高灵敏度光纤温湿度传感器：实现环境参数精准监测的新突破

在我们的日常生活中，从食品工厂的洁净车间到医院的手术室，从大型数据中心到家中的智能温室，对环境的温度和相对湿度进行精确监测都至关重要。传统的电子传感器虽然普及，但在强电磁干扰、易燃易爆或具有腐蚀性的环境中，其应用便受到了限制。

近年来，光纤传感器如同一匹“黑马”异军突起。它们体积小巧、本质安全、不受电磁干扰，并且具有极高的灵敏度，正在成为精密测量领域的新宠。其中，如何用一根纤细的光纤同时、高精度地测量温度和湿度，一直是研究人员努力的方向。

近期，南京信息工程大学电子与信息工程学院的胡子怡、常建华等研究团队在《光学学报》 上发表了一项题为 《基于法布里-珀罗干涉和反共振效应的光纤温湿度传感器》 的研究论文，提出并成功制备了一种新型光纤传感器。它巧妙地结合了两种光学效应，实现了对温度和相对湿度的高灵敏度、同步测量，为未来在各种严苛或精密场景下的环境监测提供了强有力的技术工具。

级联传感器结构示意图

一、 巧妙的设计：当“光学游标卡尺”遇上“温度感应涂层”

该传感器的核心设计思想可以概括为“分工协作，级联增效”。它并非一个单一的传感单元，而是将两个功能不同的光学结构——法布里-珀罗干涉仪（FPI） 和 反共振（AR）波导——串联在一根光纤上。

1.用于测湿的“光学游标卡尺”（FPI结构）

研究人员将一段普通的单模光纤和一段端面固化了聚酰亚胺（PI） 薄膜的带涂层无芯光纤，面对面地插入一根中间被腐蚀开窗的硅管两端。这样，在光纤端面之间就形成了以空气和PI薄膜为介质的微型光学谐振腔，即法布里-珀罗腔。

光在这些腔内的多个界面间反射并相互叠加，形成干涉光谱。其精妙之处在于，设计使得由空气构成的腔与由“空气-PI”混合构成的腔具有非常相似的光学长度。当两个周期相近的干涉光谱叠加时，会产生一种“游标效应”——这就像我们使用游标卡尺，主尺和游标尺的刻度周期略有差异，通过观察游标对齐的刻度，可以精确测量出微小的长度变化。在这里，游标效应将一个微小的湿度变化引起的光谱移动，放大成了一个非常明显、易于追踪的包络峰的整体移动。

2.用于测温的“温度感应涂层”（AR结构）

穿过FPI结构的光，继续向前传播，进入一段带有丙烯酸树脂涂层的无芯光纤。在这里，光会在光纤包层和更高折射率的涂层之间反复折射、反射，形成一种名为 “反共振” 的效应。在这种效应下，某些特定波长的光无法在光纤中稳定传输，会在光谱上形成尖锐的“衰落谷”，即非透射峰。

      丙烯酸树脂涂层对温度非常敏感，温度变化会直接改变其折射率。根据波动光学原理，涂层折射率的微小变化，就足以让那些“不受欢迎”的非透射峰的波长位置发生显著的漂移。通过精确追踪这个漂移量，就能反推出环境的温度值。

二、 卓越的性能：高灵敏度与双参数解耦

1. 湿度测量：灵敏度放大，响应精准

实验结果表明，在29.5℃的恒温环境下，当相对湿度从10%升高到80%时，FPI结构产生的游标包络峰发生了清晰的“红移”（即波长向长波方向移动）。经过数据拟合，其湿度灵敏度高达510.25 pm/%，这意味着湿度每变化1%，传感器的特征波长就会移动0.51纳米。研究指出，这一灵敏度相较于单个FP腔的灵敏度，被放大了约5倍，这正是游标效应的威力所在。

2. 温度测量：负温系数，灵敏异常

在保持环境湿度为33%的条件下，当温度从26℃升至35℃时，AR结构的透射光谱发生了显著变化。其特征非透射峰随着温度升高出现了明显的“蓝移”（波长向短波方向移动），并且振幅也有所改变。其温度灵敏度达到了惊人的 -4.48 nm/℃。这个负号表示波长随温度升高而缩短，其绝对值之大，远超许多传统的光纤温度传感器，这得益于丙烯酸树脂涂层优异的热光效应。

3. 同步测量与解耦：互不干扰，结果可靠

在实际应用中，温湿度往往是同时变化的。该传感器的先进之处在于，湿度信息只影响FPI的反射光谱，而温度信息只影响AR的透射光谱。这两个信号在物理通道上是分离的，可以被光谱仪同时但独立地采集。

研究人员据此建立了一套简单的解耦算法。通过同时读取反射谱包络峰和透射谱非透射谷的波长值，就能直接、独立地计算出当前的相对湿度和温度，无需复杂的信号分离算法，极大地简化了数据处理过程。为验证该方法的准确性，团队进行了温湿度同时变化的测试，结果显示，计算值与实际设定值的相对误差分别仅为0.74%和0.19%，证明了该传感器和解耦方案的高度可靠性。

三、 可靠的品质：稳定且可重复

对于一个优秀的传感器而言，除了高灵敏度， 稳定性 和 重复性 同样至关重要。

研究团队将传感器置于恒温恒湿（30℃，30% RH）环境中长达60分钟，并持续监测特征波长。结果显示，无论是FPI的包络峰还是AR的非透射谷，其波长波动都非常小，最大位移分别仅为0.12 nm和0.07 nm，表现出优异的短期稳定性。

四、 技术优势与应用前景：简于结构，精于感知

与此前报道的多种光纤温湿度传感器技术相比（如下表所示），本研究提出的传感器在湿度灵敏度和温度灵敏度两方面都达到了很高水平，尤其是温度灵敏度优势明显。

FPI结构：采用端面涂膜和非封闭硅管设计，既保证了聚酰亚胺能与环境水分子充分、快速响应，又解决了在毛细管内填充敏感材料难以控制膜厚和均匀性的难题。

AR结构：直接利用无芯光纤自带的商用丙烯酸树脂涂层作为温敏元件，无需额外镀膜，工艺简单，成本低廉，且避免了如表面等离子共振（SPR）传感器中贵金属薄膜易脱落、不易保存的问题。

整体结构：全部由标准光纤元件通过熔接和组装构成，结构紧凑、坚固，制备重复性高，具备大规模应用的潜力。

综上所述，南京信息工程大学团队开发的这款基于法布里-珀罗干涉与反共振效应的级联光纤传感器，成功地实现了结构简化与性能提升的统一。它不仅为环境监测、工业过程控制、农业精准栽培等领域提供了一种高性能的感知手段，其小巧、抗干扰的特性也使其在生物医学检测、体内健康监护、微环境监测等前沿领域展现出巨大的应用潜力。随着物联网和智能传感时代的到来，这类高性能、低成本的微型化光纤传感器，有望成为构建未来智能化、数字化社会感知层的重要基石。