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光纤湿度传感器研究进展

2014/4/1 11:31:32  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  摘要:介绍了光纤湿度传感器的国内外研究现状和几种光纤湿度传感器的原理,对几种主要的光纤湿度传感器的特点进行了比较,并预测了光纤湿度传感器的发展趋势。

  关键词:湿度传感器,光纤,特点,发展趋势

  0 引言

  随着工农业的发展和科学技术的进步,湿度测量显得越来越重要,国防科技、航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度都有非常严格的要求,对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器,由于测量精度高、响应速度快以及信号易于处理和控制等优势,在市场中占据了主导地位,但存在着长期稳定性和互换性差、不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作,以及只能单点测量的严重不足。

  为发挥非电量湿度传感器的防污染、抗电磁干扰、本质安全(即阻燃、防爆),传感器探头可在狭小空间使用等优势,以解决国防科研、石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆和强电磁干扰环境中进行湿度测量与控制的难题,促使人们去研究新型非电量湿度传感器。而光纤湿度传感器为这些难题的解决提供了一条很好的途径。

  1 光纤湿度传感器国内外研究动态

  在国外,日本的武藤敏郎等人[1]报道了荧光塑料光纤湿度传感器,这是基于染料掺杂包层膜表面的染料分子和水分子之间的电离反应,因此,膜吸收变得更具有荧光性并导致光强度和荧光光谱的改变。 Michie等 [ 2 ]利用光纤和水凝胶聚合物通过时域反射计法(OTDR)研究了测量水分和pH值的分布式传感器 。Konstantanki等和谭等结合长周期光栅( LPG )和聚合物(明胶和聚氧化乙烯/钴)涂层制作了相对湿度传感器,响应时间低于30s。Brook等人研制了一种新的光纤湿度传感器,利用信号处理方法扩展此传感器的线性工作范围。先将敏感材料(Nafion结晶紫复合物)固定在玻璃基片上,然后用聚合物光纤作为光波导将光从光源引到传感器,再从传感器引到光谱仪上。利用人工神经网络方法分析在不同的相对湿度下产生的光谱,将光纤湿度传感器的线性响应范围从以前报道的40%~55%扩展到了40%~82%RH的湿度范围。印度的B.D.Gupta等研制了基于掺酚红的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,其测量范围为20%RH~80%RH,响应时间约5s[2]。西班牙的Candido Bariain等研制了基于涂敷琼脂凝胶的锥形光纤湿度传感器,其测量范围为30%~80%RH,动态范围6.5dB,响应时间<1min[3]。印度的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%RH~80%RH,用于监测密闭空间的相对湿度[4];美国的Sunil K. Khijwania等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%RH~90%RH,响应时间为1s[5]。

  在国内,周胜军等报道了一种涂敷氯化钴/glation的、湿度测量范围为10%~90%RH,响应时间为2.5s的光纤湿度传感器[6]。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,湿度测量范围从25%到95%RH[7];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,传感器的测量范围为11%~98%RH,灵敏度为-0.000266V / %RH,响应时间约为5s,光纤湿度传感器探头直径约为2mm[8];金兴良等研制了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[9];王立伟等研制了使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±4.3%RH[10]。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;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℃、湿度测量范围为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[11]。传感器直径约8mm。武汉理工大学研制了使用多孔硅湿敏膜的F-P腔干涉式光纤湿度传感器,测量范围为11%RH~90%RH,响应时间为5s。

  2 几种光纤湿度传感器工作原理概述

  2.1 光纤渐逝波耦合湿度传感器[5,7]

  光纤渐逝波耦合器是由熔融拉锥技术制备的,它利用氢氧焰对两根贴近的单模光纤加热,使光纤处于熔融状态,并采用程控的平移台向相反方向匀速运动,加热区逐渐变细,这样,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。

......

  作者简介: 曾传卿:1950年10月生,研究员,从事温湿度与气体传感器及测试技术研究。

  Tel:0816-2484435,E-mail: zchqing@tom.com

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