关键词：
文物保存环境
温度
湿度
CO2浓度
光纤传感器
摘要：
文物是中华优秀传统文化传承的重要载体,继承和保护好文物是时代赋予我们神圣使命。但由于大部分文物经历了考古挖掘、长时间地下深埋以及无数年的腐蚀,变得十分脆弱。保存环境中的温度、湿度和CO浓度都是导致文物病变的关键因素。在线准确检测文物保存环境中温度、湿度、CO浓度及其分布式信息是实现文物预防性保护的基础和关键。虽然国内外关于文物保存环境参数检测已经提出了一些检测方式,如电阻型传感器、电容型传感器和场效应管型传感器,但这些方法因稳定性差、无法避免电火花风险等问题,尚不能很好地应用于文物保存环境信息的在线检测;尤其是关于文物保存环境湿度及CO浓度准分布式/分布式检测方法还未见文献报道。由于缺乏对文物保存环境温湿度及CO浓度及其准分布有效检测方法,无法及时对文物腐蚀采取有效的预防措施,最终导致文物仍然受到腐蚀的侵害。基于此,本文提出光纤布拉格光栅（FBG）在线实时准分布式检测文物保存环境温湿度与CO浓度及其分布新方法,首先开展光纤湿度与CO浓度传感器研究,接着构建文物保存环境温湿度与CO浓度准分布式在线检测的FBG传感器阵列;最后利用构建的FBG传感器及其传感阵列对文物保存环境中温湿度及CO浓度变化信息进行在线实时检测,获得环境温湿度及CO浓度分布信息。本文研究内容主要包括3个方面:
（1）为了实现对文物保存环境中相对湿度的实时在线检测,本文提出了一种新的基于壳聚糖（CS）/聚乙烯醇（PVA）/纳米碳粉（CNP）复合物涂敷的FBG湿度传感器的制作方法。搭建了湿度测量系统,建立了传感器检测湿度的理论模型。引入参考光纤FBG-T1的方法对温度解耦,以消除温度对湿度传感器测量结果产生的干扰;使用黑色聚四氟乙烯毛细管封装光纤湿度传感器,用于消除光辐射对传感器测量结果准确性与使用寿命产生的负面影响。实验结果表明,当湿敏薄膜中碳纳米粉掺杂质量百分含量为10 wt%、湿敏膜厚度为185μm,传感器在5～65℃温度范围、光辐射源波长为220-1200 nm、光辐照强度为50 m W/cm条件下,能对相对湿度（20～90%RH）进行高灵敏、快速、准确的检测;传感器灵敏度湿度达到57.7 pm/%RH,响应时间为420 s、恢复时间为540 s,最大相对误差为5.8%。
（2）为了实现对文物保存环境中CO浓度的实时在线检测,本文提出了一种新的基于聚酰亚胺（PI）/聚砜（PSF）复合有机物薄膜的光纤Bragg光栅二氧化碳传感器的制作方法,搭建了二氧化碳浓度测量系统,建立了传感器检测二氧化碳浓度的理论模型。引入参考光纤FBG-T2的方法对温度解耦,以消除温度对CO浓度传感器测量结果产生的干扰;使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）对CO浓度传感器进行疏水处理,消除湿度对CO浓度传感器测量结果产生的干扰。实验结果表明,当CO敏感膜厚度为63μm,传感器在5～65℃温度范围、环境相对湿度位于20～80%RH范围内,能对CO浓度（0-100%）进行稳定准确地检测;传感器灵敏度湿度达到1.8 pm/%,响应时间为729 s、恢复时间为1397 s,最大相对误差为4.3%,满足了实际测量需求。
（3）为实现对文物保存环境中温湿度及CO浓度的分布式实时在线检测,搭建了模拟温湿度及CO浓度变化的文物保存微环境;同时利用研制的FBG湿度与CO浓度传感单元构建了FBG传感阵列系统（其中用于温湿度与CO浓度检测的FBG传感阵列分别为5路,每路分别有3个温湿度与CO浓度传感单元,即共有15个温度FBG传感单元、15个湿度FBG传感单元与15个CO浓度FBG传感单元）、最后利用光纤光栅解调仪,构建了准分布式测量系统。实验研究了不同环境变化下,温湿度及二氧化碳浓度的变化情况,实验结果表明:随着温度的上升,各层光纤温度的传感器谐振中心波长漂移量也在逐渐增大,根据加热源的远近,从上到下呈现出逐层递减的温度梯度分布。温度测量范围为5～65℃,温度分辨率可以达到0.1℃;随着湿度的增加,各层的光纤湿度传感器谐振中心波长漂移量也在逐渐增大,根据距离加湿源的远近,从上到下呈现出逐层递增的湿度梯度分布。对于相对湿度测量范围为20～80%RH,相对湿度分辨率可以达到0.5%RH;随着CO浓度的上升,各层光纤CO浓度传感器的谐振中心波长漂移量也在逐渐增大,根据距离供气管的远近,从上到下呈现出逐层递增的CO浓度梯度分布。CO浓度测量范围为0～100%,CO浓度分辨率可以达到0.5%。本文搭建的温湿度及CO浓度准分布式测量系统是一种能有效监测馆藏文物环境温湿度及CO浓度的在线检测方法。
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