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光纤通信原理（论文）文献综述学院：电气工程学院题目：光纤湿度传感器学生姓名：罗东学生学号：20124400221专业班级：通信1202班指导教师：王新林教研室主任：邓贤君院长：王新林光纤湿度传感器文献综述学院：电气工程学院专业：通信工程名字：罗东学号：20124400221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。本文对光纤湿度传感器根据原理的不同进行了分类，并且举例说明了几类主要的光纤湿度传感器的特点，简述了光纤湿度传感器国内外的发展动态，最后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，即外界湿度变化引起传输光功率的变化，如基于锥形光纤、塑料包层石英光纤等湿度传感器；另一类是波长检测型，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、长周期光纤光栅、光纤Fabry-Perot腔等湿度传感器。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[2]。图2.1.1光纤传光式湿度传感器以曾传卿2010年发表的光纤湿度传感器研究进展为例，如图2.1.1，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(SingleModeFiber,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[3]。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。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[4]。图2.1.2光纤渐逝波耦合湿度传感器原理图30例如光纤渐逝波耦合湿度传感器是典型的光纤传感式湿度传感器。光纤渐逝波耦合器是由熔融拉锥技术制备的,它利用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。然后进行增敏处理，比如在耦合区涂敷湿度敏感材料。上海大学的庞拂飞,徐平等人在2008年提出了一种新的浸渍提拉技术[5]。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,从而导致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，最终构成了一种光纤湿度传感器。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(FiberBraggGrating,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2.2.1所示。图2.2.1光纤布拉格光栅湿度传感器以艾延宝2009年发布在Senorworld的资料为例[6]。为了增加FBG1的湿度敏感特性，在光纤布拉格光栅的的表面图了一层聚酰亚胺(PI)，当湿度变化时，由于涂层的膨胀，导致光纤布拉格光栅发生应变，以至于拉长光纤布拉格光栅，使得布拉格波长发生了变化，从而对湿度传感。，艾延宝通过实验证明增大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基于长周期光纤光栅(LongPeriodFiberGrating,LPFG)的湿度传感器是通过在在光纤包层外涂敏感薄膜,外界湿度变化引起PVA薄膜折射率的变化,从而引起长周期光纤光栅谐振波长的改变,通过测量光纤湿度传感器长周期光纤光栅透射光谱就能得到周围环境的相对湿度变化的光纤湿度传感器[7]。如图2.2.2所示。图2.2.1长周期光纤光栅湿度传感器以唐学敏，徐茜茜，王宁，金永兴等人2014年发表的基于Mach―Zehnder干涉的湿度光纤传感器的研究为例[8]。其设计的长周期光纤光栅湿度传感器传感结构是在两段标准单模之间连接一段长周期光栅，并在长周期光栅部分涂上一层5%的聚乙烯醇(PVA)。当长周期光纤光栅周围环境湿度发生变化时，相应谐振峰中心波长也会发生移动，这样就可以通过测量长周期光纤光栅透射光谱来测量包层周围环境的湿度变化。长周期光纤湿度传感器在长周期光栅表层涂覆了一层PVA，随着周围环境湿度的增大，PVA的折射率减小，且变化是线性的。当外界空气中的湿度降低时，PVA薄膜吸水后折射率增大，使得光栅谐振峰向短波方向漂移，最终显示为波长的变化。3.光纤湿度传感器的研究现状随着光纤刻栅、光纤拉锥、光纤涂覆和湿敏材料的不断发展与进步，通过设计特殊结构的光纤湿度传感器，可大幅度提高其湿度传感特性。因此，光纤湿度传感器引起了越来越多的国内外学者的关注。3.1国外光纤湿度传感器研究现状[9]~[14]2006年，MariaKonstantaki等提出一种基于聚环氧乙烷和钴氯化湿敏材料的高灵敏度长周期光纤光栅的湿度传感器。实验结果表明：其测量范围为50～95%RH，分辨率为0.2%RH。2011年，R.Aneesh等提出在纤芯裸露的光纤上涂覆氧化锌纳米颗粒掺杂溶胶-凝胶的湿敏薄膜，通过优化薄膜的厚度提高了线性响应时间和动态范围。实验结果表明：其湿度测量范围为4～96%RH，灵敏度为0.0012dBm/RH。2012年，R.Aneesh和SunilK.Khijwania提出了一种基于TiO2湿敏薄膜的光纤倏逝波耦合湿度传感器。实验结果表明：该传感器的湿度测量范围为24～95%RH，灵敏度为27.1mV/%RH。3.2国内光纤湿度传感器研究现状[9]~[14]2009年，宋韵等利用CO2激光器在SMF上制作了非对称折变型超长周期光纤光栅,通过在栅区表面涂覆一层新型纳米复合水凝胶制备出高灵敏度的湿度传感器。通过实验得出：该传感器的光栅谐振峰最大漂移量为30nm，湿度测量范围为38～96%RH。2012年，禅之秋等提出了在塌陷的光子晶体光纤两端涂覆PVA湿敏材料的光纤湿度传感器。根据迈克尔逊干涉仪的相关原理，通过7天的温湿度交叉实验，实验测量其灵敏度为0.6nm%RH。2013年，李霞等提出一种以涂覆羟乙基纤维素和聚偏氟乙烯混合物为湿敏材料的纤芯裸露型光纤湿度传感器。通过实验得出：其湿度灵敏度为0.196dB％RH，并且有着良好的可逆性和重复性。4.存在问题及解决思路4.1光纤湿度传感器目前存在的问题(1)适用范围有限。目前报道的光纤传感器一般只能在一定湿度范围内正常工作。(2)精度不够。光纤传感器在测量精度上与电子式湿度传感器还有一定差距。(3)受温度影响。部分敏感材料的感湿机理决定了传感器测量结果会受到温度的影响。（4）敏感涂敷层还存在较大的优化空间,可对涂敷层材料制作萃取工艺进行优化,包括催化剂比例、反应温度、退火工艺等,也可对敏感材料添加在光纤数度传感器的含量，方式进行优化实验。4.2改进光纤湿度传感器的方案(1)深入了解湿度传感器不稳定的原因,了解吸附感湿机理,并找到它与响应特性、稳定性、湿滞、温度系数等重要性能指标之间的关系,从而进行材料的分子设计。(2)利用IPN、交联、溶胶—凝胶、老化等技术及研制新的适宜的湿敏材料,以解决湿滞、稳定性、灵敏度等问题,力求在全湿度范围内迅速获得良好响应,且使其具有选择性,提高长期稳定性。(3)将光学与光电子薄膜技术运用到传感器的结构改良上,提高灵敏度。5.光纤湿度传感器发展趋势总而言之，光纤湿度传感器短期内并不能取代电子式湿度传感器的市场地位。但因其具有的抗电磁辐射等优点,可针对特定的环境定制特殊的光纤传感器,以回避适用范围等局限;对于直接光谱光纤湿度传感器,因其便于检测、成本较低,在小型环境观测站、食品加工厂和电力系统等场所中可以逐渐走向实际应用。近年来,光纤湿度传感器的技术和应用都得到了迅速发展,其中围绕湿度敏感材料开发的直接光谱型光纤湿度传感器扮演了重要角色,在气象、食品加工、医学、电力等领域都有着广阔的应用前景。从它的特点来看,更适合针对特定环境特殊定制。另外,测量精度的提高会对其实际应用起到很大的促进作用。参考文献[1]喻晓莉,杨健,倪彦,湿度传感器的选用及发展趋势[J].自动化技术与应用,2009，(2)：107-110.[2]曾传卿,光纤光栅湿度传感器初探[J].四川省电子学会传感技术第11届学术年会论文集,2009.[3]曾传卿.光纤湿度传感器研究进展[J].计测技术,2010,1.[4]李涛.光纤光栅湿度传感器的研究.硕士学位论文.华南理工大学2012.[5]庞拂飞,徐平.光纤渐逝波耦合湿度传感器研究[J].光通信技术,2008（03）.[6]艾延宝.基于光纤布拉格光栅湿度传感器的研究[J].sensorworld,2009(03).[7]姜萌.基于长周期光纤光栅的传感器与解调复用技术研究.硕士学位论文,浙江大学.2010.[8]唐学敏安佳丽金永兴.基于Mach―Zehnder干涉的湿度光纤传感器的研究[J].激光与光电子学进展.2014，51(6).[9]廖招龙.基于光纤Fabry-Perot腔的湿度传感器研究[J].激光与光电子学进展[硕士学位论文,武汉理工大学.2009(5).[10]韩丹翱,王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程,2013,21(13):83-85.[11]李雅娟,党亚固,费德君,赵立峰.光强调制型光纤湿度传感器评述[J].传感器与微系统,2012,07.[12]姚岚,余海湖.一种新型光纤湿度敏感元件[J].传感器技术,2001,20(2):9-11.[13]张向东,李育林,彭文达,等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J].光子学报,2013,32(10):1166-1169.[14]蔡汉莉,胡文彬,张艳晓,等.光纤光栅锈蚀传感器在不同湿度下的特性研究[J].光子学报,2013,40(5):690-693.