光纤湿度传感器应用的文献综述

1、光纤通信原理（论文）文献综述学院：电气工程学院题目：光纤湿度传感器应用光纤湿度传感器研究进展文献综述学院：电气工程学院专业：通信工程摘要：光纤湿度传感器是传感器的重要组成部分，而光纤湿度传感器的使用敏感材料也很多，原理也各有异同，导致传感器结构不同、检测方式有差异和成本相差较大等问题,引起了研究者的广泛兴趣。本文比较了几种主要光纤湿度传感器的特点，并对光纤湿度传感技术目前存在的问题及发展趋势进行了讨论。关键词：光纤湿度传感器；湿度；敏感材料1.引言光纤湿度传感器具有体积较小，响应速度较快，抗电磁干扰强，适应温度范围大，动态范围较大，灵敏度非常高的特点，在恶劣的环境中能发挥天然的优势。因而在国防

2、科研、石油化工和电力等领域的湿度检测中有着广阔的应用前景 1。光学湿度传感器主要是利用光学材料在空气相对湿度发生变化后, 材料的物理和化学特性将发生变化，介质感受到相应的变化，从而引起波长光学参数，光波导和反射系数的变化进行的湿度测量1。2.光纤湿度传感器的分类按照不同的传感原理，光纤湿度传感器可分为两类：一类是光功率检测型12，即外界湿度变化引起传输光功率的变化，如基于锥形光纤 13-1516,17、塑料包层石英光纤 18,19等湿度传感器；另一类是波长检测型20,21，即外界湿度变化引起涂敷在传感器表面的湿敏材料有效折射率发生变化，进而导致中心波长发生漂移，如基于布拉格光纤光栅

3、22-25、长周期光纤光栅 26-29、光纤Fabry-Perot腔 30-33等湿度传感器。1.3.1 2.1光功率检测型2.1.1光纤传光式湿度传感器光纤传光式湿度传感器的传感原理为：当湿敏材料薄膜与空气湿度相互接触后，湿敏材料发生化学反应导致其光学参数发生变化。因此，通过测量湿敏材料光学参数的变化即可得出空气湿度相应的变化。在制备光纤传光式湿度传感器时，对于探针的设计、封装和湿敏材料的制备尤其重要，其中湿敏材料应不受到与空气湿度之外其他气体的影响，并且在湿度测量前还应准确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基于荧光效应和光吸收的湿度传感器。图1.3

4、光纤传光式湿度传感器的典型结构图1-2中，将光敏薄膜固定在两块带孔的塑料薄片之间，并垂直插入比色皿中，便可形成如三明治式的光敏薄膜式湿度传感器。实验中，将其固定在分光光度计的样品池上，让波长为640nm的光源通过光敏薄膜，当气体中的湿度接触到结晶紫薄膜时，结晶紫薄膜中的含水量逐渐增加，导致干燥的结晶紫薄膜中的磺酸基的酸性逐渐减弱，双质子结晶紫容易失去质子变为单质子或非质子形式，薄膜颜色逐渐变为绿色，对640nm波长光的透射强度减弱，选用单模光纤 (Single Mode Fiber, SMF)作为传感光纤便可读取光功率的变化，实现空气湿度的测量。2.1.2光纤传感式湿度传感器光纤传感式湿度传感

5、器，是以光纤为传感介质，通过对光纤进行微加工 (如熔融拉锥、氢氟酸腐蚀、二氧化碳激光拉锥等)形成传感区域，并在光纤传感区域均匀涂覆一层湿度敏感性复合材料薄膜作为光纤的外包层 35,36。其传感原理为：湿敏材料与空气湿度相互作用后发生一定的物理效应或化学效应，导致光在传输到光纤传感区域时传输损耗增大，引起输出端光功率发生变化。如图1-3 所示，光纤传感式湿度传感器。对SMF 进行熔融拉锥或氢氟酸腐蚀处理之后，形成不同结构的传感区域。随着包层结构的改变，当入射光传输到光纤传感区域时，纤芯和包层的界面将发生新的定义，因此可在光纤传感区域涂覆一层湿敏材料薄膜作为新的包层。在这种情况下，湿敏材料与空气湿

6、度相互作用，新的包层折射率发生变化，根据光波导及倏逝波相关理论，便会影响光信号的传输，最后通过观察输出端光功率的变化来检测空气湿度的变化。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(Fiber Bragg Grating, FBG)湿度传感器是通过测量波长的变化来获得相应湿度变化的光纤湿度传感器。如图1-4 所示，为带有温度补偿功能的FBG湿度传感器37。图 1-4 光纤布拉格光栅湿度传感器图1-4 中，包括对温度敏感对湿度不敏感的FBG2 以及对温度和湿度同时敏感的FBG1 串联构成。为了增加FBG1 的湿度敏感特性，可在其表面涂覆一层改性聚酰亚胺(Polyimide，

7、PI)湿敏薄膜以提高湿度测量灵敏度。其测量原理为：随着环境温湿度变化PI 湿敏材料吸水膨胀和热胀冷缩对FBG1 有应力作用，引起FBG1 轴向应变，导致布拉格光纤光栅反射中心波长发生漂移。通过测量FBG1 的中心波长漂移量便可得到温湿度的变化。由于FBG2 对空气湿度不敏感仅对温度敏感，通过检测FBG2的反射中心波长漂移量，便可检测出温度的相应变化。因此，设计双布拉格光纤光栅结构可减少温度对湿度测量的影响，最终实现温度补偿功能。在实验中，通过增大PI 湿敏材料薄膜的厚度或通过腐蚀减少光纤包层的半径可以提高布拉格光纤光栅湿度传感器的湿度灵敏度。2.2.2长周期光纤光栅湿度传感器如图1-5 所示，

8、为基于长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating, LPFG)的湿度传感器38原理图。图 1-5 长周期光纤光栅湿度传感器原理图图1-5 中，LPFG 是用二氧化碳激光器在SMF 上制备而成的。根据LPFG 对外界环境折射率敏感的特性，在LPFG 传感区域均匀涂覆一层PVA 湿敏材料作为湿敏薄膜，可提高长周期光纤光栅湿度传感器对环境湿度的敏感响应。对于涂覆湿敏材料的LPFG 应将其封装在石英V 型槽中，避免弯曲应力的影响。长周期光纤光栅湿度传感器的传感原理为：随着环境湿度的变化，PVA 湿敏材料吸收解析水分，其有效折射率发生变化，引起光纤结构的变化以及包层与纤芯折射率差

9、，改变了光在光纤中的模场分布和传播常数，同时外界湿度的变化还会改变LPFG 的周期，最终导致透射谱中吸收峰强度和中心波长的变化。3.光纤湿度传感器的研究现状随着光纤刻栅、光纤拉锥、光纤涂覆和湿敏材料的不断发展与进步，通过设计特殊结构的光纤湿度传感器，可大幅度提高其湿度传感特性。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研究现状2006 年，Maria Konstantaki等39提出一种基于聚环氧乙烷和钴氯化湿敏材料的高灵敏度长周期光纤光栅的湿度传感器。实验结果表明：其测量范围为5095%RH，分辨率为0.2%RH。 2008 年，AnuVijayan等40

10、通过研究离子自组装技术在塑料光纤包层表面涂覆一层聚苯胺湿敏材料制成光纤湿度传感器。其传感区长度为10mm，薄膜厚度为10.38m，湿度测量范围为2095%RH。 2010 年，Shohei Akita 等41提出在掺杂光纤的包层涂覆一层聚谷氨酸与多聚赖氨酸纳米结构的湿敏材料。实验结果表明：在波长为1310nm，光功率变化为0.26d B实现了对湿度5092.9%RH 的测量。 2011 年，R. Aneesh等42提出在纤芯裸露的光纤上涂覆氧化锌纳米颗粒掺杂溶胶-凝胶的湿敏薄膜，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：其湿度测量范围为496%RH，灵敏度为0.0012d

11、Bm/RH。 2012 年，R. Aneesh和Sunil K. Khijwania43提出了一种基于Ti O2湿敏薄膜的光纤倏逝波耦合湿度传感器。实验结果表明：该传感器的湿度测量范围为2495%RH，灵敏度为27.1m V/%RH。3.2国内光纤湿度传感器研究现状2009 年，宋韵等44利用CO2激光器在SMF 上制作了非对称折变型超长周期光纤光栅, 通过在栅区表面涂覆一层新型纳米复合水凝胶制备出高灵敏度的湿度传感器。通过实验得出：该传感器的光栅谐振峰最大漂移量为30nm，湿度测量范围为3896%RH。 2010 年，苗银萍等45提出了一种在倾斜光纤光栅的包层上涂覆PVA 湿敏材料的光纤湿度

12、传感器。实验结果表明：该传感器的湿度测量范围为2098%RH，其透射功率在2074%RH 范围内的敏感度为2.52d Bm/%RH，在7498%RH 范围内的灵敏度为14.95d Bm/%RH。 2011 年，刘燕军等46提出一种基于纳米分子材料的高灵敏度光纤布拉格光栅湿度传感器。该传感器从40%RH 到100%RH 具有优良的可逆性和重复性。 2012 年，禅之秋等47提出了在塌陷的光子晶体光纤两端涂覆PVA 湿敏材料的光纤湿度传感器。根据迈克尔逊干涉仪的相关原理，通过7 天的温湿度交叉实验，实验测量其灵敏度为0.6nm%RH。 2013 年，李霞等48提出一种以涂覆羟乙基纤维素和聚偏氟乙烯

13、混合物为湿敏材料的纤芯裸露型光纤湿度传感器。通过实验得出：其湿度灵敏度为0.196d BRH，并且有着良好的可逆性和重复性。4. 目前存在的问题及发展趋势虽然光纤湿度传感器有着广阔的应用前景,但目前还存在着几方面的不足:1) 适用范围有限。 目前报道的光纤传感器一般只能在一定湿度范围内正常工作。2)精度不够。 光纤传感器在测量精度上与电子式湿度传感器还有一定差距。3)受温度影响。 部分敏感材料的感湿机理决定了传感器测量结果会受到温度的影响。由于以上不足带来的局限性,光纤湿度传感器短期内并不能取代电子式湿度传感器的市场地位。 但因其具有的抗电磁辐射等优点,可针对特定的环境定制特殊的光纤传感器,以

14、回避适用范围等局限;对于直接光谱光纤湿度传感器,因其便于检测、成本较低,在小型环境观测站、食品加工厂和电力系统等场所中可以逐渐走向实际应用。近年来,光纤湿度传感器的技术和应用都得到了迅速发展,其中围绕湿度敏感材料开发的直接光谱型光纤湿度传感器扮演了重要角色,在气象、食品加工、医学、电力等领域都有着广阔的应用前景。 从它的特点来看,更适合针对特定环境特殊定制。 另外,测量精度的提高会对其实际应用起到很大的促进作用。参考文献1 Yeo T L, Sun T, Grattan K T V. Fibre-optic sensor technologies for humidity and moistu

15、re measurementJ. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 144(2): 280-295. 2 曾传卿.光纤湿度传感器研究进展 J.计测技术, 2010, 1.3 林之华,李朝锋,刘甲春.光纤传感技术及其军事应用 J. 光通信技术, 2011 (7): 4-6.4 沙占友,薛树琦,葛家怡.湿度传感器的发展趋势 J. 电子技术应用, 2003, 29(7): 6-7.5杨子江,黄建国.高分子湿度传感器研究进展 J.中国新技术新产品, 2010 (024): 12-12.6 孟臣,李敏. SHT71数字式温湿度传感器原理与应用 J. 世界电

16、子元器件, 2004 (8): 66-68. 7韩丹翱,王菲. DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究 J.电子设计工程, 2013, 21(13): 83-85.8 姚岚,余海湖.一种新型光纤湿度敏感元件 J.传感器技术, 2001, 20(2): 9-11. 9王珍媛,顾铮. 光学湿度传感器 J.激光与光电子学进展, 2008, 44(11): 41-46. 10王士杰.关于相对湿度定义的探讨 J.计量学报, 1984, 4. 11王士杰.湿度计量单位及其量值在考虑压缩因子时的计算方法 J.计量学报, 1983, 2: 007. 12李雅娟,党亚固,费德君, 等.光强调制型光纤湿度传感器

17、评述 J. 传感器与微系统, 2009, 28(7): 5-8.13 Corres J M, Arregui F J, Matias I R. Design of humidity sensors based on tapered optical fibersJ. Lightwave Technology, Journal of, 2006, 24(11): 4329-4336. 14 AsiahLokman, SomayehNodehi, M. Batumalay, et al. Optical fiber humidity sensor based on a tapered fiber w

18、ith HEC/PVDF composite J. Microwave and Optical Technology Letters, 2014, 56(2): 380-382. 15 Sunil K. Khijwania, Kirthi L. Srinivasan, Jagdish P. Singh. An evanescent wave optical fiber relative humidity sensor with enhanced sensitivity J. Sensors an Actuators B: Chemical, 2005(104): 217-222. 16 Shi

19、nzo Muto, Osamu Suzuki, Takashi Amano. A plastic optical fiber sensor for real time humidity monitoring J.Measurement Science and Technology.2003, 14: 746-750.17 Qiang Wu, YuliyaSemenova, Jinesh Mathew, et al. Humidity sensor based on a single-mode hetero-core fiber structure J. Optics Letters, 2011

20、, 36(10): 1752-1754. 51 18李雅娟, 党亚固, 费德君. HEC/PVDF作为光纤湿度传感器感湿材料性能研究 J.传感器与微系统, 2010 (5): 77-79.19 Khijwania S K, Srinivasan K L, Singh J P. An evanescent-wave optical fiber relative humidity sensor with enhanced sensitivityJ. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 104(2): 217-222. 20张向东, 李育林, 彭文达,

21、等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现 J.光子学报, 2003, 32(10): 1166-1169.21蔡汉莉,胡文彬,张艳晓,等.光纤光栅锈蚀传感器在不同湿度下的特性研究 J.光子学报, 2011, 40(5): 690-693.22 T.L. Yeo, T. Sun, K.T.V. Grattan, et al. Characterization of a polymer-coated fiber Bragg grating sensor for relative humidity sensing J. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005,

22、110(1): 148155. 23 Pascal Kronenberg, Pramod K. Rastogi, PhilippeGiaccari, et al. Relative humidity sensor with optical fiber Bragg gratings J. Optical Letters, 2002, 27(16): 13851387. 24 BoboGu, Mingjie Yin, A. Ping Zhang, et al. Optical fiber relative humidity sensor based on FBG incorporated thin

23、-core fiber modal interferometer J. Optics Express, 2011, 19(5): 4140-4146. 25 Sandra F.H. Correia, Paulo Antunes, Edison Pecoraro, et al. Optical fiber relative humidity sensor based on a FBG with a Di-Ureasil coating J. Sensors, 2012, 12(7): 8847-8860. 26 T. Venugopalan, T. sun, K.T.V. Grattan. Long period grating based humidity sensor for potential structural health monitoring J. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 148(1): 5762. 27 Alwis L, Sun T,