一、研究背景

湿度监测在工业、农业、医疗、化工和建筑领域尤为重要。近来，各行各业对湿度传感器的需求促进了对不同类型光纤湿度传感器的不断研究。开发一种灵敏度高、湿度响应范围大的湿度传感器十分必要。对于某些狭窄、电磁辐射强烈、高温高压的环境，传统的湿度传感器将无法正常工作。而光纤湿度传感器可以克服这些极端环境的影响，正常工作。因此，光纤湿度传感器的发展受到越来越多的关注。

基于多模干涉的光纤传感结构对环境折射率变化高度敏感，因此被广泛开发为通过探测包层模式扰动的折射仪。由于二氧化硅光纤本身对环境湿度变化不敏感，因此将湿度敏感材料与光纤相结合是制造高灵敏度湿度传感器的传统方法。常用的光纤湿度传感器材料包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、壳聚糖、琼脂糖、海藻酸钙、聚酰亚胺（PI）、羧甲基纤维素（CMC）、PVA。其中，PVA 是一种广泛应用于光纤湿度传感器的高分子聚合物。PVA 是一种具有半晶体结构的水溶性聚合物。PVA 具有良好的吸湿性、生物相容性和化学稳定性，易溶于水。此外，它还具有良好的成纤、成膜和内聚性能。PVA 在化纤、医药和食品工业中有着广泛的应用。由于这些优点，许多光纤湿度传感器都选择 PVA 作为湿度敏感材料。

锥形光纤传感器灵敏度高、结构紧凑、动态响应范围宽、成本低。因此，出现了许多锥形传感器，如折射率传感器、生化传感器、应变传感器、压力传感器和温度传感器。当入射光传输到锥形区域时，锥形光纤的纤芯变细，导致纤芯导模的模场半径发生变化，从而转化为锥形腰部的包层传输。当在锥形腰部涂上一层湿度敏感材料时，湿度敏感材料的折射率会随着湿度的变化而变化，从而导致输出光的光功率发生变化。光纤传感器一般需要与湿度敏感材料相结合，才能具有高灵敏度特性。

通常使用的成膜方法有真空蒸发法、离子溅射镀膜法、溶胶-凝胶技术、逐层自组装法 (LBL) 和浸涂法。与这些方法相比，电纺丝是在光纤表面形成一层纳米纤维膜的简单而有效的方法。电纺丝是指聚合物熔化或溶解后，通过高压电场的作用形成纳米纤维的过程。首先，聚合物溶液在高压静电场的作用下带有一定量的静电荷。其次，液滴在电场力和溶液表面张力的相互作用下形成毛细管的泰勒锥。然后，随着电压的增加，带点的小液滴在针尖的顶点被加速。最后，当电场力大到足以克服表面张力的限制时，聚合形成喷雾液滴，喷出细流。随着溶剂在喷射过程中蒸发或凝固，细流最终会在接地接收装置上形成纳米纤维膜。电纺丝技术可用于连续制备直径低至几纳米的纤维。电纺丝制备的纳米纤维直径为纳米级，通常在 3nm-5μm 之间。与传统涂膜相比，通过静电纺丝设备加工的纳米纤维具有更大的比表面积，可以吸收大量的水分子。然而，利用电纺丝纳米纤维膜制造光纤湿度传感器的研究相对较少。

碳纳米管因其独特的结构、机械性能和电气性能而备受关注。它在纳米电子器件、高强度复合材料、传感器、催化剂和生物分子载体等多个研究领域都取得了重大突破。由于 CNT 具有较大的表面积与体积比，因此非常适合吸收水分子或其他气体分子，从而可用于湿度检测。 与传统的光纤镀膜方法不同，静电纺丝设备可快速、简单地构建湿度敏感纳米纤维膜。实验测试表明，电纺丝纳米纤维膜传感器对温度和湿度都很敏感，因此电纺丝纳米纤维膜在未来的光纤传感器中具有良好的应用前景。

二、摘要

展示了一种由电纺聚乙烯醇（PVA）纳米纤维薄膜覆盖的光纤锥形传感器，可同时测量湿度和温度。在两根引出和引出单模光纤（SMF）之间夹着一段多模光纤（MMF），并将其进一步细化至 29 μm，以提高传感器的湿度灵敏度。通过电纺丝技术，在 MMF 的锥形区域均匀涂上一层薄薄的电纺丝 PVA 纳米纤维膜。为了提高电纺丝纳米纤维的湿度灵敏度和机械强度，将碳纳米管（CNTs）混合到 PVA 中，形成 PVA/CNTs 复合纳米纤维膜。光纤布拉格光栅（FBG）与湿度传感光纤级联，可同时监测环境温度。CNT 的加入有效消除了电纺纳米纤维上的裂纹，使其更加均匀光滑。实验结果表明，带有 PVA/CNTs 薄膜的传感器的湿度灵敏度为 0.0484 dB/%RH，比带有 PVA 薄膜的传感器的灵敏度 0.0369 dB/%RH 提高了 31.16%。利用电纺丝技术制成的纳米纤维湿度敏感膜具有令人满意的湿度响应、特殊的三维结构和广泛的应用前景。

三、结论

总之，我们设计出了一种使用锥形 MMF 与 FBG 级联的光纤传感器，可以同时测量温度和湿度。在光纤传感器上涂覆湿度敏感膜的传统方法被引入电纺丝法来替代。在 PVA 电纺纳米纤维中加入 CNT 后，湿度灵敏度得到了提高。此外，机械强度也得到了提高。实验结果表明，使用 PVA/CNTs 复合纳米纤维膜设计的传感器的湿度灵敏度为 0.0483 dB%/RH，比使用 PVA 纳米纤维膜的传感器高 31.16%。CNT 的加入有效消除了电纺丝纳米纤维上的裂纹，使其更加均匀光滑。传感器的温度灵敏度是通过监测 FBG 中心波长的移动获得的。这种通过电纺丝制备的纳米纤维湿度敏感膜具有特殊的三维纳米结构，湿度响应令人满意，具有广泛的应用前景。

图1.传感器结构示意图。

 

图2.不同电压下 PVA 电纺丝纳米纤维的扫描电镜图像。(a) 14.5 kV (b) 16.5 kV (c) 18.5 kV (d) 22.5 kV。

 

图3.不同注射速度下 PVA 电纺丝纳米纤维的扫描电镜图像。(a) 0.0010 mm/s (b) 0.0015 mm/s (c) 0.0020 mm/s (d) 0.0025 mm/s。

 

图4.电纺丝工艺、锥形 MMF 和锥形 MMF 与 PVA/CNTs 复合纳米纤维膜的示意图。

 

图5.温湿度反应实验测试示意图。