射SMF接OSA，形成透射光路。溫度實驗范圍為30～70 ℃，實驗結(jié)果證明傳感器在30～70 ℃的低溫環(huán)境中，Dip1和Dip2中心波長會出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象。

圖6 傳感器Dip1和Dip2中心波長隨溫度變化漂移圖

如圖7為傳感器Dip1,Dip2的波長隨溫度變化的擬合圖，可知諧振峰波谷Dip1的靈敏度為22.07 pm/℃，而波峰Dip2的靈敏度可達(dá)到35.79 pm/℃，且Dip1和Dip2的線性擬合度均較高，分別為0.983和0.992 6。

圖7 傳感器Dip1和Dip2中心波長隨溫度變化擬合

2.3 穩(wěn)定性分析

如圖8所示，為了測試實驗的穩(wěn)定性，將該傳感器固定在相對濕度為50 %RH，溫度恒為50 ℃的條件下持續(xù)100 min，每隔10 min記錄一次光譜。可以觀察出，此傳感器在100 min內(nèi)幾乎沒有變化，可知該實驗的穩(wěn)定性良好。

圖8 傳感器的穩(wěn)定性

3 結(jié) 論

本文利用細(xì)芯光纖的特性，將其與單模光纖熔接，并鍍上一層PI膜，構(gòu)造了對溫度和濕度都敏感的傳感器。在此傳感器結(jié)構(gòu)中，細(xì)芯光纖對溫度的變化比較敏感，鍍膜后的結(jié)構(gòu)對濕度敏感，同時2 μm厚的膜不會對溫度靈敏度造成影響，無交叉敏感。利用該結(jié)構(gòu)傳感器對溫度和濕度進(jìn)行了測量。實驗結(jié)果表明：此結(jié)構(gòu)對溫度和濕度的靈敏度都很好，溫度靈敏度、濕度靈敏度分別可達(dá)到35.79 pm/℃,45 pm/%RH，而且穩(wěn)定性良好。