一、研究背景

濕度監(jiān)測在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、化工和建筑領(lǐng)域尤為重要。近來，各行各業(yè)對濕度傳感器的需求促進了對不同類型光纖濕度傳感器的不斷研究。開發(fā)一種靈敏度高、濕度響應(yīng)范圍大的濕度傳感器十分必要。對于某些狹窄、電磁輻射強烈、高溫高壓的環(huán)境，傳統(tǒng)的濕度傳感器將無法正常工作。而光纖濕度傳感器可以克服這些極端環(huán)境的影響，正常工作。因此，光纖濕度傳感器的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。

基于多模干涉的光纖傳感結(jié)構(gòu)對環(huán)境折射率變化高度敏感，因此被廣泛開發(fā)為通過探測包層模式擾動的折射儀。由于二氧化硅光纖本身對環(huán)境濕度變化不敏感，因此將濕度敏感材料與光纖相結(jié)合是制造高靈敏度濕度傳感器的傳統(tǒng)方法。常用的光纖濕度傳感器材料包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、殼聚糖、瓊脂糖、海藻酸鈣、聚酰亞胺（PI）、羧甲基纖維素（CMC）、PVA。其中，PVA 是一種廣泛應(yīng)用于光纖濕度傳感器的高分子聚合物。PVA 是一種具有半晶體結(jié)構(gòu)的水溶性聚合物。PVA 具有良好的吸濕性、生物相容性和化學穩(wěn)定性，易溶于水。此外，它還具有良好的成纖、成膜和內(nèi)聚性能。PVA 在化纖、醫(yī)藥和食品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。由于這些優(yōu)點，許多光纖濕度傳感器都選擇 PVA 作為濕度敏感材料。

錐形光纖傳感器靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、動態(tài)響應(yīng)范圍寬、成本低。因此，出現(xiàn)了許多錐形傳感器，如折射率傳感器、生化傳感器、應(yīng)變傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。當入射光傳輸?shù)藉F形區(qū)域時，錐形光纖的纖芯變細，導致纖芯導模的模場半徑發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)化為錐形腰部的包層傳輸。當在錐形腰部涂上一層濕度敏感材料時，濕度敏感材料的折射率會隨著濕度的變化而變化，從而導致輸出光的光功率發(fā)生變化。光纖傳感器一般需要與濕度敏感材料相結(jié)合，才能具有高靈敏度特性。

通常使用的成膜方法有真空蒸發(fā)法、離子濺射鍍膜法、溶膠-凝膠技術(shù)、逐層自組裝法 (LBL) 和浸涂法。與這些方法相比，電紡絲是在光纖表面形成一層納米纖維膜的簡單而有效的方法。電紡絲是指聚合物熔化或溶解后，通過高壓電場的作用形成納米纖維的過程。首先，聚合物溶液在高壓靜電場的作用下帶有一定量的靜電荷。其次，液滴在電場力和溶液表面張力的相互作用下形成毛細管的泰勒錐。然后，隨著電壓的增加，帶點的小液滴在針尖的頂點被加速。最后，當電場力大到足以克服表面張力的限制時，聚合形成噴霧液滴，噴出細流。隨著溶劑在噴射過程中蒸發(fā)或凝固，細流最終會在接地接收裝置上形成納米纖維膜。電紡絲技術(shù)可用于連續(xù)制備直徑低至幾納米的纖維。電紡絲制備的納米纖維直徑為納米級，通常在 3nm-5μm 之間。與傳統(tǒng)涂膜相比，通過靜電紡絲設(shè)備加工的納米纖維具有更大的比表面積，可以吸收大量的水分子。然而，利用電紡絲納米纖維膜制造光纖濕度傳感器的研究相對較少。

碳納米管因其獨特的結(jié)構(gòu)、機械性能和電氣性能而備受關(guān)注。它在納米電子器件、高強度復合材料、傳感器、催化劑和生物分子載體等多個研究領(lǐng)域都取得了重大突破。由于 CNT 具有較大的表面積與體積比，因此非常適合吸收水分子或其他氣體分子，從而可用于濕度檢測。

西安電子科技大學孫浩副教授研究團隊利用錐形 MMF 級聯(lián) FBG 設(shè)計了一種可同時測量溫度和濕度的光纖傳感器。與傳統(tǒng)的光纖鍍膜方法不同，電紡絲設(shè)備技術(shù)可快速、簡單地構(gòu)建濕度敏感納米纖維膜。實驗測試表明，電紡絲納米纖維膜傳感器對溫度和濕度都很敏感，因此電紡絲納米纖維膜在未來的光纖傳感器中具有良好的應(yīng)用前景。

二、摘要

展示了一種由電紡聚乙烯醇（PVA）納米纖維薄膜覆蓋的光纖錐形傳感器，可同時測量濕度和溫度。在兩根引出和引出單模光纖（SMF）之間夾著一段多模光纖（MMF），并將其進一步細化至 29 μm，以提高傳感器的濕度靈敏度。通過電紡絲技術(shù)，在 MMF 的錐形區(qū)域均勻涂上一層薄薄的電紡絲 PVA 納米纖維膜。為了提高電紡絲納米纖維的濕度靈敏度和機械強度，將碳納米管（CNTs）混合到 PVA 中，形成 PVA/CNTs 復合納米纖維膜。光纖布拉格光柵（FBG）與濕度傳感光纖級聯(lián)，可同時監(jiān)測環(huán)境溫度。CNT 的加入有效消除了電紡納米纖維上的裂紋，使其更加均勻光滑。實驗結(jié)果表明，帶有 PVA/CNTs 薄膜的傳感器的濕度靈敏度為 0.0484 dB/%RH，比帶有 PVA 薄膜的傳感器的靈敏度 0.0369 dB/%RH 提高了 31.16%。利用電紡絲技術(shù)制成的納米纖維濕度敏感膜具有令人滿意的濕度響應(yīng)、特殊的三維結(jié)構(gòu)和廣泛的應(yīng)用前景。

三、結(jié)論

總之，我們設(shè)計出了一種使用錐形 MMF 與 FBG 級聯(lián)的光纖傳感器，可以同時測量溫度和濕度。在光纖傳感器上涂覆濕度敏感膜的傳統(tǒng)方法被引入電紡絲法來替代。在 PVA 電紡納米纖維中加入 CNT 后，濕度靈敏度得到了提高。此外，機械強度也得到了提高。實驗結(jié)果表明，使用 PVA/CNTs 復合納米纖維膜設(shè)計的傳感器的濕度靈敏度為 0.0483 dB%/RH，比使用 PVA 納米纖維膜的傳感器高 31.16%。CNT 的加入有效消除了電紡絲納米纖維上的裂紋，使其更加均勻光滑。傳感器的溫度靈敏度是通過監(jiān)測 FBG 中心波長的移動獲得的。這種通過電紡絲制備的納米纖維濕度敏感膜具有特殊的三維納米結(jié)構(gòu)，濕度響應(yīng)令人滿意，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1.傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

 

圖2.不同電壓下 PVA 電紡絲納米纖維的掃描電鏡圖像。(a) 14.5 kV (b) 16.5 kV (c) 18.5 kV (d) 22.5 kV。

 

圖3.不同注射速度下 PVA 電紡絲納米纖維的掃描電鏡圖像。(a) 0.0010 mm/s (b) 0.0015 mm/s (c) 0.0020 mm/s (d) 0.0025 mm/s。

 

圖4.電紡絲工藝、錐形 MMF 和錐形 MMF 與 PVA/CNTs 復合納米纖維膜的示意圖。

 

圖5.溫濕度反應(yīng)實驗測試示意圖。