光纤光栅湿度传感器初探.doc

光纤湿度传感器研究进展光纤湿度传感器研究进展

中国工程物理研究院总体所中国工程物理研究院总体所

曾传卿曾传卿

?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

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?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。

国内外动态国内外动态（续）（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；

?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。

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2.1

?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

2.22.2长周期光纤光栅湿度传感器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。