利用级联法布里-珀罗干涉仪同时测量温度和相对湿度

《Optical Fiber Technology》：Simultaneous measurement of temperature and relative humidity with cascaded Fabry-Perot interferometers

　　

肖毅|桑国锋|吕彦芝|吴北方|肖世颖|王启超|尹斌|吴松华

中国海洋大学信息科学与工程学院海洋技术研究所，中国青岛266100

摘要

为了满足可穿戴健康监测和生物医学环境应用中对微型化、集成化及高灵敏度温湿度传感器的需求，本文提出了一种紧凑型法布里-珀罗干涉（FPI）光纤传感器，并通过实验进行了验证。该FPI光纤传感器由一根中空芯光纤（HCF）构成，其表面涂覆有聚二甲基硅氧烷（PDMS）和明胶水凝胶的双层结构。PDMS对温度变化具有明显的折射率（RI）和体积响应，而明胶水凝胶则通过折射率变化及吸湿膨胀来响应相对湿度（RH）。干涉条纹波长对环境变化表现出稳定且区分度较高的响应，为灵敏度拟合提供了坚实的基础，从而实现了可靠的参数测量。该传感器在25–35℃的温度范围内具有平均灵敏度?3.5355 nm/℃，在40–60%的相对湿度范围内具有平均灵敏度0.0669 nm/%。这种具有多参数集成、良好稳定性和高灵敏度的光纤传感器在生物医学诊断、食品加工和可穿戴健康应用中具有广阔的应用前景。

引言

温度和相对湿度（RH）是关键的环境参数，在众多领域中具有重要影响，包括可穿戴健康监测、食品加工、农业和生物医学应用[1]、[2]。准确且实时的这些参数检测不仅对于评估生理状态和确保人体舒适度至关重要，而且对于维持各种工业和科学环境中的最佳质量也非常重要。尽管传统电子传感器普遍可用且成本低廉，但在需要紧凑性、高精度或在恶劣环境下运行的场景中常常遇到限制[2]。这些限制包括易受电磁干扰、尺寸较大以及微型化方面的固有困难，尤其是对于可穿戴或植入式系统[3]。随着对连续、非侵入式生理监测需求的增加（例如追踪心率、血氧、温度和RH的可穿戴系统），对先进传感技术的需求更加突出。相比之下，光纤传感器（OFS）作为一种极具前景的替代方案脱颖而出，具有紧凑设计、高灵敏度、抗电磁干扰以及适应受限或恶劣环境等优点[4]、[5]。它们的固有安全性、耐腐蚀性和多路复用能力使其特别适用于电气传感器不实用或存在危险性的应用场景[1]、[6]。

已有多种光纤配置被广泛用于同时测量温度和RH。其中较为著名的包括光纤布拉格光栅（FBGs）、马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）[7]以及法布里-珀罗干涉仪（FPIs）[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。这些传感平台通常依赖于用对温度和湿度敏感的材料对光纤进行功能化处理，将这些环境变化转化为可检测的光信号，通常是波长变化或强度变化[19]。常见的湿度敏感涂层包括明胶[20]、各种光学粘合剂或UV胶[21]、SnO₂薄膜[22]、聚酰亚胺（PI）[23]、纳菲昂（Nafion）[17]和聚乙烯醇（PVA）[23]、[24]。传感材料的选择显著影响传感器的性能特性，如灵敏度、响应时间和线性。明胶凝胶具有较高的机械强度和弹性，同时允许水蒸气扩散，是一种易于获取且高效的湿度敏感材料[25]、[26]。PDMS具有高的热光系数和高的热膨胀系数，同时对湿度不敏感，非常适合用于温度传感[27]。最新发展还包括石墨烯氧化物和金属-有机框架（MOFs）等先进材料[28]、[29]，由于其大表面积、高孔隙率和可修饰的结构，这些材料提供了更好的传感性能。尽管取得了这些进步，但在开发高精度和可靠的光纤传感器时，温度和RH之间的交叉敏感性仍是一个重大挑战，特别是当相同的传感材料同时对这两个参数产生响应时[8]、[10]、[15]。

我们提出了一种基于中空芯光纤（HCF）的紧凑型双参数FPI传感器，该传感器结合了聚二甲基硅氧烷（PDMS）和明胶水凝胶敏感层。通过将单模光纤（SMF）与HCF熔接在一起构造了该传感器。PDMS通过毛细作用注入HCF中，通过控制填充时间精确调整腔体长度。在SMF、PDMS和明胶层之间保留空气腔体以增强端面反射。随着水蒸气含量的增加，明胶的折射率显著上升，其体积膨胀，使其适合作为FPI端面的湿度敏感层涂层。环境温度和RH的变化会引起腔体长度和折射率的微妙变化。通过跟踪干涉条纹的波长变化并应用灵敏度曲线，可以同时获取温度和RH的变化。此外，还对传感器的长期稳定性进行了系统评估。结果显示，在连续观察105分钟后，波长漂移低于0.04 nm，对应的温度测量误差为0.01℃，湿度测量误差为0.57%，证明了该传感器在实际条件下的稳定性和可靠性。

章节摘录

模型与理论

图中展示了所提出传感器的原理图及其用于温度和RH的传感原理。该传感器是通过将单模光纤（SMF）与一根芯径为50 μm、长度约为160 μm的HCF熔接而成。一段PDMS填充在HCF通道中，远端覆盖有一层薄明胶。沿轴线分布着四个腔体：第一个空气腔体、一个PDMS腔体、第二个空气腔体和一个明胶层。L₁、L₂、L₃和L₄分别对应这四个腔体。

制作过程与实验系统

传感器的制作主要依赖于敏感材料的精确填充和涂层。图2(a)显示了制作完成的传感器的光学显微镜图像。使用熔接机（Fujikura FSM-100P+）实现了SMF（Corning SMF-28）和HCF（iFiber HCCF_PSC50/125/150PI）之间的非塌陷熔接。这是通过仔细调整放电功率和持续时间，并略微将放电中心向SMF端面移动来实现的。

结论

本文从理论上推导出了一种基于HCF的法布里-珀罗干涉光纤传感器，能够同时测量温度和RH，并通过实验证明了其可行性。结果显示，λ₁对温度和RH均表现出线性响应，而λ₂则表现出明显的非线性依赖性。在40–60%的RH和25–35℃的范围内，λ₁的线性拟合系数分别为0.0669 nm/%（RH）和?3.5355 nm/℃（温度）。对于λ₂，二次系数为...

CRediT作者贡献声明

肖毅：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。桑国锋：正式分析，概念构思。吕彦芝：验证，方法学。吴北方：监督，实验研究。肖世颖：验证，监督。王启超：验证，方法学，概念构思。尹斌：撰写——初稿，验证。吴松华：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究部分得到了国家重点研发计划（2024YFF0726404）、山东省自然科学基金（ZR2023MF071）、国家自然科学基金（U2006217、61901429、62075007）以及山东省高中青年创新团队项目（2022KJ044）的支持。