基于聚酰亚胺/溴化锂涂层的细直径弱式光纤 Bragg 光栅阵列的准分布式湿度传感方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：Quasi-Distributed Humidity Sensing Method Based on a Polyimide/Lithium Bromide–Coated Thin-Diameter Weak FBG Array

　　**摘要**
为了解决在复杂环境中实现高精度、快速且准分布式相对湿度测量的挑战，本研究聚焦于基于聚酰亚胺/溴化锂复合湿度敏感涂层的薄波长弱布拉格光栅（TwFBG）阵列。采用工业拉线塔开发了集成在线制造工艺。本文详细分析了湿度敏感材料激活机制及其对光纤变薄的影响，从而建立了兼具高灵敏度、高一致性和快速响应的TwFBG湿度传感器阵列的设计和制造方案。实验结果表明，在6%RH至65%RH范围内，传感器在湿度增加时的平均灵敏度为8.6 pm/%RH，在湿度降低时的平均灵敏度为9.0 pm/%RH，整体平均灵敏度为8.8 pm/%RH，响应时间约为216秒，短期重复性偏差小于0.2 pm。湿度异步实验和湿度场重建结果证实了所提出的方法能够实现准分布式湿度传感。该技术为湿度监测提供了高密度、广覆盖和高精度的解决方案，在大规模、实时和详细监测应用中具有显著的技术优势，不仅推动了湿度传感器的发展，还为工业自动化、环境监测、建筑管理等领域提供了有力支持，展现了广阔的应用前景和实际意义。

**引言**
相对湿度定义为空气中实际水蒸气含量与相同温度下空气所能容纳的最大水蒸气含量之比，是表征环境湿度水平的重要物理参数[1][2]。
在大空间范围内实现实时、准分布式的相对湿度监测在军事、工业和农业应用中发挥着至关重要的作用[3][4]，包括结构健康监测[5]、酒窖湿度监控[6]以及粮食储存管理[7]。
在各种类型的相对湿度传感器中，电子湿度传感器由于其高测量精度、快速响应和紧凑体积的优势而占据最大市场份额[8]。然而，在特定工作环境中，电磁干扰和内部电子元件老化等因素可能影响其测量结果准确性。此外，作为主动设备，电子湿度传感器在谷仓和博物馆等环境中使用时可能引入额外的安全风险（如短路和电路老化导致火灾）。相比之下，光纤湿度传感器在运行过程中唯一直接暴露于测量环境中的部件是前端光纤。即使光纤在环境应力下断裂导致激光泄漏，泄漏的光能也极低，因此不会产生上述安全风险[10]。在整个光纤湿度传感系统中，电力驱动的部件主要限于询问器和宿主计算机，这些设备通常安装在配备适当防火设施的设备室内，因此在实际操作中不会产生与传统电子湿度传感器相当的电安全风险。同时，光纤湿度传感器具有体积小、远距离信号传输、远程查询和强的抗电磁干扰能力等优点，成为相对湿度传感应用的最有前途的候选者[9][11][12]。
目前已知的光纤湿度传感器主要可分为干涉型光纤湿度传感器[13]、衰减波光纤湿度传感器[14]和基于光纤布拉格光栅（FBG）的湿度传感器[15]。干涉型光纤湿度传感器具有高灵敏度和宽动态测量范围，研究人员使用聚乙烯醇（PVA）、明胶和丙烯酸AB粘合剂薄膜等吸湿材料，结合单模和多模光纤结构，制造出Fabry-Perot（F-P）和Mach-Zehnder干涉仪（MZI）湿度传感器，其湿度灵敏度分别为36.71 pm/%RH、630 pm/%RH和167 pm/%RH[16][17][18]。然而，这类传感器需要先进的制造技术和较高成本[16][17][18]。衰减波光纤湿度传感器也具有高灵敏度，研究人员使用聚乙烯醇-石墨烯复合薄膜和金膜作为涂层，在20%RH至80%RH范围内实现了相对湿度传感，灵敏度范围为0.5 nm/%RH至11.6 nm/%RH[19][20][21]，但由于寿命短和机械性能差等缺点，其在工程应用中受到限制。尽管这两种类型的光纤湿度传感器都具有良好的湿度传感性能，但由于制造工艺复杂、传感器一致性差以及保存困难，仍处于实验阶段，无法满足实际应用需求。
光纤布拉格光栅（FBG）湿度传感器的制造方法相对成熟，具有长使用寿命和能够进行空间division复用（SDM）和 wavelength division复用（WDM）的优势，因此被广泛用于相对湿度测量。研究人员使用琼脂糖、聚酰亚胺（PI）和壳聚糖等吸湿材料制造FBG湿度传感器，在29%RH至84%RH范围内，其湿度灵敏度通常在11.2 pm/%RH至70 pm/%RH之间[22][23][24]。尽管FBG湿度传感器可以实现复用，但其大规模相对湿度传感能力受入射光带宽限制。在波长division复用中， sensing点数量难以扩展以进行大规模湿度测量。
与FBG相比，弱反射率光纤布拉格光栅（wFBG）具有较低的反射率，允许在同一根光纤内实现更高程度的复用。通过采用时间division复用（TDM）进行解调，wFBG增强了准分布式传感能力[25]。wFBG可以有效解决FBG传感器入射光带宽限制导致的 sensing点不足问题，使其更适合大规模湿度场传感[26][27][28]。
由于光纤材料二氧化硅的物理和化学性质几乎不受湿度影响，利用弱反射率光纤布拉格光栅（wFBG）进行湿度传感需要在其表面涂覆吸湿涂层。常用的吸湿涂层材料包括聚乙烯醇、聚酰亚胺和壳聚糖[29]。PVA在低湿度下的灵敏度较低，更适合高湿度环境[30]。壳聚糖具有良好的膨胀和成膜能力，但其机械强度较低，在长期湿度循环下容易开裂或降解，影响长期耐久性[31]。相比之下，聚酰亚胺具有更好的稳定性、重复性和更长使用寿命，更适合用作基于wFBG的湿度传感器涂层材料[32]。然而，聚酰亚胺存在湿度灵敏度低和响应时间慢的问题[33]。为克服这些限制，研究人员提出加入额外敏感剂形成复合材料，以提高涂层的吸水能力和湿度传感性能[34]。此外，为了实现大规模湿度传感，需要用吸湿材料对wFBG进行功能化处理。目前的光纤湿度传感器功能化方法主要是剥离光纤表面涂层并重新涂覆吸湿材料[35]，但这种方法效率低下，制成的湿度传感器机械强度低、一致性差，难以满足大规模湿度现场监测的需求。

**本研究提出了一种改进的wFBG结构及LiBr掺杂聚酰亚胺涂层，以提高传感器的湿度响应能力，并采用塔内集成制造工艺实现wFBG的连续制造和湿度敏感涂层的同步沉积，从而提升了传感器阵列的制造效率、均匀性和机械稳定性。通过湿度灵敏度、响应时间、短期重复性和湿度场重建实验验证了所提出的传感器阵列具备准分布式湿度传感能力。**

**作者贡献声明**
杜东友：负责监督和资源调配。
李润泽：负责可视化处理和数据分析。
丁卓文：负责撰写、审校和编辑，以及方法论设计和资金申请。
曲亚金：负责原始文稿撰写、可视化处理、验证、数据分析。
赵春柳：负责撰写、审校和编辑，以及项目管理和方法论设计。
郭天泰：负责总体监督。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**致谢**
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号ZCLZ25F0501）、国家自然科学基金（项目编号62305319）以及Photonicsland Technology有限公司技术开发项目（项目编号H251565）的支持。

**作者简介**
曲亚金2000年出生于中国浙江省，目前正在中国浙江工业大学攻读硕士学位，研究方向为专用光纤传感技术。