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光纤湿度传感器研究进展
曾传卿
(中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳919信箱405分箱 621900)
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。( 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,,响应时间<1min[3]。. 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,[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,