采用特殊丙烯酸涂层的光纤分布式湿度传感技术

《Optical Fiber Technology》：Distributed humidity sensing via optical fibers with specialty acrylate coatings

　　安德烈·A·斯托洛夫|迈克尔·J·乔伊斯|马修·波佩尔卡|陆平
美国康涅狄格州埃文市达林大道55号Lightera公司

摘要
本研究设计了特殊的亲水性、紫外线固化型丙烯酸酯涂层，以便通过光纤实现分布式湿度检测。这类涂层被用于基于光频域反射术和布里渊光时域分析技术进行相对湿度检测。在室温下，这类光纤的相对湿度敏感度是传统聚酰亚胺涂层光纤的5至7倍。通过添加额外的涂层层，还可进一步提升灵敏度，而这一操作可通过常规的紫外线固化工艺实现。不过，由于涂层软化效应，随着温度升高，这类光纤的相对湿度敏感度会下降。本文还提出了一种新方法，即利用双光纤架构同时实现湿度和温度的分布式测量——一根光纤具有较高的相对湿度敏感度，另一根则具有普通敏感度。该方案能够考虑涂层材料在湿度和温度变化下的模量变化，从而准确分离这两项参数。

引言
光纤被广泛应用于各种传感领域[1]–[5]。光纤传感器大致可分为两类：点式传感器和分布式传感器。在分布式传感中，可沿着光纤全长连续监测机械应力、温度、pH值以及声波等环境参数[6]–[11]。这类检测依赖于拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射的变化作为探测依据[12]。相对湿度作为重要的环境参数，也可通过光纤进行监测。目前已有许多针对点式相对湿度检测的设计，其中光纤主要起到将光传输到感应探针并传回的作用[13]–[23]。分布式相对湿度检测也受到了关注[24]–[35]。

大多数光纤由硅基波导构成，光被限制在折射率高于周围包层的掺杂硅芯中。为保护本身易碎的硅玻璃，光纤制造过程中会涂覆聚合物涂层，并通过紫外线或热能使其固化。聚合物涂层通常用于保护光纤免受热量、潮湿、水、酒精、原油以及电缆凝胶等环境因素的损害[36]–[39]。此外，为防止氢气和水进入光纤，还会涂覆密封的碳涂层或金属涂层[40]–[42]。正因如此，市面上大多数光纤并不适合用于分布式湿度检测。对于这类应用，需要使用经过特殊设计的亲水性涂层，以实现有效的吸湿和脱湿功能。

水分子渗入聚合物后会导致其体积膨胀，进而改变其力学和光学性质，包括杨氏模量和折射率。温度变化同样会影响这些性质。当聚合物用作光纤涂层时，这些性质的变动原则上都可以被用来实现相对湿度与温度的检测。例如，经过特殊设计的光纤中，丙烯酸酯涂层的折射率变化已被成功用于点式相对湿度与温度检测[43]。这些研究充分体现了将涂层作为传感元件的创新思路。

从化学角度来看，光纤涂层通常分为丙烯酸酯类、硅树脂类和聚酰亚胺类[36]–[44]。丙烯酸酯类和硅树脂类通常为疏水性材料，而聚酰亚胺类则为亲水性材料，能够吸收高达2%的湿气，因此非常适合用于分布式相对湿度检测[24]–[35]、[45]。聚酰亚胺涂层具有诸多优点，如优异的热稳定性、低摩擦性、生物相容性以及耐医用灭菌性[45]–[48]。但其一个明显局限在于涂层厚度有限。由于相对湿度引起的纤维伸长与涂层厚度大致成正比，因此更厚的涂层有助于提升灵敏度。然而，由于聚酰亚胺前体属于溶剂型材料，要制备出厚度超过15微米的涂层在技术上存在困难[12]–[32]。因此，亟需一种既能具备类似聚酰亚胺的吸湿性能，又能以较厚层次施加的涂层。

当聚合物涂层吸收水分时，通常会在各个方向上发生膨胀。在轴向方向上，这种膨胀会导致光纤轻微伸长，而这一现象可以通过光频域反射术、布里渊光时域反射术或布里渊光时域分析等技术检测出来。吸湿或脱湿的程度取决于环境中的相对湿度，这就从理论上使得单根光纤即可实现分布式相对湿度检测成为可能。光频域反射术是通过扫描激光频率，并检测从被测光纤反射回来的光所产生的干涉图案来工作的。该干涉信号会与静态参考信号混合，随后通过对信号频域信息进行傅里叶变换，就能得到光纤反射特性的高分辨率、深度分辨图。这样，就可以检测到沿光纤长度方向的应变变化，包括由涂层膨胀引起的应变。布里渊光时域反射术和布里渊光时域分析则是通过向光纤中发射脉冲泵浦光和连续探测光，利用受激布里渊散射作用来实现检测的。已知布里渊频率偏移对光纤的局部应变非常敏感，包括由涂层膨胀引起的应变。

每种检测方法都有其自身的灵敏度，这一灵敏度可定义为单位应变对应的特征频率偏移量。应变可能由外部力引起，也可能由温度变化或涂层膨胀导致。对于具有特定几何结构和波导结构的光纤，其相对湿度敏感度将与周围湿度每变化1%时产生的轴向伸长量成正比。

典型的光纤是由硅预制棒拉制而成，然后涂覆有机聚合物材料，如图1所示。对于能够吸湿的独立涂层膜，其无约束状态下的伸长量εc-free可假定与周围湿度变化呈线性关系：εc-free=αcΔRH，其中αc为湿度膨胀系数。在另一种完全受约束的情况下，纤维的伸长量为零，但涂层膨胀会产生一定的力Fc：Fc=Ac·Ec·αcΔRH=πrc2-rg2·Ec·αcΔRH，其中Ac和Ec分别为涂层的横截面积和杨氏模量，rc和rg分别为涂层和玻璃的直径。在实际光纤中，涂层并非完全受约束，因此涂层的膨胀会导致一定程度的轴向伸长。当涂层与玻璃的粘附力很强时，涂层和玻璃的伸长量会相等，即εc=εg。这才是光纤的实际伸长量，不应与方程(1)中所说的自由涂层膜的伸长量εc-free混淆。玻璃纤维因εkg而伸长，可理解为方程(2)中所表示的应力部分释放：Fc=Ac·Ec·(αcΔRH-εg)。光纤的玻璃部分会因其自身膨胀而部分拉伸，但主要还是受到涂层施加的纵向力的作用。这一过程可描述为：Fg=Ag·Eg·(εg-αgΔRH)=πrg2·Eg·(εg-αgΔRH)，其中Fg是光纤玻璃部分产生的纵向压缩力，Ag、Eg和αg分别为硅的横截面积、杨氏模量和湿度膨胀系数。根据牛顿定律，Fc=Fg，结合前述假设εc=εg，可得：εg=αcAc·Ec+αgAg·EgAc·Ec+Ag·EgΔRH。由于硅玻璃几乎不透水，因此分子中的第二项可以忽略。于是有：εg≈αcAc·EcAc·Ec+Ag·EgΔRH。根据上述公式，光纤对相对湿度的敏感度会随着涂层表面积的增加而上升，而增加涂层表面积的方法可以是减小包层直径或增加涂层厚度。此外，敏感度还与涂层的湿度膨胀系数成正比，同时也会随涂层的杨氏模量的增加而上升。另外，方程(6)假设涂层中产生的应力能够有效传递到硅部分，这意味着涂层与玻璃之间具有良好的粘附性，且不存在诸如通信级光纤表面的初级涂层之类的软质中间层[49]。

本文介绍了一类专为分布式相对湿度检测而设计的新型亲水性丙烯酸酯涂层。这类涂层应用于硅基波导后，其湿气敏感度高于市面上的聚酰亚胺涂层。此外，它们还具有紫外线固化特性，因此可以形成更厚的涂层层。

在实际应用中，需要注意的是，即使没有外部机械应力作用，光纤的伸长也可能由温度变化引起。目前已有几种方法可用于分离温度和湿度的影响，其中包括使用灵敏度不同的两根光纤[24]–[53]。将这种方法应用于新型光纤后发现，相对湿度敏感度与温度有关，而温度敏感度则与相对湿度有关。本文的最后一部分给出了处理这种相互依赖关系的方法。

章节节选
涂层设计与光纤拉制
根据现有的配方[54]，我们制备了几种可用于光纤涂层的紫外线固化型组合物。这些组合物主要由聚氨酯-丙烯酸酯低聚物、丙烯酸酯类交联剂以及光引发剂组成。为赋予涂层亲水性，我们加入了能够与水形成强氢键的成分。我们测试了酸性和碱性两种亲水添加剂。重要的是，所有亲水单体都含有丙烯酸酯功能基团。

BOTDA测试结果
图2展示了在45摄氏度下、不同相对湿度条件下的BOTDA测试数据。采用G.657预制棒拉制而成的标准丙烯酸酯涂层光纤（丙烯酸酯A和丙烯酸酯B），其布里渊峰位于10.78–10.80吉赫兹范围内。而采用指数匹配预制棒制成的聚酰亚胺涂层光纤，其布里渊峰则出现在10.89吉赫兹附近。对于所研究的各类光纤，布里渊峰频率都会随着相对湿度的上升而升高。频率变化的速率……

结论
新开发的这类光纤涂层在分布式大气湿度和温度检测方面表现出更优异的性能，其在相对湿度敏感度方面优于聚酰亚胺涂层光纤。这类紫外线固化型配方可以形成更厚的涂层层，进一步提升了相对湿度的检测能力。紫外线固化速度远快于聚酰亚胺所需的热固化过程，因此可以加快光纤的拉制速度，从而降低生产成本。

CRediT作者贡献声明
安德烈·A·斯托洛夫：撰写——初稿、研究、数据整理。
迈克尔·J·乔伊斯：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、数据整理。
马修·波佩尔卡：撰写——审阅与编辑、研究、数据整理。
陆平：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢Lightera公司的戴维·T·伯吉斯在光纤拉制过程中所提供的帮助。