基于OCMI和Vernier效应实现温度补偿的聚酰亚胺管封装FBG传感器，用于湿度测量

《Optical Fiber Technology》：Polyimide tube-encapsulated FBG sensor with temperature compensation based on OCMI and Vernier effect for humidity measurement

本文提出一种基于光学载波干涉（OCMI）与增强维涅效应的温湿度补偿光纤湿度传感器。通过聚酰亚胺（PI）管封装和特殊包装的参考光纤布拉格光栅（FBG），有效抵消温度交叉敏感，实现系统湿度灵敏度-3.867 MHz/%RH，较单OCMI提升56.7倍，并显著提高测量分辨率。

　　

钟世通|李工强|严海涛|韩道福

南京晓庄大学电子工程学院，中国南京211171

摘要

我们提出了一种基于光载波干涉（OCMI）和增强型维尼尔效应的湿度传感器。传感器头部由一个感湿光纤布拉格光栅（FBG）与聚酰亚胺（PI）管粘合而成，并配备两个特殊封装的参考FBG。两个参考FBG与感湿FBG形成的干涉图叠加，产生维尼尔效应。由于两个干涉图对湿度变化的响应方向相反，进一步增强了维尼尔效应。与单独的OCMI相比，增强型维尼尔效应的湿度灵敏度分别为?3.867 MHz/%RH，放大系数为?56.7和56.8。具有特殊封装的参考FBG的温度灵敏度与感湿FBG非常接近，确保了系统内的有效温度补偿。

引言

湿度是一个与我们的日常生活密切相关的基本环境物理参数，相对湿度的检测在许多领域都起着重要作用，包括食品储存[1]、农业[2]、制药[3]、气象服务[4]和人类健康[5]。传统的湿度传感器基于不同的原理工作，例如机械湿度计（依赖于随湿度变化而改变尺寸的湿度敏感材料）和电子湿度计（电容和电阻随湿度变化）。多年来，由于成本低、精度高和响应速度快，电子湿度计得到了广泛应用。然而，在某些恶劣环境中，这些湿度计并不适合使用，例如在电磁干扰强、化学腐蚀性强或压力高的环境中[7]。

光纤传感器的出现提供了一个解决方案。得益于光纤传感器的优异特性，如抗电磁干扰能力强、耐化学腐蚀、结构紧凑、重量轻和成本低，它们在湿度传感领域受到了广泛关注[8]。光纤传感器主要有三种类型：光纤布拉格光栅（FBG）[9]、光纤干涉仪[10]和特种光纤[11]。其中，FBG传感器因其紧凑的尺寸和成熟的制造技术而在各个领域得到广泛应用。然而，裸光纤本身对湿度不敏感[12]。为了使光纤能够测量湿度，需要在光纤感湿区域涂覆湿度敏感材料。其工作原理依赖于湿度敏感材料的吸湿和随后的膨胀，从而产生应力。当这种材料涂覆在光纤上时，产生的应力会传递到光纤中。通过解调光纤的光谱变化，可以测量湿度水平[13]。用于光纤湿度传感器的湿度敏感材料主要包括聚酰亚胺（PI）[14]、聚乙烯醇[15]等。在湿度敏感材料中，PI作为感湿薄膜表现出优异的性能，滞后率小于1%——远低于亲水性聚合物（如PVA的3-8%滞后率）。与氧化石墨烯不同，PI在水合作用下不会不稳定，响应时间小于5秒，并具有出色的长期稳定性。PI具有全范围操作能力（0-100%RH），并在湿度敏感薄膜方面具有关键优势，包括线性吸湿膨胀、出色的机械稳定性和简单的制造工艺——使其成为需要高精度和长期可靠性的FBG湿度传感器的理想材料[16]。然而，传统的湿度传感器制造方法是将湿度敏感材料直接涂覆在FBG区域。热固化过程可能导致FBG区域因薄膜收缩而断裂，不均匀的涂层可能导致啁啾效应，从而影响传感器性能[17]。此外，由于FBG本身的温度敏感性，涂有PI的FBG会表现出温度和湿度之间的交叉敏感性[18]。而且，由PI制成的FBG传感器的湿度灵敏度相对较低，通常只有几皮米。常用的光谱分析仪（OSA）的分辨率为0.02 nm。对于皮米级别的湿度灵敏度，使用OSA扫描FBG波长无法准确解调湿度信息。

在本文中，我们直接使用具有成熟制造工艺的PI管，简化了制造步骤。通过使用UV胶粘剂，将PI管固定在FBG区域。固定在FBG区域的PI管厚度均匀，防止了啁啾效应的发生，并实现了均匀的应力传递。对于灵敏度低的问题，微波光子传感和维尼尔效应提供了有效的解决方案[19,20]。近年来，维尼尔效应被用于放大光学干涉传感器的灵敏度。Liu等人[21]提出了一种基于增强型维尼尔效应的高灵敏度光纤温度传感器，其温度灵敏度为?35.45 nm/°C。Liu等人[22]提出了一种基于增强型维尼尔效应的超灵敏折射率（RI）传感技术，在1.39到1.395的RI范围内实现了19742.86 nm/RIU的RI灵敏度。这些改进为高精度传感应用提供了明显优势。因此，我们构建了一个光载波干涉（OCMI）系统，将维尼尔效应集成进来以提高湿度检测的灵敏度。此外，由于解调域从光学域转移到微波域，系统的分辨率显著提高。由于温度和湿度之间的交叉敏感性以及维尼尔效应对湿度和温度干扰的放大作用，我们对系统的参考FBG进行了特殊封装，以减弱温度对传感器的影响，使其在检测湿度时不受温度影响。

章节摘录

传感器制造与原理

选择内径为0.3 mm、壁厚为0.04 mm的PI管作为湿度敏感材料。有机硅改性的UV胶粘剂具有高热稳定性、良好的低温柔韧性和接近光纤的热膨胀系数，确保了传感器在宽温度范围内的稳定性；因此，我们使用UV胶粘剂作为封装材料。组装传感器时，首先在

实验部分

为了验证所提出系统的可靠性并研究其性能，基于图1进行了一系列实验。实验中使用的组件的关键参数如下：ASE（PYOE-ASE-C-30）发出的光覆盖1530到1560 nm的范围。MZM（EOspace，1896）的带宽和半波电压分别为20 GHz和3.5 V。FBG₁、FBG₂和FBG₃的波长分别为1541.01 nm、1543.99 nm和1546.89 nm。这三个FBG是

结论

我们提出并展示了一种基于增强型维尼尔效应的湿度传感器。通过使用PI管封装，传感器的系统湿度灵敏度达到1.66 pm/%RH。通过构建OCMI系统，传感器的系统湿度灵敏度达到?3.867 MHz/%RH。与OCMI₁和OCMI₂相比，灵敏度分别放大了?56.7倍和56.8倍。通过用PI封装参考FBG

作者贡献声明

钟世通：项目管理、方法论、研究、数据整理。李工强：验证、监督。严海涛：写作 – 审稿与编辑。韩道福：写作 – 审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢南昌大学（HX202306280001, HX202309140006）和国家自然科学基金（61675064, 61765010）的产学合作项目的财政支持。