一、研究背景

光纤传感器以光信号为传输手段，可检测多种物理量。与典型的电子传感器相比，光纤传感器具有许多优点，例如抗泄漏、防火、抗射频和其他电磁干扰以及抗辐射。它们适用于长距离传输，在分布式传感应用中非常有用。这些特性在许多恶劣的环境中具有特别的优势，包括目前在工业和国防领域的应用。除了进行物理量测量，近年来许多学者还利用纳米材料、高分子材料和磁控溅射制造了各种传感器层。这些不同的传感层可用于湿度、生物医学、电磁场检测以及制造灵敏度更高的光纤传感器。

U 形光纤传感器的传感原理是光纤的耳语画廊模式（WGM）。WGM 于 1910 年由英国物理学家 Lord Rayleigh 提出。人们最初认为这种现象只发生在声波沿弯曲的壁面传播时，但后来发现光波中也有类似的效应。Tiegen Liu 及其同事指出，当光纤的弯曲半径足够小时，会产生一种特殊的 WGM 波长谱，由于光纤弯曲区域的纤芯和包层内的干涉和耦合作用，光的传播会得到增强。在这种特殊的 WGM 波长谱中可以观察到多个波峰和波谷。彭兴玲领导的团队开发了一种基于 U 形光纤的温度传感器，方法是在传感器表面涂上油墨，将其弯曲成 U 形，然后将其浸入电镀溶液中，在 0 °C 至 80 °C 的温度范围内进行电镀。随着温度的升高，光纤和涂层不同的热膨胀系数所产生的热应力改变了纤芯和涂层的折射率，从而改变了弯曲半径，增加了光纤的弯曲损耗。

聚乙烯醇（PVA）是一种容易获得的聚合物，其分子结构中含有许多羟基。由于它易于制造、可生物降解、具有优异的耐化学性和物理性能，因此被广泛应用于各个领域。此外，电纺丝技术因其传感区域比表面积大、孔隙率高、吸收能力强、生物相容性好，以及在生物传感和环境方面的优异性能，已成为制造微结构纳米纤维的便捷技术。静电纺丝仪器制备的传导聚合物纳米纤维因其良好的导电性和透明性，在软电子学领域受到广泛关注。例如，Ning Chen 及其同事利用 PVA 涂层锥形纤维提出了一种具有低温灵敏度的高灵敏湿度传感器。锥形纤维的微米级直径使其对环境介质高度敏感。王嘉凯领导的研究小组提出了一种基于表面等离子体共振（SPR）的双 D 形光纤温湿度传感器。双 D 型光纤的两个平面分别涂有乙醇（温度敏感材料）和 PVA（湿度敏感材料）。通过应用热重分析（TGA），Seon Jeong Kim 及其同事发现 PVA 在 30 至 100 °C 范围内具有极佳的热稳定性。Abolfazl Noorjahan 和他们的同事也发现 PVA 在 30-100 °C范围内具有极佳的热膨胀系数。本研究将这些发现应用于利用电纺 PVA 设计 U 型光纤传感器，并通过实验分析温度变化对其产生的影响。

二、摘要

本研究描述了一种用于温度测量的电纺 U 形光纤传感器的制造过程。该传感器以单模光纤为基础，通过火焰加热制成 U 形光纤传感器。这项研究利用静电纺丝仪器在传感器层上涂覆聚合物 PVA，以降低其对湿度的敏感性。该传感器用于测量 30 °C 至 100 °C 的温度变化。本研究的目的是分析不同电纺丝持续时间导致传感器层厚度不同时的灵敏度变化，并使用 COMSOL 模拟不同电纺丝持续时间产生的波长信号。结果显示，传感器的最大波长灵敏度、传输损耗灵敏度和线性度分别为 25 dBm/°C、70 pm/°C 和 0.956。电纺丝持续时间越长，传感器层越厚，传感器灵敏度越高，传感器的波长灵敏度提高了 42%。

三、 结论

这种通过 U 形光纤实现的不同温度传感器是通过电纺纳米纤维工艺实现的。通过 PVA 聚合物提供了电纺纳米纤维材料的独特结构和特性，并通过 COMSOL Multiphysics 6.0--波光学模块进行光谱模拟，以进行电场分析。研究结果表明，由于 PVA 和 U 型光纤的纳米纤维特性，随着电纺纳米纤维过程持续时间的增加，共振波长的灵敏度也随之增加。传感器的峰值信号随弯曲半径的变化而移动。当光线进入弯曲区域时，纤芯和包层界面上的全反射并不一致，U 型光纤的弯曲区域会形成漏模。发生在包层和外部介质界面上的反射会形成 WGM。然后，我们总结出传感器的谐振波长灵敏度和传输损耗分别为 0.079 nm/°C 和 0.025 dB/°C。共振波长灵敏度随电纺纳米纤维工艺的持续时间而增加，传感器的线性度为 0.999。

图1.(a) 通过火焰加热制作 U 形光纤的示意图；(b) 紫外线固化和封装过程示意图。

 

图2.在传感器上电纺 PVA 层的示意图。

 

图3.不同电纺持续时间下形成的电纺 U 型光纤产品（a）5 分钟，直径 = 3448 μm；（b）10 分钟，直径 = 2514 μm；（c）15 分钟，直径 = 2988 μm；（d）条状 U 型光纤的光学显微镜（OM）图像；（e）电纺纤维的扫描电镜图像；（f）扫描电镜图像显示电纺 PVA 纤维后的纤维形态。

 

图4.温度实验装置。U 形光纤的电纺 PVA 涂层传感器与 ASE 和 OSA 相连，并被放入带有 k 型热电偶的加热炉中。