光纖濕度傳感器應(yīng)用的文獻(xiàn)綜述

1、光纖通信原理（論文）文獻(xiàn)綜述學(xué)院：電氣工程學(xué)院題目：光纖濕度傳感器應(yīng)用光纖濕度傳感器研究進(jìn)展文獻(xiàn)綜述學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：通信工程摘要：光纖濕度傳感器是傳感器的重要組成部分，而光纖濕度傳感器的使用敏感材料也很多，原理也各有異同，導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)不同、檢測(cè)方式有差異和成本相差較大等問題,引起了研究者的廣泛興趣。本文比較了幾種主要光纖濕度傳感器的特點(diǎn)，并對(duì)光纖濕度傳感技術(shù)目前存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：光纖濕度傳感器；濕度；敏感材料1.引言光纖濕度傳感器具有體積較小，響應(yīng)速度較快，抗電磁干擾強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍大，動(dòng)態(tài)范圍較大，靈敏度非常高的特點(diǎn)，在惡劣的環(huán)境中能發(fā)揮天然的優(yōu)勢(shì)。因而在國(guó)防

2、科研、石油化工和電力等領(lǐng)域的濕度檢測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景 1。光學(xué)濕度傳感器主要是利用光學(xué)材料在空氣相對(duì)濕度發(fā)生變化后, 材料的物理和化學(xué)特性將發(fā)生變化，介質(zhì)感受到相應(yīng)的變化，從而引起波長(zhǎng)光學(xué)參數(shù)，光波導(dǎo)和反射系數(shù)的變化進(jìn)行的濕度測(cè)量1。2.光纖濕度傳感器的分類按照不同的傳感原理，光纖濕度傳感器可分為兩類：一類是光功率檢測(cè)型12，即外界濕度變化引起傳輸光功率的變化，如基于錐形光纖 13-1516,17、塑料包層石英光纖 18,19等濕度傳感器；另一類是波長(zhǎng)檢測(cè)型20,21，即外界濕度變化引起涂敷在傳感器表面的濕敏材料有效折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，如基于布拉格光纖光柵

3、22-25、長(zhǎng)周期光纖光柵 26-29、光纖Fabry-Perot腔 30-33等濕度傳感器。1.3.1 2.1光功率檢測(cè)型2.1.1光纖傳光式濕度傳感器光纖傳光式濕度傳感器的傳感原理為：當(dāng)濕敏材料薄膜與空氣濕度相互接觸后，濕敏材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其光學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。因此，通過測(cè)量濕敏材料光學(xué)參數(shù)的變化即可得出空氣濕度相應(yīng)的變化。在制備光纖傳光式濕度傳感器時(shí)，對(duì)于探針的設(shè)計(jì)、封裝和濕敏材料的制備尤其重要，其中濕敏材料應(yīng)不受到與空氣濕度之外其他氣體的影響，并且在濕度測(cè)量前還應(yīng)準(zhǔn)確標(biāo)定濕敏薄膜的溫度特性。根據(jù)濕敏材料的相關(guān)原理，光纖傳光式濕度傳感器可分為基于熒光效應(yīng)和光吸收的濕度傳感器。圖1.3

4、光纖傳光式濕度傳感器的典型結(jié)構(gòu)圖1-2中，將光敏薄膜固定在兩塊帶孔的塑料薄片之間，并垂直插入比色皿中，便可形成如三明治式的光敏薄膜式濕度傳感器。實(shí)驗(yàn)中，將其固定在分光光度計(jì)的樣品池上，讓波長(zhǎng)為640nm的光源通過光敏薄膜，當(dāng)氣體中的濕度接觸到結(jié)晶紫薄膜時(shí)，結(jié)晶紫薄膜中的含水量逐漸增加，導(dǎo)致干燥的結(jié)晶紫薄膜中的磺酸基的酸性逐漸減弱，雙質(zhì)子結(jié)晶紫容易失去質(zhì)子變?yōu)閱钨|(zhì)子或非質(zhì)子形式，薄膜顏色逐漸變?yōu)榫G色，對(duì)640nm波長(zhǎng)光的透射強(qiáng)度減弱，選用單模光纖 (Single Mode Fiber, SMF)作為傳感光纖便可讀取光功率的變化，實(shí)現(xiàn)空氣濕度的測(cè)量。2.1.2光纖傳感式濕度傳感器光纖傳感式濕度傳感

5、器，是以光纖為傳感介質(zhì)，通過對(duì)光纖進(jìn)行微加工 (如熔融拉錐、氫氟酸腐蝕、二氧化碳激光拉錐等)形成傳感區(qū)域，并在光纖傳感區(qū)域均勻涂覆一層濕度敏感性復(fù)合材料薄膜作為光纖的外包層 35,36。其傳感原理為：濕敏材料與空氣濕度相互作用后發(fā)生一定的物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致光在傳輸?shù)焦饫w傳感區(qū)域時(shí)傳輸損耗增大，引起輸出端光功率發(fā)生變化。如圖1-3 所示，光纖傳感式濕度傳感器。對(duì)SMF 進(jìn)行熔融拉錐或氫氟酸腐蝕處理之后，形成不同結(jié)構(gòu)的傳感區(qū)域。隨著包層結(jié)構(gòu)的改變，當(dāng)入射光傳輸?shù)焦饫w傳感區(qū)域時(shí)，纖芯和包層的界面將發(fā)生新的定義，因此可在光纖傳感區(qū)域涂覆一層濕敏材料薄膜作為新的包層。在這種情況下，濕敏材料與空氣濕

6、度相互作用，新的包層折射率發(fā)生變化，根據(jù)光波導(dǎo)及倏逝波相關(guān)理論，便會(huì)影響光信號(hào)的傳輸，最后通過觀察輸出端光功率的變化來檢測(cè)空氣濕度的變化。2.2波長(zhǎng)檢測(cè)型2.2.1光纖布拉格光柵濕度傳感器光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)濕度傳感器是通過測(cè)量波長(zhǎng)的變化來獲得相應(yīng)濕度變化的光纖濕度傳感器。如圖1-4 所示，為帶有溫度補(bǔ)償功能的FBG濕度傳感器37。圖 1-4 光纖布拉格光柵濕度傳感器圖1-4 中，包括對(duì)溫度敏感對(duì)濕度不敏感的FBG2 以及對(duì)溫度和濕度同時(shí)敏感的FBG1 串聯(lián)構(gòu)成。為了增加FBG1 的濕度敏感特性，可在其表面涂覆一層改性聚酰亞胺(Polyimide，

7、PI)濕敏薄膜以提高濕度測(cè)量靈敏度。其測(cè)量原理為：隨著環(huán)境溫濕度變化PI 濕敏材料吸水膨脹和熱脹冷縮對(duì)FBG1 有應(yīng)力作用，引起FBG1 軸向應(yīng)變，導(dǎo)致布拉格光纖光柵反射中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。通過測(cè)量FBG1 的中心波長(zhǎng)漂移量便可得到溫濕度的變化。由于FBG2 對(duì)空氣濕度不敏感僅對(duì)溫度敏感，通過檢測(cè)FBG2的反射中心波長(zhǎng)漂移量，便可檢測(cè)出溫度的相應(yīng)變化。因此，設(shè)計(jì)雙布拉格光纖光柵結(jié)構(gòu)可減少溫度對(duì)濕度測(cè)量的影響，最終實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。在實(shí)驗(yàn)中，通過增大PI 濕敏材料薄膜的厚度或通過腐蝕減少光纖包層的半徑可以提高布拉格光纖光柵濕度傳感器的濕度靈敏度。2.2.2長(zhǎng)周期光纖光柵濕度傳感器如圖1-5 所示，

8、為基于長(zhǎng)周期光纖光柵(Long Period Fiber Grating, LPFG)的濕度傳感器38原理圖。圖 1-5 長(zhǎng)周期光纖光柵濕度傳感器原理圖圖1-5 中，LPFG 是用二氧化碳激光器在SMF 上制備而成的。根據(jù)LPFG 對(duì)外界環(huán)境折射率敏感的特性，在LPFG 傳感區(qū)域均勻涂覆一層PVA 濕敏材料作為濕敏薄膜，可提高長(zhǎng)周期光纖光柵濕度傳感器對(duì)環(huán)境濕度的敏感響應(yīng)。對(duì)于涂覆濕敏材料的LPFG 應(yīng)將其封裝在石英V 型槽中，避免彎曲應(yīng)力的影響。長(zhǎng)周期光纖光柵濕度傳感器的傳感原理為：隨著環(huán)境濕度的變化，PVA 濕敏材料吸收解析水分，其有效折射率發(fā)生變化，引起光纖結(jié)構(gòu)的變化以及包層與纖芯折射率差

9、，改變了光在光纖中的模場(chǎng)分布和傳播常數(shù)，同時(shí)外界濕度的變化還會(huì)改變LPFG 的周期，最終導(dǎo)致透射譜中吸收峰強(qiáng)度和中心波長(zhǎng)的變化。3.光纖濕度傳感器的研究現(xiàn)狀隨著光纖刻?hào)拧⒐饫w拉錐、光纖涂覆和濕敏材料的不斷發(fā)展與進(jìn)步，通過設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的光纖濕度傳感器，可大幅度提高其濕度傳感特性。因此，光纖濕度傳感器引起了越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。3.1國(guó)外光纖濕度傳感器研究現(xiàn)狀2006 年，Maria Konstantaki等39提出一種基于聚環(huán)氧乙烷和鈷氯化濕敏材料的高靈敏度長(zhǎng)周期光纖光柵的濕度傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其測(cè)量范圍為5095%RH，分辨率為0.2%RH。 2008 年，AnuVijayan等40

10、通過研究離子自組裝技術(shù)在塑料光纖包層表面涂覆一層聚苯胺濕敏材料制成光纖濕度傳感器。其傳感區(qū)長(zhǎng)度為10mm，薄膜厚度為10.38m，濕度測(cè)量范圍為2095%RH。 2010 年，Shohei Akita 等41提出在摻雜光纖的包層涂覆一層聚谷氨酸與多聚賴氨酸納米結(jié)構(gòu)的濕敏材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在波長(zhǎng)為1310nm，光功率變化為0.26d B實(shí)現(xiàn)了對(duì)濕度5092.9%RH 的測(cè)量。 2011 年，R. Aneesh等42提出在纖芯裸露的光纖上涂覆氧化鋅納米顆粒摻雜溶膠-凝膠的濕敏薄膜，通過優(yōu)化薄膜的厚度提高了線性響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其濕度測(cè)量范圍為496%RH，靈敏度為0.0012d

11、Bm/RH。 2012 年，R. Aneesh和Sunil K. Khijwania43提出了一種基于Ti O2濕敏薄膜的光纖倏逝波耦合濕度傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的濕度測(cè)量范圍為2495%RH，靈敏度為27.1m V/%RH。3.2國(guó)內(nèi)光纖濕度傳感器研究現(xiàn)狀2009 年，宋韻等44利用CO2激光器在SMF 上制作了非對(duì)稱折變型超長(zhǎng)周期光纖光柵, 通過在柵區(qū)表面涂覆一層新型納米復(fù)合水凝膠制備出高靈敏度的濕度傳感器。通過實(shí)驗(yàn)得出：該傳感器的光柵諧振峰最大漂移量為30nm，濕度測(cè)量范圍為3896%RH。 2010 年，苗銀萍等45提出了一種在傾斜光纖光柵的包層上涂覆PVA 濕敏材料的光纖濕度

12、傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的濕度測(cè)量范圍為2098%RH，其透射功率在2074%RH 范圍內(nèi)的敏感度為2.52d Bm/%RH，在7498%RH 范圍內(nèi)的靈敏度為14.95d Bm/%RH。 2011 年，劉燕軍等46提出一種基于納米分子材料的高靈敏度光纖布拉格光柵濕度傳感器。該傳感器從40%RH 到100%RH 具有優(yōu)良的可逆性和重復(fù)性。 2012 年，禪之秋等47提出了在塌陷的光子晶體光纖兩端涂覆PVA 濕敏材料的光纖濕度傳感器。根據(jù)邁克爾遜干涉儀的相關(guān)原理，通過7 天的溫濕度交叉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量其靈敏度為0.6nm%RH。 2013 年，李霞等48提出一種以涂覆羥乙基纖維素和聚偏氟乙烯

13、混合物為濕敏材料的纖芯裸露型光纖濕度傳感器。通過實(shí)驗(yàn)得出：其濕度靈敏度為0.196d BRH，并且有著良好的可逆性和重復(fù)性。4. 目前存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)雖然光纖濕度傳感器有著廣闊的應(yīng)用前景,但目前還存在著幾方面的不足:1) 適用范圍有限。 目前報(bào)道的光纖傳感器一般只能在一定濕度范圍內(nèi)正常工作。2)精度不夠。 光纖傳感器在測(cè)量精度上與電子式濕度傳感器還有一定差距。3)受溫度影響。 部分敏感材料的感濕機(jī)理決定了傳感器測(cè)量結(jié)果會(huì)受到溫度的影響。由于以上不足帶來的局限性,光纖濕度傳感器短期內(nèi)并不能取代電子式濕度傳感器的市場(chǎng)地位。 但因其具有的抗電磁輻射等優(yōu)點(diǎn),可針對(duì)特定的環(huán)境定制特殊的光纖傳感器,以

14、回避適用范圍等局限;對(duì)于直接光譜光纖濕度傳感器,因其便于檢測(cè)、成本較低,在小型環(huán)境觀測(cè)站、食品加工廠和電力系統(tǒng)等場(chǎng)所中可以逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用。近年來,光纖濕度傳感器的技術(shù)和應(yīng)用都得到了迅速發(fā)展,其中圍繞濕度敏感材料開發(fā)的直接光譜型光纖濕度傳感器扮演了重要角色,在氣象、食品加工、醫(yī)學(xué)、電力等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。 從它的特點(diǎn)來看,更適合針對(duì)特定環(huán)境特殊定制。 另外,測(cè)量精度的提高會(huì)對(duì)其實(shí)際應(yīng)用起到很大的促進(jìn)作用。參考文獻(xiàn)1 Yeo T L, Sun T, Grattan K T V. Fibre-optic sensor technologies for humidity and moistu

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