光纤技术在湿度传感器中的应用

光纤与电缆及其应用技术OpticalFiber&ElectricCable2008年第6期No.6󰀁2008综󰀁述光纤技术在湿度传感器中的应用韩悦文,󰀁陈海燕,󰀁黄春雄(长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州434023)󰀁󰀁[摘󰀁要]󰀁湿度是一个重要的物理量,许多环境下需要进行湿度的测量。各种现代意义上的湿度传感器已经逐渐成熟并得到应用。从测量原理的角度,对光纤式湿度传感器及其应用作简要介绍、总结,并概要分析此类湿度传感器的发展趋势。󰀁󰀁[关键词]󰀁湿度传感器;光纤传感器;光纤光栅󰀁󰀁[中图分类号]󰀁TP212.14;TN818󰀁󰀁[文献标识码]󰀁A󰀁󰀁[文章编号]󰀁1006󰀁1908(2008)06󰀁0005󰀁04ApplicationofFiberOpticTechnologyinHumiditySensorHANYue󰀁wen,󰀁CHENHai󰀁yan,󰀁HUANGChun󰀁xiong(SchoolofPhysicsScienceandTechnology,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,Hubei,China)Abstract:Humidityisanimportantphysicalparameter,anditisnecessarytomeasurehumidityinmanyenvironments.Somekindsofmodernhumiditysensorhavebeenmatureandapplied.Startingfromthemeasuringprinciplefiberoptichumiditysensoranditsapplicationareintroducedandsummarizedbriefly,anditsdevelopmenttrendsareanalyzedgenerally.Keywords:humiditysensor;opticalfibersensor;fibergrating

[收稿日期]󰀁2008󰀁07󰀁27[作者简介]󰀁韩悦文(1979-),男,湖北人,长江大学物理科学与技术学院助教.[作者地址]󰀁湖北省荆州市南环路1号,长江大学物理科学与技术学院,4340230󰀁引󰀁言湿度是一个重要的物理量,航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度的要求都非常严格,对湿度参量进行有效实时监测和控制,是正常生产的前提。湿度传感器的种类很多,按所用湿敏材料可分为电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器[1󰀁3];按测量原理可分为电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器和光电式湿度传感器。理想的湿度传感器可在较宽的温度和湿度范围内使用;测量精度高,寿命长,稳定性好;响应速度快,湿滞回差小;灵敏度高,线性好,温度系数小;制造工艺简单,体积小;抗腐蚀,耐高低温等。目前,低温条件下(通常指100󰀂以下)的湿度测量已经相当成熟,但高温环境下的湿度测量,在测量范围、测量精度、响应时间、组件使用寿命等方面却不尽人意。此外,在恶劣条件下,如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈以及有严重污染的工业气体,会使湿度测量精度大大降低。为了适应上述要求,光纤式湿度传感器等各种新型湿度传感器迅速发展起来。1󰀁湿度的定义空气的干湿程度称为 湿度!,常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来衡量。通常空气温度越高,最大湿度就越大。绝对湿度(AH)是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量,单位是g/m3,它的极限是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义,绝对湿度与温度的关系为:󰀁w=mV=eRwT(1)式中m为空气中所含水的质量(g),V为空气的体积(m3),e为蒸汽压(Pa),T为热力学温度(K),Rw为水的气体常数,Rw=461.52J/(kg∀K)。相对湿度(RH)是绝对湿度与最高湿度的比值,表示水蒸气的饱和度。相对湿度为100%的空气就是水蒸气饱和的空气。随着温度的增高,空气的最高湿度就越大,相对湿度的计算式为:󰀂=󰀁w󰀁w,max#100%=eE#100%=sS#100%(2)式中󰀁w为绝对湿度(g/m3),󰀁w,max为最高湿度(g/m3),E为饱和蒸汽压(Pa),s为比湿(g/kg),S为最高比湿(g/kg)。2󰀁光纤传光式湿度传感器光纤传光式湿度传感器的基本工作原理是:当不同湿度的空气与湿敏薄膜接触后,湿敏薄膜的光学参数会发生改变,通过测量湿敏薄膜光学参数的变化即可获得相应的湿度。根据湿敏薄膜的反应原理,光纤传光式湿度传感器又可分为基于光吸收的湿度传感器和基于荧光效应的湿度传感器[4󰀁6]。光纤传光式湿度传感器的探头设计、分子探针选择和化学传感膜(湿敏薄膜)的制备是关键,其中所选择的湿敏薄膜应不易受到与待测气体共存气体的影响,并且在测量前还应准确标定温度对薄膜光学性能的影响。现以光纤传光式湿度传感器中较为典型的光敏薄膜式湿度传感器为例进行介绍。如图1所示,光敏薄膜(8mm#8mm)固定在两块带孔的塑料薄片(10mm#6mm)之间,插入1cm的比色皿中,即形成三明治式的光敏薄膜式湿度传感器,将此传感器固定在分光光度计的样品池架上,让光路通过光敏薄膜,进行测量。其中传光光纤可采用普通的G.652光纤,光敏薄膜可选用具有较强选择性和敏感性的结晶紫材料。当不同湿度的气体接触结晶紫薄膜时,随着结晶紫薄膜中含水量的增加,干燥的Nafion(结晶紫薄膜)中的磺酸基的酸性逐渐减弱,双质子结晶紫失去质子变为单质子或非质子形式,颜色也变为绿色,对640nm波长光的透射强度减弱。由Lamber󰀁Beer定律定量表达为:A=aLH(3)式中A为吸光度,a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,根据信号图1󰀁光纤传光式湿度传感器的典型结构光强的改变,可很容易地测得相应的湿度。󰀁󰀁光敏薄膜式湿度传感器的测量范围为30%~100%RH,测量精度为5%RH,其结构简单,测量方便,运用了较成熟的测量原理和计算公式,后期的数据处理也较方便,是一种应用广泛的实验室测量器件。从实验初步结果来看,现有工艺制作的光敏薄膜与待测气体达到湿度平衡的时间多在2~20min,测量时间较长。另外,由于采用比色法测量,严格来讲,在测量之前还要进行标准湿度的标定,这势必又增加了测量时间。因而,目前光敏薄膜式湿度传感器还只适用于实验室测量。3󰀁光纤传感式湿度传感器光纤传感式湿度传感器是以光纤作为敏感物质[7]。先将单模光纤的中间部分拉制成锥形,且锥形的束腰直径保持一定距离不变(类似 哑铃型!),束腰处外包层采用ESA(ElectrostaticSelf󰀁Assembly,静电自组装)材料,光纤的锥形结构如图2所示;再在外包层外涂覆一层湿敏双层复合聚合物材料,其厚度为t涂覆层。光纤传感式湿度传感器的测量原理是:测量时将光输入光纤,光纤包层采用紫外光固化,其相关损耗只与温度有关,而光在锥形结构处的损耗还与外包层、涂覆层的厚度、湿度有关,通过光纤输出功率检测就可获得相应的湿度。图2󰀁光纤传感式湿度传感器的锥形结构󰀁󰀁采用1310nm波长光,对涂覆层为聚合物(PDDA/Poly󰀁R)[8]的不同锥形结构束腰半径t的光纤传感式湿度传感器进行测试,结果如图3所示。从图中可知,随着t涂覆层的增加,光纤的输出光功率逐渐减弱直至一个最小值,然后再逐渐增强;在束腰半径t=10~25 m时,随着t的降低,传感效果逐渐加强。但光纤传感式湿度传感器的设计并不是t越小越好,还应综合考虑灵敏度、尺寸、测量范围等。󰀁󰀁仍采用1310nm波长光,对束腰半径t=10.5 m的不同n外包层的光纤传感式湿度传感器进行测试,结果如图4所示。图中测试曲线的斜率说明,随着n外包层的增大,湿度与输出光功率(即光能损耗)相关度逐渐加强。因此,采用n外包层较大的外包层更有利于提高光纤传感式湿度传感器的灵敏度。∀6∀󰀁󰀁光纤与电缆及其应用技术2008年第6期图3󰀁束腰半径t对光纤传感式湿度传感器输出光功率的影响图4󰀁n外包层对光纤传感式湿度传感器输出光功率的影响󰀁󰀁分别采用1310nm及1550nm波长的光,对束腰半径t=12.5 m的聚合物(PDDA/Poly󰀁R)涂覆层光纤传感式湿度传感器进行测试,结果如图5所示。从图中可知,在其它条件相同的情况下,采用1550nm波长的光,即使在涂覆层厚度较大的情况下,光纤传感式湿度传感器也显现出湿敏特性,而输入光波长为1310nm,则涂覆层厚度应薄一些。这与理论推导的结论较为符合。图5󰀁输入波长对光纤传感式湿度传感器输出光功率的影响󰀁󰀁光纤传感式湿度传感器结构紧凑,体积较小,系统更易小型化,适于现场测量[9󰀁10]。在输入光波长为1550nm时,其测量范围为0~90%RH,灵敏度为0.03dB/%RH,在26~65󰀂范围内有1dB的漂移(在0~100󰀂范围内测得)。由于测量范围未覆盖0~100%RH,当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,因而光纤传感式湿度传感器还需在测量范围方面作进一步的研究。4󰀁光纤光栅式湿度传感器相对光纤传感式湿度传感器,光纤光栅式湿度传感器的结构更加紧凑,并且可通过测量波长的变化来获得相应的湿度,其测量精度更高[11󰀁14]。光纤光栅式湿度传感器的典型结构如图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!B1和!B2发生漂移,变化量分别为∀!1和∀!2,由此可计算出温度、湿度变化值。图6󰀁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!Bi(i=1,2)满足下式:∀!Bi!Bi=∀neffneff+∀#i#i(4)式中neff为FBG的有效折射率,#i(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∀SH引起的弹光效应和温度变化量∀T引起的热光效应共同作用的结果;第二项为∀SH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,∀SH引起FBG1的轴向应变∀#1/#1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:󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁∀#1#1=C1∃∀SH(5)C1=EH(r2H-r2F)(1-2 F)(1-2 H)r2FEF+(r2H-r2F)(1-2 F)EH(6)式中∃, H,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)∃∀SH=󰀁󰀁KT1∀T+KS1∀SH(7)式中pe,&分别为光纤有效弹光系数和热光系数;%H,%F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∃=0,KS2=0,故:∀7∀韩悦文,等:光纤技术在湿度传感器中的应用󰀁󰀁󰀁󰀁∀!B2!B2=[(1-pe)%F+&]∀T=KT2∀T(8)求解式(7)与式(8),即可获得相对湿度变化值∀SH和温度变化值∀T。光纤光栅式湿度传感器测量精度高、测量速度快,可温度、湿度同时测量,耐高温,耐腐蚀,只要选用湿膨胀线性度好的材料(如PI),整体上会表现出极好的测量效果。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;动态响应时间小于15s(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分别为%5%RH和%0.2󰀂。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。5󰀁结束语随着湿度传感向非接触式和无损检测方向发展,越来越多的光纤技术应用在湿度传感领域。光纤式湿度传感器相对传统的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;抗腐蚀,耐温性能更好(直接测量可达200󰀂以上);使用寿命更长,稳定性更好;不受电磁干扰和核辐射影响;湿度测量范围较宽(典型值10%~90%RH);响应速度更快(典型值可小于15s),湿滞回差更小(典型值∃%1.5%);灵敏度更高(最高0.03dB/%RH),温度系数更小(典型值0.25dB/󰀂)。但光纤式湿度传感器的测量范围还未覆盖100%RH,有待于进一步提高;由于其需采用稳定的通信光源等设备,因而系统的整体成本相对较高。采用光敏薄膜的光纤传光式湿度传感器,代表了传统的气体组分检测方式,其设计简单,只要找到对湿度敏感的光电材料,就可开发出相应的湿度传感器。但一种材料很难满足传感器的多方面要求,因而应尽可能地尝试复合材料和长寿命材料。由于测量方法和测量设备的特点,光敏薄膜式湿度传感器较适合于实验室用。以光纤和光纤光栅直接作为敏感材料的湿度传感器较为理想。一方面,光纤简化了传感器和系统结构;另一方面,光纤的抗电磁干扰、耐高温特性使其在恶劣的环境中仍能正常工作,可满足在极端环境下的测量需求。[参考文献][1]󰀁秦永和.湿度传感器测试系统[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2002:4󰀁5.[2]󰀁孙良彦.国外湿度传感器发展动态[J].传感器技术,1996(2):1󰀁4.[3]󰀁RITTERSMAZM.Recentachievementsinminiatu󰀁rizedhumiditysensors&areviewoftransductiontechniques[J].SensActuatorsB,2002,96:196󰀁210.[4]󰀁金兴良,李伟,孙大海,等.基于Nafion&结晶紫传感膜的光纤湿度传感器研究[J].光谱学与光谱分析,2005,25(8):1328󰀁1331.[5]󰀁BEDOYAM,DIEZMT,MORENO󰀁BONDIMC.HumiditysensingwithaluminescentRu(II)complexandphase󰀁sensitivedetection[J].SensActuatorsB,2006,113:573󰀁581.[6]󰀁CHIOMMF,TSEOL.Humidity󰀁sensitiveopticalmembranebasedonafluorescentdyeimmobilizedingelatinfilm[J].AnalChemActa,1999,37(8):127󰀁134.[7]󰀁CORRESJM,ARREGUIFJ,MATIASIR.Sensitivityoptimizationoftaperedopticalfiberhumiditysensorsbymeansoftuningthethicknessofnanostructuredsensitivecoatings[J].SensActuatorsB,2007,122:442󰀁449.[8]󰀁CORRESJM,ARREGUIFJ,MATIASIR.Designofhumiditysensorsbasedontaperedopticalfibers[J].JLightwaveTechnology,2006,24(11):4329󰀁4336.[9]󰀁BrookTE,TAIBMN,NARAYANASWAMYR.Extendingtherangeofafiber󰀁opticrelative󰀁humiditysensor[J].SensActuatorsB,1997,38:272󰀁276.[10]󰀁ARREGUIFJ,LIUYan󰀁jing,MATIASIR,etal.OpticalfiberhumiditysensorusingananoFabry-Perotcavityformedbytheionicself󰀁assemblymethod[J].SensActuatorsB,1999,59:54󰀁59.[11]󰀁张向东,李育林,彭文达,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.[12]󰀁KONSTANTAKIM,PISSADAKISS,PISPASS,etal.Opticalfiberlong󰀁periodgratinghumiditysensorwithpoly(ethyleneoxide)/cobaltchloridecoating[J].AppliedOptics,2006,45(19):4567󰀁4571.[13]󰀁KRONENBERGP,RASTOGIPK,GIACCARIPM,etal.RelativehumiditysensorwithopticalBragggratings[J].OpticalLetters,2002,127(16):1385󰀁1387.[14]󰀁SUTAPUNB,TABIBAM,KAZEMIA.Pd󰀁coatedelastoopticfiberopticBragggratingsensorsformultiplexedhydrogensensing[J].SensActuatorsB,1999,60:27󰀁34.∀8∀󰀁󰀁光纤与电缆及其应用技术2008年第6期