罗东光纤湿度传感器研究进展20124400221讲解

光纤湿度传感器研究进展姓名：罗东班级：通信工程1202班学号：20124400221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,介绍了光纤湿度传感器的研究现状和光纤湿度传感器的特点原理，对几种光纤湿度传感器的特点进行了比较，对光纤式湿度传感器及其应用进行了简述，远望了光纤湿度传感器的发展前景。关键词：光纤、湿度传感器、特点、发展趋势、光纤材料AbstractHumidityisanimportantphysicalquantitymeasuredinmanyenvironmentsrequirehumidity.Varietyofhumiditysensorsinthemodernsensehasmaturedandapplied.Fromtheperspectiveofthemeasurementprinciple,describesthecharacteristicsoftheprincipleofopticalsensorresearchstatusandfiberhumiditysensor,humiditysensoroncharacteristicsofseveralfiberwerecompared,forfiberoptichumiditysensoranditsapplicationwerebrief,OutlooktheProspectsfiberhumiditysensor.Keyword:opticalfiber,humiditysensors,characteristics,trends,fiberopticmaterial第一章引言科技发展，日新月异，人类对传感器的需求和要求越来越多，湿度测量变得越来越重要，很多等行业对湿度的要求都非常严格，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围，响应速度，精度等主要指标的要求也越来越高。传统的电容，电阻等电量湿度传感器，由于测量精度高，测量响应速度快，传感器信号易于处理和控制信号等优势，从而在市场上占据着主导地位，但也有长期的稳定性和互换性差，不能工作在个有严重的污染和强电磁干扰环境中，不能多点大范围测量的严重不足。光学湿度传感器为解决这些问题提供了一个思路。该类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的介质层将发生变化，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。由于光学湿度传感器体积小，响应速度快，抗电磁干扰，温度高，动态范围大，灵敏度高，在恶劣的环境中天然的优势发挥。在极端环境下现场测量，光电技术的应用，以解决在测试环境中，长期暴露的情况下，有可能的湿度传感器被污染和腐蚀，从而影响其精度和长期的稳定性的问题，促进了非接触湿度传感器检测和非破坏性测试领域的发展。第二章工作原理概述2.1湿度定义及特征一、湿度表示法空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有三种表示法。1、质量百分比和体积百分比混合气体的质量为M，如果它包含水蒸汽的质量为m，所述米的质量百分率/M×100％。在混合气体体积V，如果水蒸汽包含的体积为v，V/V的则体积百分比×100％。这两种方法都统称为水蒸汽的方法的百分比。2、相对湿度和绝对湿度水蒸汽压力是在温度，水蒸气存在于混合气体分压（p）的某些条件。的饱和蒸气压是在相同的温度下，混合中所含的气体的压力（ps）的最大水蒸汽。。在一定温度下，饱和蒸气压的相同百分比的蒸气压，称为相对湿度%100sppRH绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为Vmvm——待测空气中水蒸气质量；V——待测空气的总体积；ρv——待测空气的绝对湿度。3、露（霜）点随着温度的降低饱和水蒸气压力逐渐降低。在相同的空气压力的水蒸汽，较低的温度，空气与相同温度下的水的蒸气压的饱和蒸气压的值越小。当空气温度下降到一定的温度，压力和水蒸汽在空气中在相同温度下的水的饱和蒸气压是相等的。此时，水蒸汽在空气中会凝结成液体的转化率和露水，100％RH的相对湿度。此温度下，被称为空气露点温度，露点短。如果温度低于0℃时，蒸汽就会结霜，也被称为霜点温度。两者统称为露点。空气，水蒸汽压力，较低的露点，所以可以露点指示空气的湿度。30201050电源40-100102450温度/℃10%RH露点/℃80%RH70%RH60%RH5R4R2R3R2.2光纤传感器结构原理光纤传感器是把被测量的状态转为指可测量的光信号。由光发射器，光敏元件，光接收器，信号处理系统和光纤组成，参见图（B）光通过纤维的由光发送定向到敏感元件的源发射。在这种情况下，光的性质由调制测定，通过接收光纤联接到光接收器，光信号转换成电信号的调制光，最后得到所测量的量。一、光纤传光式湿度传感器原理光纤光湿度传感器的基本工作原理是：空气和接触不同的湿度后，湿敏膜，湿膜的光学参数会发生变化，则可以通过测量湿度的变化薄膜光学参数得到相应的湿度。现在，随着光纤光湿度传感器的感光膜更典型湿度传感器为例。1，感光膜（8毫米×8毫米）固定在两个孔塑料片（10毫米×6毫米）中，插入1厘米比色杯，即夹心型光敏薄膜湿度传感器的形成中，该传感器被固定在间分光光度计试管支架，这样通过感光膜的光路，进行了测定。其中该光纤可以是G652纤维的一个普通的传记，结晶紫光敏膜材料，可以使用具有强的选择性和灵敏度。当气体被暴露于不同湿度结晶紫膜，随着在薄膜结晶紫的水含量，干燥该磺酸基逐渐减弱的Nafion膜（结晶紫膜），失去结晶紫双质子质子质子成单或质子形式，颜色变为绿色，向光透射强度640纳米波长减弱。通过定量Lamber2Beer法表示为：A=铝H（3）其中A是吸光度，一个是吸收系数，L是有效光路长度，H是湿度。该公式表明，吸光度A湿度H是线性的。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理信号接收（a）传统传感器导线敏感元件以640nm波长光作为检测光,根据信号光强的改变,可很容易地测得相应的湿度。目前光敏薄膜式湿度传感器还只适用于实验室测量。二、光纤传感式湿度传感器光纤传感器的湿度传感器是基于光纤作为敏感材料[7]。该第1单模式光纤的中部拉锥形和锥形束腰直径，以保持从同一个一定的距离（类似“哑铃型”），在腰部使用ESA外部包层（静电Self2Assembly，静电自组装）材料，在图2中所示的锥形光纤;再涂上外包层复合湿度敏感的聚合物材料，具有厚度t的被覆层。测量原理光纤传感湿度传感器是：光输入时测量光纤，光纤包层进行UV固化，这不仅关系到温度相关损失，该光损失在锥形结构也与包层，涂布层的厚度，相关的湿度，通过检测的光输出功率可以得到对应于湿度。三、光纤光栅式湿度传感器相对湿度传感器光纤布拉格光栅的光纤传感器的湿度传感器，湿度传感器的光纤光栅结构更紧凑，并且可以通过测量湿度的波长相应的改变来获得，较高的测定精度[11214]。典型的光纤光栅结构如图湿度传感器6和只对温度敏感的FBG2由一系列的温度和湿度敏感光纤光栅的FBG1，FBG1涂层改性聚酰亚胺（PI）膜的湿度。变化的温度和湿度使得FBģ布拉格反射波长λB1和B2的λ漂移，改变Δλ1和Δλ2的量，从而计算出温度和湿度的变化值。根据耦合模理论图表6纤维光栅类型的湿度传感器，光纤光栅反射的波长λBi（=1,2）满足下式：（4）其中夫是在FBG的有效折射率，ΛI（I=1，2）为FBGI光栅周期。主要由FBģPI湿度解调系统的涂层厚度的限制，相对湿度和温度测量精度湿度传感光纤光栅准确性和均匀性分别为±5％RH和±0.2℃。由于双FBģ结构的结果，光纤光栅的湿度传感器需要双波长光源和分光计，因此系统的成本也相对较高。第三章光纤湿度传感器研究动态与展望在国外，日本的武藤等人[1]报道的荧光塑料光学传感器，它是基于染料分子和水分子的离子化反应的染料掺杂的膜表面包覆，因此，变得更加吸收膜的荧光，并导致光强的变化和荧光光谱。惠等[2]通过时域反射法（OTDR）光纤和水凝胶聚合物研究含水量和pH分布传感器的测量。布鲁克开发了一种新的光学传感器，利用信号处理方法，以延长传感器的线性工作范围。第一敏感材料（Nafion膜复合结晶紫）固定在玻璃基板上，接着是聚合物纤维作为波导将光从光源到传感器，然后从传感器到分光计铅。使用人工神经网络以分析光谱在通过从先前报道的40％至55％，以40％〜82％RH的湿度范围的光学传感器的线性响应范围产生不同的相对湿度。在中国，报告的氯化钴/glation和湿度测量的10％〜90％RH范围内的涂层，响应时间为2.5秒纤维湿度传感器[6]。庞飞拂等纤维渐逝波耦合的湿度传感器的研究，光纤FBT渐逝波耦合的溶胶-凝胶材料的组合，利用溶胶-凝胶材料的多孔结构，以实现吸附的水分子的改变溶胶-凝胶折射率的材料，从而改变光纤耦合器分光比，实现湿度传感器，湿度测量范围的目的，从25％至95％RH[7];黄学锋等开发了一种低成本的热塑性聚酰亚胺涂层的光纤光栅的相对湿度传感器，测量传感器的范围是11％〜98％RH下，灵敏度-0.000266V/％RH下，为约5秒的响应时间，光传感器2mm左右探头直径;目前，国际光纤湿度传感器的发展有两个方向：一种是湿度传感器的开发元件和工艺的发展，另一种是向高度集成化，智能网络化和小型化方向发展。这取决于新型敏感材料的研究开发，敏感元件在国内外一直被高度重视，许多发达国家投入了大量的人力，物力和财力来发展，如美国的“国家纳米技术”（国家纳米技术计划）和等等。湿度传感器不限而是采用系统集成技术向智能化，网络化方向发展，以一个简单的湿度传感器，许多公司产生新的湿度传感器，不仅采用了智能检测技术，也发挥了数字化，网络化功能，定义了通信协议，并已被广泛使用。组成多点多种传感器信号采集系统。这些新型现场总线所配备的相应总线模块具有极强的联网特性,在温湿度测控网络化方面得到了快速的发展。第五章总结光纤湿度传感器的光学传感器相对于常规湿度传感器具有许多优点，如传感器制造工艺更简单，而且体积更小，可以制作成为直径0.3毫米或更小的微型探针;防腐蚀，耐热性更好（可在200℃以上的环境中工作）;光纤湿度传感器的使用寿命长，稳定性好;不受电磁干扰和核辐射的影响，在恶劣的环境中仍能正常工作。湿度测量范围广（通常为10％〜90％RH）;响应速度快（典型值可小于15秒），湿滞后差小（典型地≤±1.5％）;高灵敏度（最高达0.03dB/％RH）中，温度系数小（通常0.25dB/℃）。使用改性聚酰亚胺薄膜或多孔硅薄膜的光纤光栅湿度传感器，测量范围宽，测量下限低（至多5％RH）下，比较容易进行温度补偿，寿命长，复用功能也很强，可以作为一个狭窄的空间多点长期监测湿度传感器。由此可见，借助光网络技术，容易实现高密度、大容量的智能化传感网络，完全符合“物联网”技术发展需求，作为传感层形成“光纤传感网”。据光通信市场和技术研究公司ＥｌｅｃｔｒｏｎｉＣａｓｔ预测［１］，从２０１１年到２０１７年，全球光纤传感器市场的消费规模以年均２０．５％的速度增长，２０１７年将达到３９亿８０００万美元。在亚太地区，中国是主要的光纤传感产品应用市场。截至２０１３年底，全国有近５０家光纤传感器生产制造及销售企业，每年生产和销售近百种不同类型的光纤传感器，全国光纤传感器市场的年销售额预计将达到2４３亿元人民币，预计未来几年将会保持２５％的复合增长率［２］，而光纤湿度传感器是光纤传感器中很重要的一个分支，在未来，必将占有不小的市场份额，值得中国企业争取。参考文献靳伟，阮双琛等.光纤传感技术新进展[M]，北京：科学出版社，20052周胜军等.一种用于病人监护仪的光纤湿度传感器的研制[J]，中国医疗器械杂志1998年第22卷第4期7庞拂飞等.光纤渐逝波耦合湿度传感器研究[J]，光通信技术?008年第3期8金兴良等.基于Nafion-结晶紫的光纤湿度传感器研究[J].光谱学与光谱分析，2005，25(8)张向东，李育林，彭文达等.光纤光栅型温湿度传感器的设