第36卷，第9期 2016年9月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.36,No.9,pp3008-3013
September, 2016
光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器
部敏1，2，养学光3，傅海威1，李岩1，姚妮，贾振安
1.西安石油大学理学院陕西省光电传感测井重点实验室，陕西西安710065 2.西北工业大学理学院陕西省光信息技术重点实验室，陕西西安710072 3.西北大学物理学院，陕西西安710069
4.浙江大学光电工程系现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州310027
摘要提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌人单模-多模纤芯-单模（single-mode-multimodefiber core-single mode，SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时，SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移，而光纤布拉格光栅对湿度不敏感，其纤芯基模保持不变，因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模，通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量，数值模拟了 SMS光纤结构的内部光场分布规律，理论计算了不同环境折射率时，多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明，随若环境折射率变化，SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究，实验结果表明多模纤芯长35mm、纤芯直径为85μm的传感器在45%~95%RH湿度变化范围内，湿度灵敏度为0.06dBm·（% RH)-1。在20～~80℃温度范围内，传感器的温度灵敏度为0.008nm，℃-1，温度所带来的湿度测量误差为 0.047%RH·C-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点，在湿度测量领域有一定的应用价值。
关键词光纤布拉格光栅；单模-多模纤芯-单模光纤结构；湿度传感
中图分类号：TN253
引言
文献标识码：A
D0I: 10. 3964/j. issn. 10000593(2016)09-3008-06
注。基于光纤布拉格光栅的湿度传感器，具有结构紧凌、能够波分复用等优点，在光纤型湿度传感器中研究较多。由于光纤布拉格光栅自身对外界环境的湿度变化不感，为了提
显度是指空气中的水蒸气的含有量，表示空气的十燥程度，常用的度量值有绝对湿度、露点、相对湿度等。绝对湿度是指单位体积空气中含有水蒸气的质量，与温度和压力有关。露点指空气中水蒸气含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度，相对湿度（relativehumidity，RH）表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值。湿度测量在气象、农林业、生物化学、建筑、医疗卫生等领域中有着广泛的应用。尤其在林业中，湿度是林火预报重要的衡量指标之一，空气中的水分含量是森林能否燃烧以及衡量林火蔓延速度的重要参数，相对湿度越大，可燃物的水分吸收越快，蒸发越慢，可燃物含水量增加，越不容易发生火灾。所以湿度的测量尤为重要。与传统的电类湿度传感器相比，光纤型湿度传感器1-3可工作在严重污染和强电磁干扰的环境中，可实现多点、远距离测量，而且无污染，吸引了广泛关
收稿日期：2015-01-08，修订日期：2015-05-16
高光纤布拉格光栅的显度灵敏度，研究者们提出了多种方案。一是在光纤布拉格光栅上涂覆湿敏材料4-)，如聚酰亚胺、水凝胶、聚乙烯醇等。Ding在光纤布拉格光栅上涂覆聚酷胺，实现了20%~80%RH湿度范围内的湿度测量 David7在化学腐蚀光纤光栅直径后涂覆玻璃增强型聚酰亚胺，传感器的灵敏度可达1.28pm·（%RH)-1。由于湿材料在高温作用下性能容易发生改变，所以镀膜类湿度传感器的稳定性会受到一定的影响。二是写制特殊的光纤光栅8-9，如Yuan10在镀制环烯烃类共聚物(TOPAS)的微结构光纤上写人光纤布拉格光栅，传感器的度灵度为一0.7pm·(%RH)-1。但这种方法受限于光纤光栅的写制技术，且增加成本，而且多数的湿度传感器未涉及温度与湿度的交叉灵敏问题，基于此，提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌人单模多模纤芯-单模（single-mode-multimodefibercore-single
基金项目：国家自然科学基金项目（61275088，61327012)和陕西省自然科学基础研究计划项目（2016JQ6021)资助
作者简介：邵，女，1979年生，西安石油大学理学院副教授
e-mail : shaomin@ xsyu, edu, cn