光纤湿度传感器研究进展光纤湿度传感器研究进展

中国工程物理研究院总体所中国工程物理研究院总体所曾传卿曾传卿

引言引言 • 湿度测量的应用领域 国防科技、航空航天、石油化工、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等

· 传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器的弱点 不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作，高温性能较差，只能单点测量

· 光纤湿度传感器的优势 防污染、抗电磁干扰、本质安全（阻燃、防爆），传感器探头可多路复用，可在狭小空间使用

1 1 光纤湿度传感器国内外研究动态光纤湿度传感器国内外研究动态 • 印度学者Gupta, Ratnanjali 等研究了基于掺酚红的PMMA（ 聚甲基丙烯酸甲酯）薄膜的涂敷塑料的二氧化硅光纤传感器探头，其测湿范围20％～80％ RH，响应时间约5s。

• 西班牙学者Ca´ndido Baria´in 等研制了基于涂敷琼脂凝胶的锥形光纤湿度传感器，其测湿范围为 30％～80％ RH，动态范围6.5dB，响应时间<1min。

• 印度学者S.K. Shukla等研制了用溶胶－凝胶法制备氧化镁感湿膜的U形探头光纤湿度传感器，其测量范围为 5％～80％ RH；

• Khijwania等美国学者研究了氯化钴掺杂的聚合物薄膜涂敷在裸纤芯上的渐逝波光纤湿度传感器，其测量范围为 20％～90％ RH，响应时间1s。

国内外动态国内外动态 （续）（续）• 解放军北京医学高等专科学校周胜军等报道了一种涂敷

氯化钴 /glation 、测湿量范围 10%～ 90%RH ，响应时间为 2.5s 的光纤湿度传感器。

• 上海大学上海市特种光纤重点实验室庞拂飞等进行了光纤渐逝波耦合湿度传感器研究，光纤熔融拉锥渐逝波耦合器与溶胶 -凝胶材料相结合 , 利用溶胶－凝胶材料的多孔结构，实现对水分子的吸附 , 改变了溶胶 -凝胶材料的折射率 , 从而改变光纤耦合器的分光比，达到湿度传感的目的，湿测范围从 25%到 95%RH ；

• 浙江大学黄雪峰等研制了低成本热塑性聚酰亚胺涂层光纤光栅相对湿度传感器，测湿范围为 11％～ 98％ RH，灵敏度为 -0.000266V/ ％ RH，响应时间约为 5秒；

• 厦门大学金兴良等研究了 Nafion- 结晶紫光纤湿度传感器，其测量范围为 30 ％～ 80 ％ RH ，响应时间 2min ；

• 清华大学王立伟等研制了利用水凝胶涂层的长周期光栅相对湿度传感器，测量范围 38.9 ％～ 100 ％ RH ，湿度精度为 ±2.3 ％ RH 。

• 浙江大学盛德仁等研制了一种基于布拉格光纤光栅的湿蒸汽两相流湿度场测量系统；

• 中国科学院西安光学精密机械研究所张向东、李育林等研制了采用聚酰亚胺感湿薄膜的光纤光栅型温湿度传感器，其温度测量范围为 20 ～ 80℃、测湿量范围为 17% ～ 60%RH ，实现温度测量精度为 ±0.2℃和湿度测量 ±5%RH 的实时测量 ,且响应时间≤ 15 s 。

• 国内外大部分研究机构均未对该类湿度传感器的温度交叉敏感特性进行补偿。

22 几种典型光纤湿度传感器工作原理几种典型光纤湿度传感器工作原理

2.1 光纤渐逝波耦合湿度传感器 •由熔融拉锥技术制备 。光纤模式中的渐逝波能量逐步增强，并与相邻的光纤相互作用，从而实现基于渐逝波的光纤耦合器。为了实现对光纤耦合器拉制过程中分光状态的动态监控，将确定波长的光从一个端口输入，并实时监控两输出端口的功率变化，获得所需分光比 。

• 渐逝波耦合器的传输方法• 基于弱耦合假设的耦合模理论；另一是基于复合波导的超模理论。超模理论将相互耦合的两个光波导看成一个整体的复合光波导，复合光波导存在两个最低阶导模，即对称模和反对称模，两个模式具有不同的传播常数，它们在耦合区域中相互干涉，使光能量在两个波导中交替变化，从而获得光的耦合。熔融拉锥技术所获得的光纤定向耦合器在结构上融合在一起，两波导之间应为强耦合，利用超模理论分析更为准确。光纤耦合器的耦合长度表示为： A=αLH (1)

A: 吸光度 ; α: 吸收系数 ; L: 有效光程长度 ; H: 湿度

• 吸光度 A与湿度 H呈线性关系。以 640nm 波长光作为检测光，根据信号光强的改变，可测得相应的湿度。光纤耦合器拉制后，封装在石英 V形槽内，由于 V形槽与石英光纤具有相近的热膨胀系数，因此器件具有非常好的环境稳定性。利用浸渍提拉技术，将溶胶－凝胶材料涂敷于光纤耦合区表面，凝胶薄膜具有多孔特性，当环境中的水分子被吸附到薄膜微孔中，薄膜的折射率将发生变化 ( 如图 1所示 )，从而导致式（ 1）中对称模和反对称模传播常数发生变化，这样湿度传感特性将反映在耦合分光比的改变。

图 1 光纤渐逝波湿度传感器原理图

胶

水分子

光纤耦合器

湿敏薄膜

光纤二氧化硅 V 型槽

2.2 2.2 长周期光纤光栅湿度传感器长周期光纤光栅湿度传感器 • 长周期光栅的响应波长随相对湿度变化。

图 2 典型的长周期光纤光栅湿度传感器系统

•测试系统由长周期光纤光栅湿度传感器、宽带光源、恒温恒湿箱和光谱分析仪组成。长周期光栅用 CO2激光器在 G.652 单模光纤以 500μm 周期写入 60个周期。长周期光栅部分则涂了一层水凝胶感湿薄膜。水凝胶涂层长周期光栅固定在 V 型槽中，并置于恒温恒湿箱中，温度和相对湿度均可调。在测试中，温度维持在 25℃± 2℃。长周期光栅一端连接到一个放大的自发辐射光源，另一端连接到具有 0.1nm 光谱分辨率和 -45dBm灵敏度的光谱分析仪。

图 3 涂敷水凝胶的长周期光栅随不同相对湿度的光谱响应

图 4 涂敷水凝胶的长周期光栅的谐振波长偏移

·随着相对湿度增加，响应波长向更短的波长方向移动，谐振的倾角增加；即耦合强度增加。从 38.9 ％ RH 到 100 ％ RH 的范围内，谐振波长的移动为 11.3nm 。从理论上讲，水凝胶涂层长周期光栅湿度传感器对 0 ％至 38.9 ％的相对湿度也很敏感。据计算，水凝胶长周期光栅传感器具有精度约 0.2nm/ ％ RH 的灵敏度，具有 ±2.3 ％ RH 的精度。

图 5 长周期光栅的谐振波长偏移和温度之间的关系

·由图 4可知，长周期光栅传感器的温度灵敏度为 0.38nm/℃。即由温度引起的长周期光栅的波长偏移和由相对湿度引起的变化几乎是同等量级。可使用另一个不涂膜的长周期光栅作为温度传感器、使用不同的波长偏移作为敏感参数来识别，以补偿温度的影响

2.3 2.3 光纤布拉格光栅湿度传感器光纤布拉格光栅湿度传感器 •光纤布拉格光栅式湿度传感器通过测量波长的变化来获得相应的湿度，典型结构如图 5所示。由对湿度敏感的光纤布拉格光栅 FBG1 与仅对温度敏感的 FBG2串联构成， FBG1的涂覆层为改性聚酰亚胺（ PI ）湿敏薄膜。温度和湿度的变化使 FBG 的布拉格反射波长λB1和 λB2发生漂移，变化量分别为 Δλ1 和 Δλ2 ，由此可计算出温度、湿度变化值。并对湿度测量的温度交叉敏感进行补偿。

图 5 光纤光栅式湿度传感器的结构

)1(eff

ff

i

ie

Bi

Bi

n

n

根据耦合模理论， FBG反射波长 λBi （ i=1,2 ）满足下式：

式中 neff 为 FBG 的有效折射率， Λi （ i=1, 2 ）为 FBGi

的光栅周期。等式右边的第一项为由相对湿度变化量 ΔSH

引起的弹光效应和温度变化量 ΔT引起的热光效应共同作用的结果；第二项为 ΔSH 和热膨胀引起的 FBG轴向应变之和。由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束， ΔSH引起 FBG1

的轴向应变 ΔΛ1/Λ1 为自由状态下的轴向应变与约束应变之差，由弹性理论可得 :

H1 SCi

i

H1 SCi

i

)2(H1 SCi

i

)3()μ21)(()μ21(

)μ21)((

HF2

F2

HF2

FH

F2

F2

HH1 ErrEr

rrEC

式中 β， μH ， EH 分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量； rH ， rF 分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径。考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应， FBG1 的反射波长的相对变化量可表示为：

)4()1(])([ 111

1HeFH

B

B SpCTC

)5(11 HST SKTK

式中 pe ， ξ分别为光纤有效弹光系数和热光系数； αH ， αF 分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数；KT1 ， KS1 分别为 FBG1 的温度和相对湿度灵敏度系数。对于 FBG2 ，由于 β=0 ， KS2=0 ，故：

)6(])1[( 22

2 TKTp TFeB

B

求解式（ 4 ）与式（ 5 ），即可获得相对湿度变化值 ΔSH 和温度变化值 ΔT。光纤布拉格光栅湿度传感器动态响应时间小于 15 s

（取决于 PI 湿敏涂覆层厚度）。主要受 FBG 解调系统精度和 PI 湿敏涂覆层厚度均匀性的限制，光纤光栅式湿度传感器的相对湿度和温度测量精度可分别做到±5%RH 和 ±0.5℃。

3 3 光纤湿度传感器的比较光纤湿度传感器的比较

•光纤渐逝波湿度传感器•结构紧凑，体积较小，适于现场测量。在输入光波长为 1550 nm 时，其测量范围为 10 ％～ 90 ％RH ，灵敏度为 0.03 dB/ ％ RH ，在 26℃～ 65℃范围内有 1dB 的漂移。空气湿度较大时测量精度较差，并且随着湿度进一步上升，需要其它测量方法辅助，因而光纤渐逝波湿度传感器还需在测量范围方面作进一步的研究。

·· 长周期光纤光栅湿度传感器长周期光纤光栅湿度传感器 •灵敏度极高，分辨率可达 1pm 。理论上可在全湿范围内测量。可用一个长周期光纤光栅实现多功能测量。其缺点是：温度、湿度、弯曲、应变、折射率等交叉敏感的灵敏度都很高。由于外界环境的变化可能使其它物理量发生变化，从而使测量精度大大降低，解调较困难。难于做成工程上实用的湿度传感器

·· 光纤布拉格光栅式湿度传感器光纤布拉格光栅式湿度传感器 可同时测量温度、湿度，只要选用湿膨胀线性度好的材料（如改性 PI），整体上会表现出极好的测量效果。且可多路复用。在 20 ～ 80℃， 10%～ 90%RH 范围内，光纤光栅式湿度传感器的输出功率与温度、湿度变化呈线性关系。光纤光栅式湿度传感器的湿滞回差≤±1.5% ，长期稳定性优于电量湿度传感器；结构更加紧凑，有利于实现湿度传感器的小型化，更加适合于现场测量。由于采用双 FBG 结构，光纤光栅式湿度传感器需要双波长的光源及光谱仪，因而系统成本相对较高。

4 4 结论结论 • 光纤湿度传感器相对于传统湿度传感器有许多优势，如制作工艺更简单、体积更小，能做成直径 0.3mm以下的微型探头；抗腐蚀，耐温性能更好（直接测量可达 200℃以上）；使用寿命长，稳定性好；不受电磁干扰和核辐射影响，耐恶劣环境。湿度测量范围较宽（典型值 10 ％～ 90 ％ RH ）；响应速度快（典型值可小于 15s ），湿滞回差小（典型值≤±1.5 ％）；灵敏度高（最高 0.03dB/ ％ RH ），温度系数小（典型值 0.25dB/℃）。利用改性聚酰亚胺或多孔硅薄膜的光纤 BRAGG 光栅湿度传感器，测量范围宽，测量下限较低（可达 5％ RH ），比较易于进行温度补偿，寿命长，且复用功能强，解调相对容易。可作为狭窄空间多点长期监测的湿度传感器。但光纤式湿度传感器的测量范围在低湿段尚未达到 3％ RH ，高湿段未达到 95 ％ RH ，有待于进一步研究。

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