光纤湿度传感器研究进展 曾传卿

光纤湿度传感器研究进展曾传卿（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳919信箱405分箱 621900）摘要：介绍了光纤湿度传感器的国内外研究现状和几种光纤湿度传感器的原理，对几种主要的光纤湿度传感器的特点进行了比较，并预测了光纤湿度传感器的发展趋势。关键词：湿度传感器，光纤，特点，发展趋势0 引言随着工农业的发展和科学技术的进步，湿度测量显得越来越重要，国防科技、航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度都有非常严格的要求，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快以及信号易于处理和控制等优势，在市场中占据了主导地位，但存在着长期稳定性和互换性差、不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作，以及只能单点测量的严重不足。为发挥非电量湿度传感器的防污染、抗电磁干扰、本质安全（即阻燃、防爆），传感器探头可在狭小空间使用等优势，以解决国防科研、石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆和强电磁干扰环境中进行湿度测量与控制的难题，促使人们去研究新型非电量湿度传感器。而光纤湿度传感器为这些难题的解决提供了一条很好的途径。1 光纤湿度传感器国内外研究动态在国外，日本的武藤敏郎等人1报道了荧光塑料光纤湿度传感器，这是基于染料掺杂包层膜表面的染料分子和水分子之间的电离反应，因此，膜吸收变得更具有荧光性并导致光强度和荧光光谱的改变。 Michie等 2 利用光纤和水凝胶聚合物通过时域反射计法（OTDR）研究了测量水分和pH值的分布式传感器 。Konstantanki等和谭等结合长周期光栅（ LPG ）和聚合物（明胶和聚氧化乙烯/钴）涂层制作了相对湿度传感器，响应时间低于30s。Brook等人研制了一种新的光纤湿度传感器，利用信号处理方法扩展此传感器的线性工作范围。先将敏感材料（Nafion结晶紫复合物）固定在玻璃基片上，然后用聚合物光纤作为光波导将光从光源引到传感器，再从传感器引到光谱仪上。利用人工神经网络方法分析在不同的相对湿度下产生的光谱，将光纤湿度传感器的线性响应范围从以前报道的4055扩展到了4082RH的湿度范围。印度的B.D.Gupta等研制了基于掺酚红的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，其测量范围为20RH80RH，响应时间约5s2。西班牙的Candido Bariain等研制了基于涂敷琼脂凝胶的锥形光纤湿度传感器，其测量范围为3080RH，动态范围6.5dB，响应时间1min3。印度的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5RH80RH，用于监测密闭空间的相对湿度4；美国的Sunil K. Khijwania等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20RH90RH，响应时间为1s5。在国内，周胜军等报道了一种涂敷氯化钴/glation的、湿度测量范围为1090RH，响应时间为2.5s的光纤湿度传感器6。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，湿度测量范围从25到95RH7；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，传感器的测量范围为1198RH，灵敏度为-0.000266V / RH，响应时间约为5s，光纤湿度传感器探头直径约为2mm8；金兴良等研制了Nafion-结晶紫光纤湿度传感器，其测量范围为3080RH，响应时间2min9；王立伟等研制了使用水凝胶涂层的长周期光栅相对湿度传感器，测量范围38.9100RH，湿度精度为4.3RH10。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；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2080、湿度测量范围为1760RH，实现温度测量精度为0.2和湿度测量5RH的实时测量，且响应时间15s11。传感器直径约8mm。武汉理工大学研制了使用多孔硅湿敏膜的F-P腔干涉式光纤湿度传感器，测量范围为11RH90RH，响应时间为5s。2 几种光纤湿度传感器工作原理概述2.1 光纤渐逝波耦合湿度传感器5，7光纤渐逝波耦合器是由熔融拉锥技术制备的，它利用氢氧焰对两根贴近的单模光纤加热，使光纤处于熔融状态，并采用程控的平移台向相反方向匀速运动，加热区逐渐变细，这样，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基本上可以分为两种方法，一是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，因此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： (1)式中A为吸光度，为吸收系数，L为有效光程长度，H为湿度。上式表明，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，可很容易地测得相应的湿度。当光纤耦合器拉制后，通常被封装在石英V形槽内，这样由于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2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。基于渐逝波吸收的、使用单一的U型弯曲塑料包层石英光纤的基于渐逝波吸收光谱的光纤相对湿度传感器具有高动态范围和高灵敏度。该传感器使用二氧化钴掺杂的聚合物薄膜涂敷在裸光纤纤芯上制成。以中央去包覆U型弯曲探头的化学合成包层厚度为变量研究了传感器的响应。对光纤芯径对敏感度的影响进行了研究。使用渐逝波模型，研究了对传感器响应有影响的实验参数。塑料包层二氧化硅（PCS）多模光纤的包层被从光纤的中心部分剥除，湿度高度敏感的薄膜在这里沉积。基于直接和均匀探头的渐逝波吸收传感器的主要问题是相互作用的长度。由于渐逝尾只有一小部分功率，光纤的更长部分需要涂敷，以便光与被分析物有效互动，因此在输出端可检测到变化。弯曲该光纤把功率由传导模传输到泄漏模，提供更多的功率与敏感区域的被分析物互动。非常小的互动长度将产生非常高的灵敏度5。图2 U型探头渐逝波光纤湿度传感器实验装置图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 长周期光纤光栅湿度传感器10图4 涂水凝胶长周期光栅的谐振波长偏移长周期光栅的响应波长随相对湿度变化。典型的长周期光纤光栅湿度传感器系统如图3所示。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。长周期光栅用二氧化碳CO2激光器在G.652单模光纤以500m的周期写入60个周期。此外，长周期光栅部分则涂了一层水凝胶感湿薄膜。凝胶的成分包括丙烯酸、乙烯基吡啶、过氧化苯甲酰以及N、N-二甲基双丙烯酰胺。丙烯酸和乙烯基吡啶的折射率分别是1.4224和1.5530。通过调整丙烯酸和乙烯基吡啶之间的比例，并暴露于紫外线灯的紫外光中，可得到具有适当折射率（高于包层折射率）的水凝胶。水凝胶涂层长周期光栅固定在V型槽中，并放在可调的恒温恒湿箱中。在测试中，温度维持在252。长周期光栅一端连接到放大的自发辐射（ASE）光源（C波段），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 长周期光纤光栅湿度传感器系统示意图图4示出长周期光栅对不同相对湿度的峰值波长。随着相对湿度的增加，响应波长向更短波长方向移动，谐振倾角增加；即耦合强度增加。在湿度为38.9RH时，谐振波长为1554.9nm（图2中的曲线a），在相对湿度100时移动到1543.6nm（图4中的曲线f）。在这些相对湿度范围之间谐振波长的移动为11.3nm。从理论上讲，水凝胶涂层长周期光栅湿度传感器对038.9RH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约0.2nm/RH的灵敏度和4.3RH的精度。图5 长周期光栅谐振波长偏移和温度的关系图6光纤光栅式湿度传感器的结构此外，谐振波长还取决于温度。图5显示了该传感器的温度依赖性。可以发现，长周期光栅传感器的温度灵敏度为0.38nm/。即使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量级的，也可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 光纤布拉格光栅（FBG）湿度传感器8，11光纤布拉格（FBG）光栅湿度传感器通过测量波长的变化来获得相应的湿度，其典型结构如图6所示，由对温度、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的布拉格反射波长和发生漂移，变化量分别为和，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。根据耦合模理论，FBG反射波长（=1，2）满足下式： (2)式中，为FBG的有效折射率，（=1， 2）为FBG的光栅周期。等式右边的第一项为由相对湿度变化量引起的弹光效应和温度变化量引起的热光效应共同作用的结果；第二项为和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束，引起FBG1的轴向应变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： (3) (4)式中、分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量；、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：= (5)式中、分别为光纤有效弹光系数和热光系数；分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数；、分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数。对于FBG2，由于，故： (6)求解式（5）与式（6），即可获得相对湿度变化值和温度变化值。光纤布拉格光栅湿度传感器动态响应时间小于15s（取决于PI湿敏涂覆层厚度）。光纤光栅式湿度传感器的相对湿度测量精度分别为5RH，主要影响因素为PI湿敏涂层半径、光纤包层参数优化结果、PI湿敏涂层厚度均匀性和FBG解调系统的精度。3 几种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1090RH，灵敏度为0.03 dB/RH，在2665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。在已讨论过的几种湿度传感器中，长周期光纤光栅湿度传感器灵敏度最高，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、折射率等交叉敏感灵敏度都很高，解调较困难。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。光纤布拉格光栅式传感器可用两个光栅同时测量温度和湿度，只要选用湿膨胀线性度好的材料（如PI），整体上会表现出很好的测量效果。且可多路复用，用同一根光纤实现多点测量。在2080，590RH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1.5RH，长期稳定性优于电量湿度传感器。但由于采用双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。结论光纤湿度传感器相对于传统湿度传感器有许多优势，如传感器制作工艺更简单、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，在恶劣的环境中仍能正常工作。湿度测量范围较宽（典型值1090RH）；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布拉格光栅湿度传感器，测量范围宽，测量下限较低（可达5RH），比较易于进行温度补偿，寿命长，且复用功能强，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3RH以下，高湿段未达到95RH，有待于进一步研究。参考文献1 靳伟，阮双琛等. 光纤传感技术新进展M，北京：科学出版社，20052 B.D.Gupta, Ratnanjali, 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 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 周胜军等. 一种用于病人监护仪的光纤湿度传感器的研制J，中国医疗器械杂志1998年第22卷第4期7 庞拂飞等. 光纤渐逝波耦合湿度传感器研究J，光通信技术?008年第3期8 X. F. Huang, D.R. Sheng, et al, Low-c