第32卷，第2期 2012年2月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究
张少华，曾捷，孙晓明，穆昊，梁大开
南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室，江苏南京210016
Vol.32,No.2,pp402-406 February,2012
摘要提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器。首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性，在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA 薄膜来实现环境相对湿度的监测。研究结果表明，增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果，其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59%/%RH，较光纤SPR探针呈现显著提高。而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/% RH。此外所提出的新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用。
光纤传感器；表面等离子体共振（SPR)；湿敏特性；PVA薄膜
关键词
中图分类号：O539
引言
文献标识码：A
DOl: 10. 3964/j. issn. 10000593(2012)02-0402-05
文提出通过在光纤SPR探针表面涂覆聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA)作为湿敏薄膜来实现对环境的相对湿度测定，并分别研究了光纤SPR探针(未镀PVA膜)与增覆PVA湿
湿度传感器作为环境监测中一种重要的传感器，在粮食仓储、纺织行业、土木工程、环境监测、气象等方面有着广泛的应用。目前常见的湿度测量设备包括机械型湿度计、干湿球湿度计和电子型湿度传感器。其中机械型湿度计构造简单，但精度及应用范围有限。电子型湿度传感器精度较高，测量范围大，灵缴度高，但易受电磁波干扰。
随着光纤和光集成技术的发展，光纤湿度传感器由于体积小、抗电磁干扰、灵敏度高等优点受到极大关注[3.4]。如 Venugopalan等[S通过在光纤Bragg光栅表面涂覆PVA薄膜制作了一种较高灵敏度的湿度传感器，但由于光纤光栅特有的应变/温度交叉敏感特性，使其监测精度易受温度因素影响。宋韵等")通过在长周期光纤光栅表面涂覆一层新型复合纳米水凝胶，实现了高灵敏度湿度监测。朱涛等学者[刀通过在空芯F-P干涉传感器的腔内填充具有较强吸水性的新型纳米复合水凝胶构成了一种对温度不敏感的微型光纤F-P湿度计。
表面等离子体共振（surfaceplasmonresonance，SPR）是发生在金属与非导电介质分界面处的光学物理现象，对环境折射率的变化非常敏感。由于光纤SPR传感器具有对外界环境折射率变化敏感而对环境温度变化灵敏度低的特点，本
墩薄膜的光纤SPR探针所对应的湿敏特性及其共振特征光谱。
增覆PVA薄膜的光纤SPR湿敏原理
聚乙烯醇(PVA)薄膜是一种吸水性较强的薄膜材料。其分子结构式如图1所示，PVA分子中含有大量羟基，而羟基是强亲水性基团，所以它是一种水溶性的高分子化合物。在外界环境湿度变化时PVA薄膜吸附的水分子将相应变化，其有效折射率也会发生一定程度改变[8-9]。尽管光纤SPR传感器本身具有良好的折射率灵缴特性，但由于湿度变化对空气折射率的变化影响有限，因此通过在光纤SPR传感器探针表面增覆PVA薄膜，可以有效提高光纤SPR探针对外界环境湿度变化的敏感度。
HO
HHO
G
H
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H
HC
HHU
HH
H
Fig, 1 Polyvinyl alcohol(PVA)
收稿日期：2011-05-23，修订日期：2011-08-19
8102）（9002802069
(BK2009370)，中国博士后科学基金项目(20090461116)，江苏省博土后科研计划项目(1001010B)，611航空科研基金项目，南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金项目(201001002)资助
作者简介：张少华，1986年生，南京航空航天大学航空宇航学院硕士研究生万方数据
e-mail; zhang-1. 3@163, com