電紡絲PVA納米纖維涂覆U型光纖溫度傳感器的制備、COMSOL模擬及實驗研究

本研究描述了一種用于溫度測量的靜電紡絲U型光纖傳感器的制造。該傳感器以單模纖維為基礎，通過火焰加熱形成U型光纖傳感器。本研究應用靜電紡絲技術將聚合物PVA涂覆到傳感器層上，以降低其濕度敏感性。將所制備的傳感器用于測量30℃-100℃范圍內的溫度變化。本工作旨在分析由不同靜電紡絲時間制備的具有不同傳感層厚度的傳感器的靈敏度變化，并且使用COMSOL模擬在不同靜電紡絲持續時間條件下產生的波長信號。結果表明，傳感器的最大波長靈敏度、傳輸損耗靈敏度和線性度分別為25dBm/℃、70pm/℃和0.956。更長的靜電紡絲持續時間會帶來更厚的傳感器層和更高的傳感器靈敏度，傳感器的波長靈敏度增加了42%。

圖1.（a）通過火焰加熱制造U形光纖的示意圖；（b）UV固化和封裝工藝示意圖。

圖2.將PVA層靜電紡絲到傳感器上的示意圖。

圖3.不同靜電紡絲時間下形成的靜電紡絲U形光纖樣品（a）：5分鐘，直徑=3448μm；（b）10分鐘，直徑=2514μm；（c）15分鐘，直徑=2988μm；（d）U形纖維的光學顯微鏡（OM）圖像；（e）電紡纖維的SEM圖像；（f）SEM圖像顯示電紡PVA纖維涂覆后的纖維形態。

圖4.溫度實驗裝置。將電紡PVA涂覆U形光纖傳感器連接到ASE和OSA，并放入帶有k型熱電偶的加熱爐中。

圖5.（a）光纖模型和（b）網格分析。

圖6.不同靜電紡絲持續時間下電紡PVA涂覆傳感器產生的光譜：（a）5分鐘、（b）10分鐘和（c）15分鐘。

圖7.在COMSOL中模擬的傳感器光譜，靜電紡絲持續時間分別為（a）5分鐘、（b）10分鐘和（c）15分鐘。

圖8.在COMSOL中模擬的傳感器能量場，靜電紡絲持續時間分別為（a）5分鐘、（b）10分鐘和（c）15分鐘。

圖9.（a）5分鐘、（b）10分鐘和（c）15分鐘靜電紡絲時間產生的光譜；（d）5分鐘、（e）10分鐘和（f）15分鐘靜電紡絲持續時間下的光譜分析及誤差條。

圖10.靜電紡絲持續時間-靈敏度關系圖。