《Materials & Design》：High efficiency respiratory rate monitoring fiber optic sensing probe based on chitosan moisture sensitive film and temperature drift compensation method
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研究人员设计了一种紧凑型微尺度光纤湿度传感器，灵敏度为1.0132 nm/%RH；基于547 ms的快速响应时间实现了实时呼吸监测；通过将光纤布拉格光栅（FBG）与法布里-珀罗干涉仪（FPI）湿度探头连接，讨论了温度补偿方法。
研究人员设计了一种紧凑型微尺度光纤湿度传感器，灵敏度为1.0132 nm/%RH；基于547 ms的快速响应时间实现了实时呼吸监测；通过将光纤布拉格光栅（FBG）与法布里-珀罗干涉仪（FPI）湿度探头连接，讨论了温度补偿方法。
**论文解读：基于壳聚糖湿敏薄膜与温度漂移补偿的高效呼吸率监测光纤传感探头**
**研究背景与问题**
光纤湿度传感器因其体积小、重量轻、高灵敏度、抗电磁干扰及远程监测能力，在环境监测、医疗健康等领域具有广阔应用前景。然而，现有传感器在动态呼吸监测中面临响应速度慢、湿度-温度交叉敏感等问题。传统方法如基于聚合物薄膜的干涉式传感器虽能实现高灵敏度，但受限于热膨胀效应和材料稳定性，导致实时监测精度不足。此外，呼吸频率作为临床健康指标，需要传感器具备快速响应（毫秒级）和抗干扰能力。因此，开发一种兼具高灵敏度、快速响应及温度补偿的紧凑型光纤湿度传感器成为研究重点。
**研究目的与意义**
针对上述挑战，本研究设计了一种基于壳聚糖（CS）湿敏薄膜的法布里-珀罗干涉仪（FPI）光纤湿度传感器，并通过级联光纤布拉格光栅（FBG）实现温度补偿。该研究旨在优化传感器结构参数，实现高灵敏度与快速响应，同时解决温度-湿度交叉干扰问题，为物联网（IoT）和生物医学传感器网络提供可靠方案。论文发表在《Materials》。
**主要关键技术方法**
1. **壳聚糖湿敏薄膜制备**：采用浸渍涂覆法在空心光纤（HCF）端面制备均匀的壳聚糖薄膜（厚度约7 μm），利用其氨基和羟基与水分子可逆氢键作用实现湿度响应。
2. **FPI腔长优化**：通过实验比较不同HCF长度（70–313 μm）对干涉光谱自由光谱范围（FSR）和对比度的影响，确定最佳腔长104 μm。
3. **级联FBG-FPI结构设计**：将FPI（壳聚糖涂覆HCF）与FBG（布拉格波长1534.957 nm）串联在同一单模光纤（SMF）上，实现温度与湿度双参数同时解调。
4. **温度补偿矩阵法**：基于FBG和FPI的温度灵敏度（分别为8.4 pm/°C和1.7 pm/°C）及湿度灵敏度（分别为0.0003 nm/%RH和0.6407 nm/%RH），建立并求解逆矩阵方程，实现交叉灵敏度消除。
**研究结果**
**1. 湿度传感性能实验**
通过静态实验，在20%–70%相对湿度（RH）范围内，FPI传感器的跟踪波长与湿度呈抛物线关系，平均灵敏度为0.6198 nm/%RH；在45%–70%RH子区间内线性度提高（R2=0.99633），灵敏度达1.0132 nm/%RH。极限检测限（LOD）在20%–70%RH和45%–70%RH范围内分别为0.0323%RH和0.0197%RH。重复性实验显示，四个循环内波长偏移最大偏差为±0.76 nm，对应湿度测量不确定度±0.75%RH，证实传感器具有良好的可重复性和稳定性。
**2. 呼吸实验与结果分析**
利用动态实验系统（包括可调谐激光器、光电探测器和数字示波器），将传感器置于距口部5 cm的口罩中，监测人体呼吸。响应时间（从基线到90%峰值电压）为547 ms，恢复时间（从峰值到基线）为578 ms，优于多数已报道传感器。在不同呼吸频率（24–112次/分钟）下，时域波形显示周期性，通过快速傅里叶变换（FFT）获得基频与呼吸频率高度一致，证明传感器可实时区分呼吸模式。
**3. 双参数传感与温度补偿**
在级联FBG-FPI结构中，湿度升高导致FPI干涉光谱蓝移（31.18 nm），而FBG反射峰稳定在1534.95 nm，验证了其湿度不敏感性。温度实验（30–100°C，恒定37%RH）显示，FPI光谱红移，温度灵敏度为1.7 pm/°C，FBG为8.4 pm/°C。基于矩阵逆运算，研究人员建立了同时解调温度与湿度的公式，实现交叉灵敏度补偿。
**总结与讨论**
本研究通过优化壳聚糖FPI传感器结构，实现了高灵敏度（1.0132 nm/%RH）和快速响应（547 ms）的湿度监测，尤其适用于呼吸频率检测。级联FBG-FPI结构有效解决了温度-湿度交叉敏感问题，在复杂环境中可实现高精度双参数测量。该传感器支持多路复用部署和远程数据传输，在物联网和生物医学传感器网络中具有重要应用潜力。**研究结论**：通过壳聚糖涂覆的FPI光纤湿度传感器，系统研究了其增强的湿度传感性能。结构参数优化后，以104 μm长HCF和7 μm厚壳聚糖薄膜为核心传感探头。静态/动态特性及温度交叉灵敏度实验表明，在20%–70%RH范围内湿度灵敏度为0.6198 nm/%RH，45%–70%RH范围内提升至1.0132 nm/%RH（线性度0.99633），实现纳米级分辨率。虽然传感器在高湿度下表现优异，但在低湿度环境下性能下降，限制了其测量范围和应用。未来工作将聚焦于开发先进吸湿材料，以拓宽工作湿度范围，同时保持高灵敏度和快速响应（当前响应/恢复时间：547 ms/578 ms）。该传感器展示了在人体呼吸频率实时监测中的潜力，验证了其在医疗保健中的可行性。为解决精密环境传感中的温度-湿度交叉敏感问题，研究人员验证了基于级联FBG-FPI光纤结构的双参数探头，可实现高精度同时监测温度和湿度。这种紧凑、高性能的光纤探头支持多路复用部署、原位监测和远程数据传输，使其在复杂环境的物联网网络或生物医学体传感器网络中具有应用前景。
