2012罗东光纤湿度传感器行业

1、光纤通信原理(论文)文献综述学院：电气工程学院主题：光纤湿度传感器学生名称：罗东学生号码：专业班：通信1202班指导教师：王新林教室主任：邓贤君院长：王新林光纤湿度传感器文献综述学院：电气工学学院专业：通信工学名：罗东学号：摘要：光纤湿度传感器是传感器的重要组成部分，但对光纤湿度传感器的使用敏感的材料也很多，原理各不相同，引起了传感器结构的不同、检测方式的不同、成本的不同等问题，引起了研究者的广泛关注。 本文根据原理对光纤湿度传感器进行了分类，举例说明了主要光纤湿度传感器的特征，简要描述了光纤湿度传感器在国内外的发展动态，最后讨论了光纤湿度传感器技术的当前问题和发展趋势。关键词：光纤湿度传感器

2、湿度敏感的资料1 .引言光纤湿度传感器主要利用光学材料，当空气的相对湿度发生变化时，材料的物理化学特性发生变化，介质感受到该变化，引起波长的光学参数、光波导、反射系数的变化，进行湿度测量1。2 .光纤湿度传感器的分类根据不同的传感器原理，光纤湿度传感器分为两种。 一种是光功率检测型，外部的湿度变化引起光功率的变化，例如基于锥形光纤、塑料包复石英光纤等湿度传感器。 另一种是波长检测型，外界的湿度变化使涂在传感器表面的湿敏感材料的有效折射率变化，引起中心波长的漂移，如布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、光纤法布里-珀罗腔等湿度传感器。2.1光功率检测型2.1.1光纤传输式湿度传感器光纤传光式湿度传感器

3、的传感原理是，湿润感材料膜和空气湿度接触时，湿润感材料发生化学反应，光学参数发生变化。 因此，通过测量湿气敏感性材料的光学参数的变化，可以得到与空气湿度相应的变化。 在制造光纤透光湿度传感器时，对探针的设计、封装和湿敏材料的制造尤为重要，其中湿敏材料不受空气湿度以外的气体的影响，湿度测量前要准确地标定湿敏薄膜的温度特性。 根据湿敏材料的相关原理，光纤传光式湿度传感器可分为荧光效应和光吸收湿度传感器2。图2.1.1光纤传输式湿度传感器三十岁曾传卿在2010年发表的光纤湿度传感器的研究进展如图2.1.1所示，通过将感光膜固定在两个带孔塑料片之间，纵向插入比色盘，可以形成三明治式的感光膜式湿度传感器

4、。 实验中，将其固定在分光光度计的样品池中，使波长640nm的光源通过感光薄膜，气体中的湿度与结晶性紫薄膜接触的话，结晶性紫薄膜中的水分量逐渐增加，干燥的结晶性紫薄膜中的磺酸基的酸性逐渐变弱， 双质子结晶紫变成容易失去质子的单质子或非质子的形式，薄膜的颜色逐渐变成绿色，对波长640nm的光的透过强度变弱，如果使用单模光纤(SMF )作为传感光纤，则2.1.2光纤传感式湿度传感器光纤传感式湿度传感器以光纤为传感介质，通过对光纤进行微细加工(例如，熔融锥形、氢氟酸腐蚀、二氧化碳激光锥形等)而形成传感区域，在光纤传感区域均匀地涂复湿度敏感复合材料薄膜，从而形成光纤的其传感原理会导致湿度敏感材料和空气

5、湿度相互作用后产生一定的物理效果和化学效果，光被传输到光纤传感区域时传输损耗增大，输出端的光功率变化4。图2.1.2光纤渐逝波耦合湿度传感器电路图例如，光纤渐逝波耦合湿度传感器是典型的光纤传感器式湿度传感器。 光纤渐逝耦合器由熔锥技术建立，利用渐逝波能量逐渐增强，与相邻的光纤相互作用，实现基于渐逝波的光纤耦合器。 然后，进行增感处理，例如在结合部涂布湿度敏感性材料。 上海大学庞胡平、徐平等在2008年提出了新的浸渍提拉技术5。 把溶胶凝胶材料涂布在光纤结合部的表面上，凝胶膜具有多孔质的特性，环境中的水分子吸附在薄膜的细孔上后，薄膜的折射率发生变化，中对称模式和相反对称模式的传播常数发生变化，湿

6、度传感器特性反映在耦合光谱比的变化上，最终光纤2.2波长检测型2.2.1光纤布拉格光栅湿度传感器光纤布拉格光栅(FBG )湿度传感器是通过测量波长的变化来求出湿度的变化的光纤湿度传感器。 如图2.2.1所示。图2.2.1光纤布拉格光栅湿度传感器以艾延宝2009年在Senor world上发表的资料为例。 为了增加FBG1的湿度敏感特性，在光纤Bragg光栅的表面描绘了聚酰亚胺(PI )，但如果湿度变化，涂层的膨胀会导致光纤Bragg光栅产生变形，延长光纤Bragg光栅，形成黑色实验证明，艾延宝通过加厚PI湿敏感材料薄膜的厚度，通过腐蚀减小光纤复盖的半径，可以提高布拉格光纤光栅湿度传感器的湿度灵

7、敏度。2.2.2长周期光纤光栅湿度传感器基于长周期光纤光栅(LPFG )的湿度传感器通过对光纤包层敏感的薄膜进行涂层，外界的湿度变化引起PVA薄膜的折射率变化，长周期光纤光栅通过测量光纤湿度传感器的长周期光纤光栅的透射光谱，可以得到周围环境的相对湿度变化的光纤湿度传感器7。 如图2.2.2所示。图2.2.1长周期光纤光栅湿度传感器以唐学敏、徐杰西卡、王宁、金永兴等2014年发表的MachZehnder干涉湿度光纤传感器的研究为例8。 其设计的长周期光纤光栅湿度传感器的传感结构在两个标准单模之间连接了长周期光栅，长周期光栅部分被复了5%的聚乙烯醇(PVA )。 当长周期光纤光栅周围的环境湿度变化

8、时，对应的谐振峰的中心波长也移动，通过测量长周期光纤光栅的透射光谱，可以测量包层周围的环境湿度的变化。 长周期光纤湿度传感器在长周期光栅表层涂层PVA，随着周围环境湿度的增大，PVA的折射率减少，变化呈直线性。 外部空气中的湿度下降时，PVA薄膜吸水时折射率增加，光栅谐振峰向短波方向漂移，最终显示波长的变化。3 .光纤湿度传感器的研究现状随着光纤光栅、光纤锥、光纤包复和润湿敏感材料的发展和进步，设计了一种特殊结构的光纤湿度传感器，可以大幅度提高湿度传感器的特性。 因此，光纤湿度传感器引起了越来越多的国内外学者的关注。3.1国外光纤湿度传感器的研究现状9142006年，玛丽亚kontantaki

9、等人提出了一种基于聚环氧乙烷和氯钴湿感材料的高灵敏度长周期光纤光栅湿度传感器。 实验结果显示，测定范围为5095%RH，分辨率为0.2%RH。 2011年，R. Aneesh等人提出了在露出芯的光纤上涂复氧化锌纳米粒子，掺杂溶胶-凝胶的感湿薄膜，通过优化薄膜的厚度，提高了线性响应时间和动态范围。 实验结果表明，湿度测定范围为496%RH，灵敏度为0.0012d Bm/RH。 2012年，R. Aneesh和Sunil K. Khijwania提出了一种基于Ti O2湿敏感膜的光纤渐逝耦合湿度传感器。 实验结果表明，该传感器的湿度测定范围为2495%RH，灵敏度为27.1m V/%RH。3.2国

10、内光纤湿度传感器的研究现状9142009年，宋韵等人利用CO2激光在SMF上制备了非对称折射型长周期光纤光栅，并在网格表面涂上新的纳米复合水凝胶，制备了一种高灵敏度的湿度传感器。 实验表明，该传感器光栅谐振峰的最大漂移量为30nm，湿度测量范围为3896%RH。 2012年，禅之秋等提出了在塌陷的光子晶体光纤两端涂上PVA湿润感材料的光纤湿度传感器。 根据迈克尔森干涉仪的相关原理，通过7天的温湿度交叉实验，灵敏度为0.6nm%RH，进行了实验测定。 2013年，李霞等人提出了以羟乙基纤维素和聚偏氟乙烯的混合物作为湿气敏感性材料的芯裸型光纤湿度传感器。 实验表明，湿度灵敏度为0.196d B%R

11、H，可逆性和再现性良好。4 .有问题和解决办法4.1光纤湿度传感器目前的问题(1)适用范围有限。 现在报道的光纤传感器一般只在一定的湿度范围内正常工作。(2)精度不够。 光纤传感器在测定精度方面与电子式湿度传感器有一定程度的差异。(3)受到温度的影响。 一些敏感材料的感湿机制决定了传感器的测量结果受温度的影响。(4)敏感涂层存在很大的优化空间，可以优化涂层材料的提取工艺，还可以向光纤数度传感器添加敏感材料，包括催化比例、反应温度、退火工艺等，进行方式优化实验。4.2光纤湿度传感器的改进方案(1)深入了解湿度传感器不稳定的原因，理解吸附感湿机制，并找出其与响应特性、稳定性、湿度滞后、温度系数等重

12、要性能指标的关系，进行材料的分子设计。(2)开发IPN、交联、溶胶-凝胶、老化等技术和新的合适的湿润敏感材料，旨在解决湿滞、稳定性、灵敏度等问题，在全湿度范围内迅速得到良好的响应，具有选择性，提高长期稳定性。(3)将光学和光电子薄膜技术应用于传感器的结构改良，提高灵敏度。5 .光纤湿度传感器的发展趋势总而言之，光纤湿度传感器不能在短时间内取代电子式湿度传感器的市场地位。 但是，由于具有电磁辐射等优点，可以根据特定的环境定制特殊的光纤传感器，避免适用范围等的限制的直接分光光纤湿度传感器，由于检测容易，成本低，因此在小型环境观测所、食品加工工厂、电力系统等中逐渐实用化。 近年来，光纤湿度传感器的技

13、术和应用迅速发展，其中围绕湿度敏感材料的直接分光型光纤湿度传感器发挥了重要的作用，在气象、食品加工、医学、电力等领域有着广泛的应用前景。 从其特征来看，适合于针对特定环境进行定制。 另外，测量精度的提高对其实用化有很大贡献。参考文献1比喻晓莉、杨健、倪彦、湿度传感器的选定和发展趋势J .自动化技术和应用，2009年，(2):107 -1102曾传卿，光纤光栅湿度传感器初探J .四川省电子学会传感技术第11届学术年会论文集，20093曾传卿.光纤湿度传感器的研究进展J .测量技术，2010，1，14李涛.光纤光栅湿度传感器的研究.硕士学位论文.华南理工大学20125庞胡，徐平.光纤渐逝波耦合湿度传感器研究J .光通信技术，2008(03 )基于光纤布拉格光栅的湿度传感器的研究6 .传感器世界，2009 (03 )7姜萌.基于长周期光纤光栅的传感器和解调复用技术研究.硕士学位论文，浙江大学. 20108唐学敏安佳丽金永兴. MachZehnder干涉对湿度光纤传感器的研究J .激光和光电子学的进展. 2014，51 (6)。9廖招龙.基于光纤纤维颗粒空洞的湿度传感器研究J .激光和光电子学进展硕士学位论文，武汉理工大学. 2009 (5)。汉丹飞、王菲. DHT11数字温湿度传感器的应用性研究J .电子设计工程，2013，21 (13 ) :83-85