一種基于“顏色變化”和“光譜”的濕度測試紙

近日，中國計量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院沈常宇教授課題組研究了一種基于“顏色變化”和“光譜”的“濕度測試紙”，研究成果以Color-changing and optical spectra based “humidity test paper”為題發(fā)表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。

相對濕度（RH）監(jiān)測在食品儲存、衛(wèi)生監(jiān)測和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。與傳統(tǒng)的電濕度傳感器相比，基于光纖的濕度傳感器在的各個領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用?；诠饫w的RH傳感主要依賴于光纖表面涂覆的濕敏感材料在吸濕解吸過程中的折射率變化。這種折射率的變化可以進一步導(dǎo)致光纖RH傳感器的測量光譜的波長偏移或/和強度的變化。不同的濕度敏感材料在響應(yīng)時間、靈敏度和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出不同的性能。

本文提出了一種基于蝕刻傾斜光纖布拉格光柵（ETFBG）的濕度傳感器，該傳感器表面涂有結(jié)晶紫/全氟磺酸復(fù)合膜（CV/Nafion）。在10%到80%的相對濕度范圍內(nèi)，ETFBG表面的CV/Nafion復(fù)合涂層的顏色在黃色和綠色之間變化（當(dāng)然，這些顏色及其變化與混合涂層配比以及厚度等相關(guān)），它可以作為一種光學(xué)“濕度試紙”，直接從涂層顏色變化可以估計周圍環(huán)境的相對濕度。此外，環(huán)境濕度的變化會引起CV/Nafion復(fù)合薄膜折射率的變化，從而導(dǎo)致ETFBG光譜中包層模式強度的變化。通過跟蹤包層模式諧振在1543.5 nm處的強度變化，在10% ~ 80%的相對濕度范圍內(nèi)獲得了0.068 dB/%RH的最大相對濕度靈敏度。

圖1為本研究中的濕敏薄膜變色示意圖。如圖所示，在不同相對濕度（RH）條件下，CV/Nafion復(fù)合膜的顏色會發(fā)生相應(yīng)的變化。隨著濕度的增加，復(fù)合膜的顏色從10%的黃色逐漸過渡到80%的綠色。從圖1(a)中不同相對濕度條件下“濕度測試紙”的顏色中提取了RGB值，并將這些RGB值與相對濕度進行多項式擬合，得到了相應(yīng)的擬合曲線。

圖1 不同濕度環(huán)境下濕度敏感膜的顏色變化：從10%(黃色)到80%(綠色)

圖2 濕度敏感薄膜對水溶液、人體呼吸和織物的濕度響應(yīng)。（a）濕度敏感膜對水溶液的濕度響應(yīng)。（b）直接用鼻子呼吸的濕度響應(yīng)（c）將濕度敏感膜置于口罩外用于鼻腔呼氣和吸氣監(jiān)控（d）用于織物的濕度敏感膜的濕度響應(yīng)。

圖3(a)展示了使用CV/Nafion復(fù)合膜涂層的ETFBG在相對濕度（RH）為10%和80%時的光譜。觀察光譜可以發(fā)現(xiàn)，隨著RH從10%逐漸增加到80%，光譜發(fā)生了明顯的變化。如圖3(b)所示，本研究選擇了6個包層模式共振來研究RH靈敏性。

圖3 ETFBG包覆CV/Nafion復(fù)合膜在RH分別為10%和80%條件下的光譜響應(yīng)

該研究提出了一種新型的CV/Nafion復(fù)合膜的濕度材料來監(jiān)測相對濕度的變化。復(fù)合膜的顏色在黃色和綠色之間變化，RH范圍在10%到80%之間，作為一種光學(xué)“濕度測試紙”。它可以用于任何物體的濕度監(jiān)測，無論它們是以液體、氣體或固體的形式存在。此外，還提出了一種CV/Nafion復(fù)合膜涂層ETFBG傳感器的梳狀透射光譜來定量監(jiān)測RH的變化。當(dāng)RH從10%增加到80%時，所提出的ETFBG傳感器具有較高的靈敏度，為0.068 dB/%RH，響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為4.4 s和4.6 s。本文所提出的光纖“濕度測試紙”不僅能直觀地感知相對濕度的變化，還能定性地測量相應(yīng)的變化值，對相對濕度監(jiān)測具有重要的應(yīng)用前景。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.135060

審核編輯：劉清