基于双腔光纤法珀干涉仪(FPI)的温湿度同步传感技术研究

本研究针对温湿度同步监测需求，创新性地设计了一种集成PDMS腔(FPI1)和PVA薄膜空气腔(FPI2)的双光纤法珀干涉仪传感器，通过FFT和FBPF方法解析干涉条纹波长偏移，实现温度(2.674 nm/℃)与湿度(0.080 nm/%RH)的高灵敏度解耦测量，为工业、医疗等场景提供微型化、高精度监测方案。

　　

在工业生产和医疗健康领域，温湿度监测的精确性直接影响产品质量与人体舒适度。传统电子传感器易受电磁干扰且难以微型化，而现有光纤传感器多面临温湿度交叉敏感、结构复杂等问题。例如基于Vernier效应的双FPI传感器需精密控制腔长，极大增加制备难度。针对这些技术瓶颈，湖北师范大学物理与电子科学学院的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表了一项突破性研究。

研究团队采用快速傅里叶变换(FFT)和傅里叶带通滤波(FBPF)两大核心技术，对单模光纤-毛细管复合结构进行创新设计。通过填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成FPI₁腔，并在毛细管端面涂覆聚乙烯醇(PVA)薄膜构建FPI₂空气腔，实现三界面(S1-S3)光路集成。

传感器制备
通过精确控制PDMS填充长度L₁和空气腔长度L₂，构建自由光谱范围(FSR)分别为24.9 nm(FPI₁)、4.71 nm(FPI₂)和3.96 nm(总腔FPI₃)的干涉系统。空间频率分析显示三者特征峰完全分离(0.04 nm^-1、0.21 nm^-1和0.25 nm^-1)，为信号解耦奠定基础。

光谱分析
温度实验表明FPI₁在30-46℃呈现2.674 nm/℃的线性响应，而FPI₂因PVA热膨胀系数影响表现出0.297 nm/℃的温敏特性。湿度测试中FPI₂在41-59%RH范围内灵敏度达0.080 nm/%RH，通过构建灵敏度系数矩阵成功实现温湿度交叉干扰消除。

结论
该研究首创的集成双FPI结构突破传统传感器尺寸限制(总长<1 cm)，其PDMS腔(FPI₁)的纯温敏特性与PVA腔(FPI₂的温湿双响应特性形成互补。FFT-FBPF联合算法将解调误差控制在±0.15℃和±0.8%RH以内，为药品仓储、食品加工等场景提供免电磁干扰的监测方案。第一作者Fulin Chen开发的低成本制备工艺(单件成本<5美元)更推动其产业化应用前景。

这项研究不仅为多参数光纤传感提供新范式，其创新的频域解耦思路更可拓展至压力、pH值等复合参数检测领域。团队下一步将优化PVA薄膜的湿度滞后效应，并开发适用于极端环境(85℃/90%RH)的传感器变体。