Transcript 光纤光栅湿度传感器初探
光纤湿度传感器研究进展 中国工程物理研究院总体所 曾传卿 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 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 （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。 2 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。 水分子 光纤耦合器 敏薄膜 湿 胶 二氧化硅V型槽 光纤 图1 光纤渐逝波湿度传感器原理图 2.2 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 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 根据耦合模理论，FBG反射波长λBi（i=1,2）满足下式： Bi neff i (1) Bi neff i 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 C S 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: i 1 i H i C1 S H i i C1S H (2) i EH (rH2 rF2 )(1 2μ F ) C1 (3) 2 2 2 (1 2μ H )rF EF (rH rF )(1 2μ F ) EH 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： B1 B1 [C1 ( H F ) ]T C1 (1 pe ) S H (4) KT1T KS1SH (5) 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： B 2 [(1 pe ) F ]T KT 2 T (6) B 2 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 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 • 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 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 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。 谢谢！