光纤湿度传感器应用的文献综述

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[13-15]

[16,17]、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[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 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，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，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PV A 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，PV A 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，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