光纖濕度傳感器研究進展

1、光纖濕度傳感器研究進展曾傳卿（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽919信箱405分箱 621900）摘要：介紹了光纖濕度傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和幾種光纖濕度傳感器的原理，對幾種主要的光纖濕度傳感器的特點進行了比較，并預(yù)測了光纖濕度傳感器的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：濕度傳感器，光纖，特點，發(fā)展趨勢0 引言隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，濕度測量顯得越來越重要，國防科技、航空航天、發(fā)電變電、紡織、食品、醫(yī)藥、倉儲、農(nóng)業(yè)等行業(yè)對濕度都有非常嚴格的要求，對濕度傳感器的環(huán)境適應(yīng)性以及測量范圍、響應(yīng)速度、測量精度等主要指標的要求也越來越高。傳統(tǒng)的電容式、電阻式等電量濕度傳感器，由于測量精度高、響應(yīng)速度快

2、以及信號易于處理和控制等優(yōu)勢，在市場中占據(jù)了主導(dǎo)地位，但存在著長期穩(wěn)定性和互換性差、不能在嚴重污染和強電磁干擾環(huán)境下工作，以及只能單點測量的嚴重不足。為發(fā)揮非電量濕度傳感器的防污染、抗電磁干擾、本質(zhì)安全（即阻燃、防爆），傳感器探頭可在狹小空間使用等優(yōu)勢，以解決國防科研、石油化工、電力、紡織等領(lǐng)域的易燃、易爆和強電磁干擾環(huán)境中進行濕度測量與控制的難題，促使人們?nèi)パ芯啃滦头请娏繚穸葌鞲衅?。而光纖濕度傳感器為這些難題的解決提供了一條很好的途徑。1 光纖濕度傳感器國內(nèi)外研究動態(tài)在國外，日本的武藤敏郎等人1報道了熒光塑料光纖濕度傳感器，這是基于染料摻雜包層膜表面的染料分子和水分子之間的電離反應(yīng)，因此，膜

3、吸收變得更具有熒光性并導(dǎo)致光強度和熒光光譜的改變。 Michie等 2 利用光纖和水凝膠聚合物通過時域反射計法（OTDR）研究了測量水分和pH值的分布式傳感器 。Konstantanki等和譚等結(jié)合長周期光柵（ LPG ）和聚合物（明膠和聚氧化乙烯/鈷）涂層制作了相對濕度傳感器，響應(yīng)時間低于30s。Brook等人研制了一種新的光纖濕度傳感器，利用信號處理方法擴展此傳感器的線性工作范圍。先將敏感材料（Nafion結(jié)晶紫復(fù)合物）固定在玻璃基片上，然后用聚合物光纖作為光波導(dǎo)將光從光源引到傳感器，再從傳感器引到光譜儀上。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析在不同的相對濕度下產(chǎn)生的光譜，將光纖濕度傳感器的線性響應(yīng)范

4、圍從以前報道的4055擴展到了4082RH的濕度范圍。印度的pta等研制了基于摻酚紅的PMMA（ 聚甲基丙烯酸甲酯）薄膜的涂敷塑料的二氧化硅光纖傳感器探頭，其測量范圍為20RH80RH，響應(yīng)時間約5s2。西班牙的Candido Bariain等研制了基于涂敷瓊脂凝膠的錐形光纖濕度傳感器，其測量范圍為3080RH，動態(tài)范圍6.5dB，響應(yīng)時間1min3。印度的S.K. Shukla等研制了用溶膠凝膠法制備氧化鎂感濕膜的U形探頭光纖濕度傳感器，其測量范圍為5RH80RH，用于監(jiān)測密閉空間的相對濕度4；美國的Sunil K. Khijwania等研究了氯化鈷摻雜的聚合物薄膜涂敷在裸纖芯上的漸逝波光纖

5、濕度傳感器，其測量范圍為20RH90RH，響應(yīng)時間為1s5。在國內(nèi)，周勝軍等報道了一種涂敷氯化鈷/glation的、濕度測量范圍為1090RH，響應(yīng)時間為2.5s的光纖濕度傳感器6。龐拂飛等進行了光纖漸逝波耦合濕度傳感器研究，光纖熔融拉錐漸逝波耦合器與溶膠-凝膠材料相結(jié)合， 利用溶膠凝膠材料的多孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對水分子的吸附， 改變?nèi)苣z-凝膠材料的折射率， 從而改變光纖耦合器的分光比，達到濕度傳感的目的，濕度測量范圍從25到95RH7；黃雪峰等研制了低成本熱塑性聚酰亞胺涂層光纖光柵相對濕度傳感器，傳感器的測量范圍為1198RH，靈敏度為-0.000266V / RH，響應(yīng)時間約為5s，光纖濕度傳感

6、器探頭直徑約為2mm8；金興良等研制了Nafion-結(jié)晶紫光纖濕度傳感器，其測量范圍為3080RH，響應(yīng)時間2min9；王立偉等研制了使用水凝膠涂層的長周期光柵相對濕度傳感器，測量范圍38.9100RH，濕度精度為±4.3RH10。盛德仁等研制了一種基于布拉格光纖光柵的濕蒸汽兩相流濕度場測量系統(tǒng)；張向東、李育林等研制了采用聚酰亞胺感濕薄膜的光纖光柵型溫濕度傳感器，其溫度測量范圍為2080、濕度測量范圍為1760RH，實現(xiàn)溫度測量精度為±0.2和濕度測量±5RH的實時測量，且響應(yīng)時間15s11。傳感器直徑約8mm。武漢理工大學(xué)研制了使用多孔硅濕敏膜的F-P腔干涉式光

7、纖濕度傳感器，測量范圍為11RH90RH，響應(yīng)時間為5s。2 幾種光纖濕度傳感器工作原理概述2.1 光纖漸逝波耦合濕度傳感器5，7光纖漸逝波耦合器是由熔融拉錐技術(shù)制備的，它利用氫氧焰對兩根貼近的單模光纖加熱，使光纖處于熔融狀態(tài)，并采用程控的平移臺向相反方向勻速運動，加熱區(qū)逐漸變細，這樣，光纖模式中的漸逝波能量逐步增強，并與相鄰的光纖相互作用，從而實現(xiàn)基于漸逝波的光纖耦合器。為了實現(xiàn)對光纖耦合器拉制過程中分光狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控，將確定波長的光從一個端口輸入，并實時監(jiān)控兩輸出端口的功率變化，獲得所需分光比。漸逝波耦合器的傳輸基本上可以分為兩種方法，一是基于弱耦合假設(shè)的耦合模理論；另一是基于復(fù)合波導(dǎo)的超

8、模理論。超模理論將相互耦合的兩個光波導(dǎo)看成一個整體的復(fù)合光波導(dǎo)，復(fù)合光波導(dǎo)存在兩個最低階導(dǎo)模，即對稱模和反對稱模，兩個模式具有不同的傳播常數(shù)，它們在耦合區(qū)域中相互干涉，使光能量在兩個波導(dǎo)中交替變化，從而獲得光的耦合。熔融拉錐技術(shù)所獲得的光纖定向耦合器在結(jié)構(gòu)上融合在一起，兩波導(dǎo)之間應(yīng)為強耦合，因此利用超模理論分析更為準確。光纖耦合器的耦合長度表示為： (1)式中A為吸光度，為吸收系數(shù)，L為有效光程長度，H為濕度。上式表明，吸光度A與濕度H呈線性關(guān)系。以640nm波長光作為檢測光，根據(jù)信號光強的改變，可很容易地測得相應(yīng)的濕度。當光纖耦合器拉制后，通常被封裝在石英V形槽內(nèi)，這樣由于V形槽與石英光纖具

9、有相近的熱膨脹系數(shù)，因此器件具有非常好的環(huán)境穩(wěn)定性。利用浸漬提拉技術(shù)，將溶膠凝膠材料涂敷于光纖耦合區(qū)表面，凝膠薄膜具有多孔特性，當環(huán)境中的水分子被吸附到薄膜微孔中，薄膜的折射率將發(fā)生變化(如圖2所示)，從而導(dǎo)致式（1）中對稱模和反對稱模傳播常數(shù)發(fā)生變化，這樣濕度傳感特性將反映在耦合分光比的改變。基于漸逝波吸收的、使用單一的U型彎曲塑料包層石英光纖的基于漸逝波吸收光譜的光纖相對濕度傳感器具有高動態(tài)范圍和高靈敏度。該傳感器使用二氧化鈷摻雜的聚合物薄膜涂敷在裸光纖纖芯上制成。以中央去包覆U型彎曲探頭的化學(xué)合成包層厚度為變量研究了傳感器的響應(yīng)。對光纖芯徑對敏感度的影響進行了研究。使用漸逝波模型，研究了

10、對傳感器響應(yīng)有影響的實驗參數(shù)。塑料包層二氧化硅（PCS）多模光纖的包層被從光纖的中心部分剝除，濕度高度敏感的薄膜在這里沉積。基于直接和均勻探頭的漸逝波吸收傳感器的主要問題是相互作用的長度。由于漸逝尾只有一小部分功率，光纖的更長部分需要涂敷，以便光與被分析物有效互動，因此在輸出端可檢測到變化。彎曲該光纖把功率由傳導(dǎo)模傳輸?shù)叫孤┠?，提供更多的功率與敏感區(qū)域的被分析物互動。非常小的互動長度將產(chǎn)生非常高的靈敏度5。圖2 U型探頭漸逝波光纖濕度傳感器實驗裝置圖1 光纖漸逝波濕度傳感器原理圖膠水分子光纖耦合器濕敏薄膜光纖二氧化硅V型槽2.2 長周期光纖光柵濕度傳感器10圖4 涂水凝膠長周期光柵的諧振波長偏

11、移長周期光柵的響應(yīng)波長隨相對濕度變化。典型的長周期光纖光柵濕度傳感器系統(tǒng)如圖3所示。測試系統(tǒng)由長周期光纖光柵濕度傳感器、寬帶光源、恒溫恒濕箱和光譜分析儀組成。長周期光柵用二氧化碳CO2激光器在G.652單模光纖以500m的周期寫入60個周期。此外，長周期光柵部分則涂了一層水凝膠感濕薄膜。凝膠的成分包括丙烯酸、乙烯基吡啶、過氧化苯甲酰以及N、N整丙烯酸和乙烯基吡啶之間的比例，并暴露于紫外線燈的紫外光中，可得到具有適當折射率（高于包層折射率）的水凝膠。水凝膠涂層長周期光柵固定在V型槽中，并放在可調(diào)的恒溫恒濕箱中。在測試中，溫度維持在25±2。長周期光柵一端連接到放大的自發(fā)輻射（ASE）光

12、源（C波段），另一端連接到具有0.1nm光譜分辨率和-45dBm靈敏度的光譜分析儀。圖3 長周期光纖光柵濕度傳感器系統(tǒng)示意圖圖4示出長周期光柵對不同相對濕度的峰值波長。隨著相對濕度的增加，響應(yīng)波長向更短波長方向移動，諧振傾角增加；即耦合強度增加。在濕度為38.9RH時，諧振波長為1554.9nm（圖2中的曲線a），在相對濕度100時移動到1543.6nm（圖4中的曲線f）。在這些相對濕度范圍之間諧振波長的移動為11.3nm。從理論上講，水凝膠涂層長周期光柵濕度傳感器對038.9RH的相對濕度也很敏感。據(jù)計算，水凝膠長周期光柵傳感器具有約0.2nm/RH的靈敏度和±4.3RH的精度。圖

13、5 長周期光柵諧振波長偏移和溫度的關(guān)系圖6光纖光柵式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)此外，諧振波長還取決于溫度。圖5顯示了該傳感器的溫度依賴性?？梢园l(fā)現(xiàn)，長周期光柵傳感器的溫度靈敏度為0.38nm/。即使由溫度引起的長周期光柵的波長偏移和由相對濕度引起的變化幾乎是同量級的，也可用另一個不涂膜的長周期光柵作為溫度傳感器、使用不同的波長偏移作為敏感參數(shù)來識別，以補償溫度的影響。2.3 光纖布拉格光柵（FBG）濕度傳感器8，11光纖布拉格（FBG）光柵濕度傳感器通過測量波長的變化來獲得相應(yīng)的濕度，其典型結(jié)構(gòu)如圖6所示，由對溫度、濕度敏感的光纖布拉格光柵FBG1與僅對溫度敏感的FBG2串聯(lián)構(gòu)成，F(xiàn)BG1的涂覆層為改性

14、聚酰亞胺（PI）濕敏薄膜。溫度和濕度的變化使FBG的布拉格反射波長和發(fā)生漂移，變化量分別為和，由此可計算出溫度、濕度變化值。并對濕度測量的溫度交叉敏感進行補償。根據(jù)耦合模理論，F(xiàn)BG反射波長（=1，2）滿足下式： (2)式中，為FBG的有效折射率，（=1， 2）為FBG的光柵周期。等式右邊的第一項為由相對濕度變化量引起的彈光效應(yīng)和溫度變化量引起的熱光效應(yīng)共同作用的結(jié)果；第二項為和熱膨脹引起的FBG軸向應(yīng)變之和。由于濕敏涂覆層和光纖之間相互約束，引起FBG1的軸向應(yīng)變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)下的軸向應(yīng)變與約束應(yīng)變之差，由彈性理論可得： (3) (4)式中、分別為濕敏薄膜的濕膨脹系數(shù)、泊松比和彈性模量；、分別為

15、濕敏薄膜和光纖包層橫截面半徑。考慮彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)及熱膨脹效應(yīng)，F(xiàn)BG1的反射波長的相對變化量可表示為：= (5)式中、分別為光纖有效彈光系數(shù)和熱光系數(shù)；分別為濕敏薄膜及光纖的線膨脹系數(shù)；、分別為FBG1的溫度和相對濕度靈敏度系數(shù)。對于FBG2，由于，故： (6)求解式（5）與式（6），即可獲得相對濕度變化值和溫度變化值。光纖布拉格光柵濕度傳感器動態(tài)響應(yīng)時間小于15s（取決于PI濕敏涂覆層厚度）。光纖光柵式濕度傳感器的相對濕度測量精度分別為±5RH，主要影響因素為PI濕敏涂層半徑、光纖包層參數(shù)優(yōu)化結(jié)果、PI濕敏涂層厚度均勻性和FBG解調(diào)系統(tǒng)的精度。3 幾種光纖濕度傳感器的比較光纖漸

16、逝波濕度傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，適于現(xiàn)場測量。在輸入光波長為1550 nm時，其測量范圍為1090RH，靈敏度為0.03 dB/RH，在2665范圍內(nèi)有1dB的漂移?？諝鉂穸容^大時測量精度較差，并且隨著濕度進一步上升，需要其它測量方法輔助，因而光纖漸逝波濕度傳感器還需在測量范圍方面作進一步的研究。在已討論過的幾種濕度傳感器中，長周期光纖光柵濕度傳感器靈敏度最高，理論上可在全濕范圍內(nèi)測量?？捎靡粋€長周期光纖光柵實現(xiàn)多功能測量。其缺點是：溫度、濕度、彎曲、應(yīng)變、折射率等交叉敏感靈敏度都很高，解調(diào)較困難。由于外界環(huán)境的變化可能使其它物理量發(fā)生變化，從而使測量精度大大降低。光纖布拉格光柵式傳感器可用

17、兩個光柵同時測量溫度和濕度，只要選用濕膨脹線性度好的材料（如PI），整體上會表現(xiàn)出很好的測量效果。且可多路復(fù)用，用同一根光纖實現(xiàn)多點測量。在2080，590RH范圍內(nèi)，光纖光柵式濕度傳感器的輸出功率與溫度、濕度變化呈線性關(guān)系。光纖光柵式濕度傳感器的濕滯回差±1.5RH，長期穩(wěn)定性優(yōu)于電量濕度傳感器。但由于采用雙FBG結(jié)構(gòu)，光纖光柵式濕度傳感器需要雙波長的光源及光譜儀，因而系統(tǒng)成本相對較高。結(jié)論光纖濕度傳感器相對于傳統(tǒng)濕度傳感器有許多優(yōu)勢，如傳感器制作工藝更簡單、體積更小，能做成直徑0.3mm以下的微型探頭；抗腐蝕，耐溫性能更好（直接測量可達200以上）；使用壽命長，穩(wěn)定性好；不受電磁

18、干擾和核輻射影響，在惡劣的環(huán)境中仍能正常工作。濕度測量范圍較寬（典型值1090RH）；響應(yīng)速度快（典型值可小于15s），濕滯回差?。ǖ湫椭?#177;1.5）；靈敏度高（最高0.03dB/RH），溫度系數(shù)?。ǖ湫椭?.25dB/）。利用改性聚酰亞胺或多孔硅薄膜的光纖布拉格光柵濕度傳感器，測量范圍寬，測量下限較低（可達5RH），比較易于進行溫度補償，壽命長，且復(fù)用功能強，可作為狹窄空間多點長期監(jiān)測的濕度傳感器。但光纖式濕度傳感器的測量范圍在低濕段尚未達到3RH以下，高濕段未達到95RH，有待于進一步研究。參考文獻1 靳偉，阮雙琛等. 光纖傳感技術(shù)新進展M，北京：科學(xué)出版社，20052 , Rat

19、nanjali, A novel probe for a fiber optic humidity sensor J, Sensors and Actuators B 80 (2001) 1321353 Candido Bariain, et al, Optical fiber humidity sensor based on a tapered fiber coated with agarose gel J, Sensors and Actuators B 69_2000.1271314 Nano-like magnesium oxide films and its significance

20、 in optical fiber humidity sensor S.K. Shukla Sensors and Actuators B 98 (2004) 5115 Sunil K. Khijwania, Kirthi L. Srinivasan, Jagdish P. Singh, An evanescent-wave optical fiber relative humidity sensor with enhanced sensitivity J, Sensors and Actuators B 104 (2005) 217 2226 周勝軍等. 一種用于病人監(jiān)護儀的光纖濕度傳感器的研制J，中國醫(yī)療器械雜志1998年第22卷第4期7 龐拂飛等. 光纖漸逝波耦合濕度傳感器研究J，光通信技術(shù)?008年第3期8 X.