一、研究背景

光纖傳感器以光信號(hào)為傳輸手段，可檢測(cè)多種物理量。與典型的電子傳感器相比，光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如抗泄漏、防火、抗射頻和其他電磁干擾以及抗輻射。它們適用于長(zhǎng)距離傳輸，在分布式傳感應(yīng)用中非常有用。這些特性在許多惡劣的環(huán)境中具有特別的優(yōu)勢(shì)，包括目前在工業(yè)和國防領(lǐng)域的應(yīng)用。除了進(jìn)行物理量測(cè)量，近年來許多學(xué)者還利用納米材料、高分子材料和磁控濺射制造了各種傳感器層。這些不同的傳感層可用于濕度、生物醫(yī)學(xué)、電磁場(chǎng)檢測(cè)以及制造靈敏度更高的光纖傳感器。

U 形光纖傳感器的傳感原理是光纖的耳語畫廊模式（WGM）。WGM 于 1910 年由英國物理學(xué)家 Lord Rayleigh 提出。人們最初認(rèn)為這種現(xiàn)象只發(fā)生在聲波沿彎曲的壁面?zhèn)鞑r(shí)，但后來發(fā)現(xiàn)光波中也有類似的效應(yīng)。Tiegen Liu 及其同事指出，當(dāng)光纖的彎曲半徑足夠小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種特殊的 WGM 波長(zhǎng)譜，由于光纖彎曲區(qū)域的纖芯和包層內(nèi)的干涉和耦合作用，光的傳播會(huì)得到增強(qiáng)。在這種特殊的 WGM 波長(zhǎng)譜中可以觀察到多個(gè)波峰和波谷。彭興玲領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于 U 形光纖的溫度傳感器，方法是在傳感器表面涂上油墨，將其彎曲成 U 形，然后將其浸入電鍍?nèi)芤褐校?0 °C 至 80 °C 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行電鍍。隨著溫度的升高，光纖和涂層不同的熱膨脹系數(shù)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力改變了纖芯和涂層的折射率，從而改變了彎曲半徑，增加了光纖的彎曲損耗。

聚乙烯醇（PVA）是一種容易獲得的聚合物，其分子結(jié)構(gòu)中含有許多羥基。由于它易于制造、可生物降解、具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和物理性能，因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。此外，電紡絲技術(shù)因其傳感區(qū)域比表面積大、孔隙率高、吸收能力強(qiáng)、生物相容性好，以及在生物傳感和環(huán)境方面的優(yōu)異性能，已成為制造微結(jié)構(gòu)納米纖維的便捷技術(shù)。靜電紡絲儀器制備的傳導(dǎo)聚合物納米纖維因其良好的導(dǎo)電性和透明性，在軟電子學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。例如，Ning Chen 及其同事利用 PVA 涂層錐形纖維提出了一種具有低溫靈敏度的高靈敏濕度傳感器。錐形纖維的微米級(jí)直徑使其對(duì)環(huán)境介質(zhì)高度敏感。王嘉凱領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種基于表面等離子體共振（SPR）的雙 D 形光纖溫濕度傳感器。雙 D 型光纖的兩個(gè)平面分別涂有乙醇（溫度敏感材料）和 PVA（濕度敏感材料）。通過應(yīng)用熱重分析（TGA），Seon Jeong Kim 及其同事發(fā)現(xiàn) PVA 在 30 至 100 °C 范圍內(nèi)具有極佳的熱穩(wěn)定性。Abolfazl Noorjahan 和他們的同事也發(fā)現(xiàn) PVA 在 30-100 °C范圍內(nèi)具有極佳的熱膨脹系數(shù)。本研究將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于利用電紡 PVA 設(shè)計(jì) U 型光纖傳感器，并通過實(shí)驗(yàn)分析溫度變化對(duì)其產(chǎn)生的影響。

二、摘要

本研究描述了一種用于溫度測(cè)量的電紡 U 形光纖傳感器的制造過程。該傳感器以單模光纖為基礎(chǔ)，通過火焰加熱制成 U 形光纖傳感器。這項(xiàng)研究利用靜電紡絲儀器在傳感器層上涂覆聚合物 PVA，以降低其對(duì)濕度的敏感性。該傳感器用于測(cè)量 30 °C 至 100 °C 的溫度變化。本研究的目的是分析不同電紡絲持續(xù)時(shí)間導(dǎo)致傳感器層厚度不同時(shí)的靈敏度變化，并使用 COMSOL 模擬不同電紡絲持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生的波長(zhǎng)信號(hào)。結(jié)果顯示，傳感器的最大波長(zhǎng)靈敏度、傳輸損耗靈敏度和線性度分別為 25 dBm/°C、70 pm/°C 和 0.956。電紡絲持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，傳感器層越厚，傳感器靈敏度越高，傳感器的波長(zhǎng)靈敏度提高了 42%。

三、 結(jié)論

這種通過 U 形光纖實(shí)現(xiàn)的不同溫度傳感器是通過電紡納米纖維工藝實(shí)現(xiàn)的。通過 PVA 聚合物提供了電紡納米纖維材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和特性，并通過 COMSOL Multiphysics 6.0--波光學(xué)模塊進(jìn)行光譜模擬，以進(jìn)行電場(chǎng)分析。研究結(jié)果表明，由于 PVA 和 U 型光纖的納米纖維特性，隨著電紡納米纖維過程持續(xù)時(shí)間的增加，共振波長(zhǎng)的靈敏度也隨之增加。傳感器的峰值信號(hào)隨彎曲半徑的變化而移動(dòng)。當(dāng)光線進(jìn)入彎曲區(qū)域時(shí)，纖芯和包層界面上的全反射并不一致，U 型光纖的彎曲區(qū)域會(huì)形成漏模。發(fā)生在包層和外部介質(zhì)界面上的反射會(huì)形成 WGM。然后，我們總結(jié)出傳感器的諧振波長(zhǎng)靈敏度和傳輸損耗分別為 0.079 nm/°C 和 0.025 dB/°C。共振波長(zhǎng)靈敏度隨電紡納米纖維工藝的持續(xù)時(shí)間而增加，傳感器的線性度為 0.999。

圖1.(a) 通過火焰加熱制作 U 形光纖的示意圖；(b) 紫外線固化和封裝過程示意圖。

 

圖2.在傳感器上電紡 PVA 層的示意圖。

 

圖3.不同電紡持續(xù)時(shí)間下形成的電紡 U 型光纖產(chǎn)品（a）5 分鐘，直徑 = 3448 μm；（b）10 分鐘，直徑 = 2514 μm；（c）15 分鐘，直徑 = 2988 μm；（d）條狀 U 型光纖的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像；（e）電紡纖維的掃描電鏡圖像；（f）掃描電鏡圖像顯示電紡 PVA 纖維后的纖維形態(tài)。

 

圖4.溫度實(shí)驗(yàn)裝置。U 形光纖的電紡 PVA 涂層傳感器與 ASE 和 OSA 相連，并被放入帶有 k 型熱電偶的加熱爐中。