用于纸质文物湿度测量的光纤探针、制备方法及检测系统

本发明涉及纸质文物湿度在线检测领域，具体涉及用于纸质文物湿度测量的光纤探针、制备方法及检测系统。

背景技术：

1、纸质文物作为中华民族灿烂历史文明传承最重要的载体，是所有文物类别中数量最多的一类，其材质极度脆弱，保护修复难度极大，遭受腐蚀病害的现象广泛存在并且形势严峻。湿度是引起纸质文物腐蚀病害的主要因素之一。当纸质文物湿度高于阈值时，将降低纸质文物耐久性，导致纤维素水解、溶胀、加剧灰尘破坏力，缩短保存年限；导致字迹褪色，使文物丧失原有的使用价值；导致文物及馆内设施受潮发霉损坏；导致木质、纸质以及丝绸品等藏品变形。当纸质文物湿度低于阈值时，将引起纸质文物收缩、变脆、开裂。因此，研制一种在线准确检测纸质文物湿度的光纤传感器意义重大。

2、当前国内外关于湿度检测的传感器主要有电阻型传感器、电容型传感器、场效应管型传感器、光纤传感器等。但这些电学方法由于稳定性差，传感探头几何尺寸大，而且无法避免电火花，有火灾风险，均不能很好的应用于纸质文物本身湿度信息在线检测中。

3、而现有技术中的光纤传感器常见的有光干涉型、光吸收型、倏逝波型和光纤光栅型湿度传感器，虽然现有技术中的这些光纤湿度传感器具有微结构、响应速度快、抗电磁干扰、无放电危险、耐酸碱腐蚀、灵敏度高、可实现准分布式测量等优点，但同时这些光纤传感器主要是用于检测纸质文物存放环境的空气湿度变化信息，对于纸质文物本身的湿度难以实现在线准确检测。

4、因此，需要针对纸质文物本身湿度的在线检测的设备及方法进行改进。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供用于纸质文物湿度测量的光纤探针、制备方法及检测系统，以解决现有技术中的光纤传感器主要用于检测纸质文物存放环境的空气湿度变化信息，对于纸质文物本身的湿度难以实现在线准确检测的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种用于纸质文物湿度测量的光纤探针，包括光纤，所述光纤的一端具有斜切面，所述斜切面上涂覆有金属膜层；所述金属膜层表面涂覆有湿敏膜，所述湿敏膜中含有海藻酸钠/聚乙烯醇复合湿敏材料；

4、所述光纤嵌入金属管内，所述金属管的一端具有与所述斜切面齐平的倾斜的管切面，所述金属管用于保护光纤自身结构，同时能够隔绝外部环境对所述斜切面上的湿敏材料的影响。

5、用于纸质文物湿度测量的光纤探针的工作原理是：将光纤探针的湿敏膜与纸质文物接触，那么纸质文物中的水分子扩散进入湿敏膜中引起湿敏膜湿度发生变化时，湿敏膜的折射率会随之改变，使得金属膜层与湿敏膜之间的界面条件发生改变，进而引起光纤探针的共振波长发生漂移，共振波长漂移量与湿敏膜中的湿度具有一一对应关系，同时湿敏膜湿度与纸质文物湿度具有一一对应关系，因此通过在线实时测量光纤探针共振波长漂移量的变化信息，可实现对纸质文物湿度的在线实时测量。

6、作为优选，所述金属膜层为金膜层(au)或银膜层(ag)，优选金膜层。

7、具体的，所述金属膜层用于产生表面等离子共振效应，湿敏膜湿度发生变化时，湿敏膜的折射率会随之改变，使得金属膜层与湿敏膜之间的界面条件发生改变，进而引起光纤探针的共振波长发生漂移。

8、作为所述光纤的其中一种实施方式，所述光纤为圆柱形，所述斜切面形状为椭圆形；所述光纤包括纤芯，所述纤芯外包覆有包层，所述包层外包覆有涂覆层，所述斜切面贯穿涂覆层、包层以及纤芯，且所述斜切面垂直于所述光纤的纵截面。

9、作为优选，所述斜切面沿所述光纤的中心线延伸的长度范围是5～50mm。

10、作为优选，所述金属膜层的厚度范围是0.2～100μm。

11、作为优选，所述湿敏膜的厚度范围是20～500nm。

12、第二方面，本发明公开了光纤探针的制备方法，用于制备上述用于纸质文物湿度测量的光纤探针，包括如下步骤：

13、s1.1、光纤预处理，选取一段光纤，所述光纤包括纤芯，所述纤芯外包覆有包层，所述包层外包覆有涂覆层，将光纤的一端研磨成斜切面并进行抛光处理；

14、s1.2、采用磁控溅射仪在斜切面上镀一层金属膜层；

15、s1.3、将海藻酸钠和聚乙烯醇溶于去离子水中，并在恒温下持续搅拌均匀后，得到含有海藻酸钠和聚乙烯醇的湿敏材料混合液；

16、s1.4、将含有海藻酸钠和聚乙烯醇的湿敏材料混合液涂覆于金属膜层表面，形成湿敏膜，得到涂覆有金属膜层和湿敏膜的湿敏光纤；

17、s1.5、取一段金属管，将金属管的一端研磨成与所述斜切面齐平的倾斜的管切面，并进行抛光处理，然后将步骤s1.4中得到的湿敏光纤嵌入金属管中，同时使管切面的管口平面与所述湿敏膜平面齐平，然后对空隙进行密封处理后，即获得用于纸质文物湿度测量的光纤探针。

18、作为优选，步骤s1.3中，所述湿敏材料混合液中海藻酸钠和聚乙烯醇的质量比范围是0.02～0.4。

19、作为优选，为了增加湿敏材料的机械强度，在步骤s1.3中得到的含有海藻酸钠和聚乙烯醇的湿敏材料混合液中加入二氧化硅粉末，然后常温机械搅拌至二氧化硅与海藻酸钠和聚乙烯醇均匀混合，室温静置消泡后即获得增加了机械强度的湿敏材料混合液；所述二氧化硅与含有海藻酸钠和聚乙烯醇的湿敏材料混合液的质量比范围是0.005～0.05。

20、第三方面，本发明公开了一种用于纸质文物湿度测量的检测系统，利用如权利要求1所述的用于纸质文物湿度测量的光纤探针，能够对纸质文物湿度实时在线检测，包括光纤耦合器，所述光纤耦合器具有光线输入端、光线输出端以及光线输入输出端，所述光线输入端连接有入射光纤的一端，所述入射光纤的另一端设置有光源；

21、所述光线输出端连接有出射光纤的一端，所述出射光纤的另一端设置有光谱仪，所述光谱仪能够测量出射光纤输出的光纤的共振光谱；

22、所述光线输入输出端连接有所述光纤探针远离斜切面的一端，所述光纤探针的另一端可拆卸连接有光纤探针保护套，所述保护套内具有可更换的干燥剂。

23、本发明公开的用于纸质文物湿度测量的检测系统通过表面等离子共振的变化来实现测量，纸质文物湿度变化可能会导致湿敏膜的折射率会随之改变，使得金属膜层与湿敏膜之间的界面条件发生改变，进而引起光纤探针的共振波长发生漂移，共振波长漂移量能够被光谱仪所测量和记录，共振波长漂移量与湿敏膜中的湿度具有一一对应关系，同时湿敏膜湿度与纸质文物湿度具有一一对应关系，因此通过在线实时测量光纤探针共振波长漂移量的变化信息，可实现对纸质文物湿度的在线实时测量。同时，湿敏材料涂覆在光纤斜切面上，当斜切面与纸质文物接触时，湿敏材料只感知纸质文物中的水分子，不受空气中湿度变化产生的影响，因此本发明公布的用于纸质文物湿度测量的检测系统可实现对纸质文物湿度在线实时准确的检测。

24、本发明具有以下有益效果：本发明利用光纤传感器的共振波长漂移量与湿敏膜中的湿度具有一一对应关系以及湿敏膜湿度与纸质文物湿度具有一一对应关系，通过测量光纤传感器共振波长漂移量的变化信息，而这些变化信息时可以实时测得的，因此，能够实现对纸质文物湿度的在线测量；此外，光纤传感器上的湿敏材料只感知纸质文物中的水分子，不受空气中湿度变化产生的影响，因此本发明公开的光纤传感器能够实现对纸质文物湿度在线准确的检测。