光纤湿度传感器研究进展

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1、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

2、20％～80％RH，响应时间约5s。西班牙学者Ca´ndidoBaria´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

3、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

4、；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

5、测量,且响应时间≤15s。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

6、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

7、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

8、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-45dB