法布里－珀羅干涉儀構(gòu)成的濕度傳感器*

葉文豪，江 超，王 解，劉繼兵

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002)

在許多應(yīng)用領(lǐng)域，濕度的監(jiān)測十分重要，如生物醫(yī)藥，食品加工，化工生產(chǎn)等[1－2]。與傳統(tǒng)的濕度傳感器相比較，光纖濕度傳感器具有體積小，抗腐蝕，靈敏度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點[3－4]。光纖濕度傳感器大部分是由光纖結(jié)構(gòu)及對濕度敏感的材料組合而成?；诖耍藗冊O(shè)計出多種不同結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器，如光纖布拉格光柵(FBG)濕度傳感器[5－6]、長周期光纖光柵(LPFG)濕度傳感器[7－8]、馬赫－澤德爾干涉儀(MZI)濕度傳感器等[9－12]。但是，這些光纖濕度傳感器有的靈敏度低，有的易受光源強度變化的影響，有的存在較大溫度串?dāng)_。因此，設(shè)計一款高靈敏度，穩(wěn)定性好，響應(yīng)快速的光纖濕度傳感器具有很大的意義。

光纖法布里－珀羅干涉儀(FPI)是光纖干涉儀的一種類型，其有著穩(wěn)定性好，體積小，容易制造等特點，被廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域[13－15]。近幾年來，人們利用鍍膜方法制備了一些光纖FPI濕度傳感器，獲得較好的效果[16－22]。這些濕度傳感器有的利用單模光纖端面鍍膜，有的利用空心光纖端面鍍膜，有的利用光子晶體光纖端面鍍膜，有的利用多模光纖端面鍍膜等。這些結(jié)構(gòu)制作相對容易，但會產(chǎn)生溫度串?dāng)_。Polymicro Technologies公司生產(chǎn)的毛細(xì)石英管性能穩(wěn)定，對溫度不敏感，機械強度較高，利用它制作F－P腔傳感器性能優(yōu)良有廣泛的應(yīng)用[22－27]。本文基于FPI，設(shè)計了一款濕度傳感器，該傳感器是將單模光纖與毛細(xì)石英管拼接，然后在毛細(xì)石英管末端鍍上聚乙烯醇(PVA)薄膜，構(gòu)成一款FPI濕度傳感器。詳細(xì)論述了傳感器制作方法，定性分析了濕度測量原理，實驗研究了濕度與溫度傳感特性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理分析

1.1 傳感器的制作與反射譜

傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光路圖如圖1所示，設(shè)計的F－P腔由單模光纖和毛細(xì)石英管以及毛細(xì)管末端的PVA膜構(gòu)成。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與光路圖

為了選擇合適的毛細(xì)管參數(shù)與確定傳感器中毛細(xì)管的長度。利用光學(xué)仿真軟件進行仿真，得到光從單模光纖纖芯前向傳播的空間功率分布圖如圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，光從單模光纖纖芯向前傳播200μm時，光束主體還是束縛在直徑大約為42.5μm的圓柱空間中。因此如果選用內(nèi)徑較小毛細(xì)管時，部分光束可能會傳輸?shù)矫?xì)管管壁中，增加了原理分析與實驗分析的復(fù)雜性。選用內(nèi)徑大于42.5μm的毛細(xì)石英管時，能夠確保光都在毛細(xì)石英管的空氣腔中傳輸，分析起來比較簡單。因此在傳感器中選擇Polymicro Technologies公司生產(chǎn)的TSP075150型號毛細(xì)石英管，它的內(nèi)徑為75μm，外徑為150μm，管壁為高純度石英玻璃。

圖2 光從單模光纖纖芯向前傳播的光功率分布圖

傳感器制作選擇的單模光纖為武漢長飛光纖光纜有限公司生產(chǎn)的普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，纖芯直徑為9μm，包層直徑為125μm；選用的毛細(xì)石英管型號為TSP075150，內(nèi)徑為75μm，外徑為150μm。毛細(xì)石英管150μm外徑包含了表面涂覆層直徑，表面涂覆層直徑為24μm，熔接時剝?nèi)ッ?xì)石英管的涂覆層后，毛細(xì)石英管的外徑為126μm，與普通單模光纖外徑125μm基本一致，可以利用光纖熔接機進行兩者的熔接。雖然單模光纖與毛細(xì)石英管外徑基本一致，但由于單模光纖是與空心的毛細(xì)石英管熔接，熔接它們必須采用專門的熔接參數(shù)與熔接方式。利用日本藤倉公司生產(chǎn)的型號為Fujikura FSM－100＋大芯徑熔接機對光纖與毛細(xì)管進行熔接。以下為傳感頭制備步驟:

第一步，準(zhǔn)備好端面切割平整的單模光纖以及毛細(xì)管。由于毛細(xì)管表面涂覆了一層聚酰亞胺聚合物，無法利用剝線鉗剝離，因此采用燃燒法將毛細(xì)管表面涂覆層去除，用無水酒精擦拭干凈后，再使用光纖切割刀將其端面切平整。

第二步，單模光纖與毛細(xì)石英管的熔接。熔接機自帶熔接模式的熔接參數(shù)不適合于毛細(xì)管與單模光纖之間的熔接，所以必須將熔接參數(shù)進行手動調(diào)節(jié)，熔接參數(shù)如表1所示。調(diào)節(jié)完成后，將單模光纖與切好的毛細(xì)管熔接在一起。前面利用仿真軟件模擬了光從單模光纖纖芯向前傳播的分布圖(圖2)，因此實驗中選擇毛細(xì)石英管長度范圍為150μm~200μm。當(dāng)毛細(xì)管長度取170μm左右時，能夠確保光都在內(nèi)徑為75μm毛細(xì)石英管的管腔中傳輸，光束不會傳播到毛細(xì)管管壁中。最后，利用光纖切割刀把毛細(xì)石英管切割到168μm長度。

表1 光纖與毛細(xì)石英管熔接參數(shù)[25]

第三步，利用提拉法制作PVA薄膜。首先配置PVA溶液，將PVA顆粒與去離子水混合后形成5%(wt/wt)的混合液體，然后將其放到磁力攪拌器上，在溫度為90℃，轉(zhuǎn)速640 rpm的條件下，水浴加熱1 h，使PVA顆粒充分溶解，形成PVA溶液。將準(zhǔn)備好的熔接結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管端放入PVA溶液中，毛細(xì)管吸入PVA溶液，然后利用步進電機從PVA溶液中提拉出傳感頭，通過控制步進電機速度來控制PVA薄膜厚度。將鍍膜后的結(jié)構(gòu)放入真空干燥箱中，在80℃溫度下烘干1 h。然后將結(jié)構(gòu)放在金相顯微鏡下觀察，看膜是否均勻，膜形狀與厚度是否符合要求。如果不符合要求，需要重新進行多次鍍膜。

第四步，將把制作的結(jié)構(gòu)分別與寬帶光源和光譜分析儀連接在一起，經(jīng)過反復(fù)觀察結(jié)構(gòu)的反射譜，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以獲得理想的反射譜，最終完成傳感器結(jié)構(gòu)的制作。

圖3 是制作好的傳感器的反射譜。對圖3進行分析，發(fā)現(xiàn)反射譜存在許多諧振峰，這些小的諧振峰又形成一個比較大的包絡(luò)線，說明該干涉儀其實是兩個F－P干涉儀共同作用的結(jié)果。可以看出不同光拍內(nèi)的自由光譜范圍(FSR)并不完全一致，經(jīng)討論發(fā)現(xiàn)FSR與腔長成反比，在后面濕度與溫度測量中選擇光拍中波谷變化較大的區(qū)域1 450 nm~1 600 nm進行觀測。圖4是圖3光譜圖經(jīng)傅里葉變換后得到的空間頻譜圖，觀察空間頻譜圖可知，僅有3個主要頻率對干涉形成較大貢獻。

圖3 傳感器的反射光譜

圖4 傳感器的空間頻譜

將制作完成的傳感器結(jié)構(gòu)放在金相顯微鏡下拍攝，實物圖如圖5所示，發(fā)現(xiàn)PVA膜基本在毛細(xì)管內(nèi)部，測得PVA膜凹面厚約為18μm，毛細(xì)石英管中的空腔長度約為150μm，傳感頭毛細(xì)管總長約為168μm。在用提拉法制備PVA膜時，PVA液體流入毛細(xì)管內(nèi)部，經(jīng)過干燥形成薄膜，由于毛細(xì)管管徑較大，薄膜內(nèi)表面形成一個曲率較小的反射曲面。

圖5 傳感頭在顯微鏡下的實物圖

1.2 傳感原理分析

傳感器的光路示意圖如圖1所示，該法布里珀羅干涉儀由三個反射面構(gòu)成，單模光纖的末端截面R1，毛細(xì)石英管與PVA膜的接觸面R2以及PVA膜與外界空氣接觸面R3。其中R1、R2、R3為三個面的反射率。該傳感器結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個F－P腔的級聯(lián)，使用提拉法制備PVA膜時，PVA液體流入毛細(xì)管內(nèi)部，經(jīng)過干燥形成薄膜，薄膜內(nèi)表面形成一個反射率為R2的反射曲面。但彎曲程度較小，由于光線主要集中在鏡面中間部分反射，可以把它近似看著是平面鏡反射，這一近似方法在其他文獻中也被使用到[28－29]。光源發(fā)出的光被這三個鏡面反射，三束不同光路的光因為不同相位延遲而產(chǎn)生干涉。所以輸出的干涉光強度可以表示為[30]:

式中:R1，R2，R3分別為三個反射鏡面的反射率，A＝；其中k1為空氣諧振腔的傳輸損耗，k2為PVA諧振腔的傳輸損耗。光在空氣腔和PVA膜傳輸?shù)南嘁瓶梢苑謩e表示為:

n P VA為PVA膜的折射率，nair為空氣腔中空氣介質(zhì)的折射率，L1、L2分別為空氣腔與PVA膜的長度，λ為光波長。當(dāng)滿足相位條件時，傳感器將會形成穩(wěn)定的干涉譜。利用式(1)仿真了干涉儀腔長與反射率對干涉譜的影響。圖6(a)為不同L1對干涉譜的影響，參數(shù)設(shè)置為:k1＝k2＝0.11，L2＝5μm，R1＝0.18，R2＝R3＝0.25，L1分別取50μm、100μm和140μm，可以看出隨著L1的增大，干涉譜的自由光譜范圍FSR越來越小。圖6(b)為不同L2對干涉譜影響，參數(shù)設(shè)置為:k1＝k2＝0.11，L1＝140μm，R1＝0.18，R2＝R3＝0.25，L2分別取5μm、10μm和15μm，觀察到L2對干涉譜的包絡(luò)有影響。圖6(c)為不同的反射率R2對干涉譜影響，參數(shù)設(shè)置為:k1＝k2＝0.11，L1＝140μm，L2＝5μm，R2分別取0.05、0.15和0.25。可以看到，反射率越大，包絡(luò)線的波峰強度越大，但包絡(luò)線波谷強度越小。

圖6 模擬仿真的傳感器的反射光譜

實驗測得的光譜圖與模擬的光譜圖基本一致。PVA液態(tài)時折射率較小，成膜變成固態(tài)時折射率變大。PVA膜是一種吸水性很強的薄膜，當(dāng)它周圍環(huán)境濕度發(fā)生變化時，它會吸收水分而膨脹，而且折射率會變小。最終造成F－P干涉儀腔長與反射率R2與R3發(fā)生變化，從而造成干涉譜中波谷波長發(fā)生變化。如果通過實驗?zāi)軌驕y出它們之間確定變化關(guān)系曲線，就可以利用干涉譜中波谷中心波長隨外界濕度的變化關(guān)系解調(diào)出環(huán)境濕度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 濕度實驗

濕度實驗裝置連接如圖7所示，寬帶光源采用型號為FL－ASE－EB－D－2－2－FC/APC的自發(fā)輻射光源，發(fā)出的光波長范圍1 250 nm~1 650 nm；光譜分析儀型號為AQ6370D，測量范圍600 nm~1 700 nm，精度±0.1 nm。光從寬帶光源(BBS)輸出，經(jīng)環(huán)形器傳輸至傳感器，然后反射光再由環(huán)形器傳輸?shù)焦庾V儀(OSA)。傳感器放在可程式恒溫恒濕試驗箱里，所測相對濕度范圍為30%RH~80%RH，測量時溫度保持為60℃不變。

圖7 濕度測量的實驗裝置示意圖

在實驗中，濕度從30%RH開始記錄數(shù)據(jù)，濕度每上升5%RH記錄一次傳感器的反射譜。為了得到相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，每達到一個濕度等光譜穩(wěn)定5 min后再記錄數(shù)據(jù)。在濕度增加時，光譜儀記錄的反射光譜如圖8所示。為了使光在光纖中傳輸損耗最小，選擇波谷的中心波長處在光纖通信波段(1 550 nm)附近也就是C波段來分析實驗結(jié)果，這樣光傳輸?shù)膿p耗最小。因此，選擇波谷中心波長λ1＝1 533 nm、峰值強度A1＝7 dB的波谷dip 1為實驗觀測點(圖3中的dip 1)?？梢钥闯鲭S著濕度的不斷增加，dip 1的中心波長明顯向右漂移；dip 1的峰值強度先變大然后變小，有一定規(guī)律可循，但在80%RH時強度只有2 dB，會影響到濕度的進一步測量。圖9記錄了濕度從80%RH降到30%RH，每降低5%RH記錄一次傳感器的反射譜。從圖中可以明顯看到，隨著濕度的降低，dip 1的中心波長明顯向左漂移；dip 1的峰值強度時大時小，沒有什么規(guī)律可循。因此，在這里只能選擇波長解調(diào)法來測量濕度，無法獲得峰值強度隨濕度的變化關(guān)系，但峰值強度的大小決定了濕度的測量范圍。

圖8 濕度增加時傳感器的反射譜

圖9 濕度降低時傳感器的反射譜

通過考察dip 1的中心波長與濕度的變化關(guān)系，利用波長解調(diào)法來測量濕度。圖10為傳感器反射譜中dip 1的中心波長隨環(huán)境濕度變化關(guān)系及擬合曲線。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，dip 1的中心波長隨環(huán)境濕度增加而指數(shù)增加，隨環(huán)境濕度降低而指數(shù)減小，它們之間的指數(shù)擬合方程如下:

式中:λ1表示dip 1的中心波長，RH表示環(huán)境相對濕度，式(3)為加濕時的擬合曲線，式(4)為除濕時的擬合曲線，兩條曲線的擬合程度R2分別為0.998 8和0.997 1，擬合程度相當(dāng)高，兩條擬合曲線變化趨勢一致，能夠滿足測量需求。實驗結(jié)果說明，傳感器在加濕和除濕測量過程中，兩條曲線基本重合，但還是存在較小測量誤差，上升與下降的重復(fù)性較好，利用式(3)與式(4)通過波長偏移解調(diào)出環(huán)境濕度。

依據(jù)實驗結(jié)果，從圖10可知，當(dāng)傳感器濕度在30%RH~80%RH變化時，實現(xiàn)波長總漂移量達46.4 nm，說明該傳感器靈敏度較高。由于傳感器的濕度升降擬合曲線為指數(shù)函數(shù)形式，因此可用曲線某一點的切線斜率來表示該點靈敏度的具體數(shù)值。實驗中，當(dāng)相對濕度達到80%RH時dip 1的峰值強度只有2 dB，如果進一步增加相對濕度，依據(jù)峰值強度變化趨勢，峰值強度將會更小，影響到濕度的進一步測量。因此設(shè)計的濕度傳感器的量程為:30%RH~80%RH，傳感器的分辨率最小達到0.1%RH。

為了進一步驗證傳感器的響應(yīng)速度與重復(fù)性，進行了下面的實驗。首先把傳感器從濕度為35%RH狀態(tài)放到濕度為70%RH狀態(tài)，記錄響應(yīng)時間，以及達到穩(wěn)定的時間；然后再把傳感器從濕度為70%RH狀態(tài)放到濕度為35%RH狀態(tài)，記錄響應(yīng)時間及達到穩(wěn)態(tài)時間。重復(fù)這個過程4次，獲得圖11所示的響應(yīng)曲線。從曲線可以得到響應(yīng)平均上升時間約為14.46 s，響應(yīng)平均下降時間約為18.49 s，響應(yīng)時間為多次實驗結(jié)果求取的平均值，可計算出響應(yīng)上升時間誤差在2.6 s以內(nèi)，下降響應(yīng)時間誤差在2 s以內(nèi)。穩(wěn)態(tài)保持時間相對較長。重復(fù)4次實驗獲得的響應(yīng)特性曲線是一致的。說明制作的傳感器工作時響應(yīng)速度很快，重復(fù)性較好?？焖夙憫?yīng)歸因于相對較薄的PVA薄膜。

圖11 濕度從35%RH到70%RH變化時傳感器的響應(yīng)曲線

2.2 溫度實驗

對于光纖濕度傳感器，溫度串?dāng)_是必須要考慮的問題。毛細(xì)石英管性能很穩(wěn)定，它的彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)均較小，因此毛細(xì)石英管對溫度變化不太敏感[27]。下面進行簡單分析:

R1與R2構(gòu)成的F－P腔為空氣腔，光束主要在空氣中傳輸，腔壁為毛細(xì)管，則溫度靈敏度可表示為[30]:

λN表示N階諧振波長表示諧振腔中毛細(xì)管的熱膨脹系數(shù)，為表示腔內(nèi)空氣介質(zhì)的熱光系數(shù)，為－5.6×10－7/℃。設(shè)波谷的中心波長λN＝1 546.4 nm，計算F－P空氣腔的溫度靈敏度約為0.015 46 pm/℃，很小幾乎可以忽略不計，說明空氣腔對溫度不敏感。

圖12 為溫度實驗裝置圖。溫度實驗采用管式爐進行，爐管中央部分溫度場很穩(wěn)定。溫度實驗在環(huán)境濕度(43%RH)下進行，將傳感器放入管式爐爐管中央，溫度從45℃開始加熱到80℃結(jié)束，每隔5℃記錄一次傳感器的反射光譜。溫度實驗選擇傳感器反射譜中處于光通信波段的dip 2為觀測點，它的中心波長λ2＝1 546.4 nm，傳感器光譜變化情況如圖13所示?？梢钥吹?5℃~65℃階段，dip 2的中心波長有較明顯的向左漂移；在65℃以后，波谷的中心波長基本不再漂移。圖14記錄了波谷dip 2的中心波長λ2隨溫度T的變化數(shù)據(jù)。

圖12 溫度實驗裝置示意圖

圖13 傳感器反射譜隨溫度變化曲線

對圖14數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，不能完全用線性函數(shù)或指數(shù)函數(shù)擬合dip 2的中心波長與溫度的變化關(guān)系，沒有確定的變化關(guān)系，因此無法用它測量溫度，但可以分析溫度對濕度測量的影響。在圖14中，對溫度45℃至65℃數(shù)據(jù)進行擬合，得到中心波長λ2與溫度T之間的擬合方程為:

圖14 波谷dip 2的中心波長隨溫度變化情況

線性擬合度為0.986 2，得到溫度靈敏度為－107.4 pm/℃，實驗測得的溫度靈敏度與前面理論計算的比較接近。從圖14可以看出，溫度45℃~65℃變化造成的波長漂移不到2 nm，而濕度變化引起的波長漂移達到46.4 nm，說明在溫度小于65℃時傳感器存在一定的溫度依賴性，但影響較小；當(dāng)溫度大于65℃以后，傳感器反射譜dip 2基本不再漂移，說明傳感器對溫度不再敏感，溫度變化不再影響傳感器的濕度測量結(jié)果。因此在65℃以后，濕度傳感器不用再考慮溫度串?dāng)_問題。因此我們設(shè)計的濕度傳感器比較適合于高溫條件下工作。為了驗證傳感器的一致性，我們同時制備了幾個參數(shù)相一致的器件，分別進行了以上的濕度與溫度實驗。由于每個器件的參數(shù)(特別是薄膜厚度)不能完全保證一致，造成傳感器的反射譜有一定的差異，但實驗發(fā)現(xiàn)它們對環(huán)境相對濕度與溫度的響應(yīng)趨勢與擬合關(guān)系是完全相似的，說明傳感器的一致性較好，能夠在工程上應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文提出并實驗驗證了一種基于F－P干涉儀的高靈敏度濕度傳感器。傳感頭是利用毛細(xì)管與單模光纖拼接，然后在毛細(xì)管端面涂鍍上一層PVA膜而構(gòu)成，制作的傳感頭結(jié)構(gòu)緊湊。在保持溫度不變的情況下，實驗測量了傳感器加濕與除濕過程中，傳感器反射光譜的變化情況，獲得了dip 1的中心波長隨相對濕度變化的指數(shù)擬合關(guān)系，因此利用dip 1的中心波長漂移量能夠解調(diào)出相對濕度值。在保持環(huán)境濕度不變的情況下，研究了溫度變化對傳感器濕度測量的串?dāng)_問題，結(jié)果表明在低溫范圍內(nèi)濕度傳感器存在一定的溫度依賴性，在高溫時濕度傳感器對溫度不敏感，可以不用考慮溫度串?dāng)_問題。設(shè)計的濕度傳感器具有體積小、易制作、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中具有一定的應(yīng)用價值。