文献综述
学 院： 电气工程学院
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： 郭德纲打油诗讽刺过世之人 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 区域收入差距学号：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活动顶尖
, 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]。云南猪人
图2.1.1 光纤传光式湿度传感器
以30
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，薄膜颜逐渐变为绿，对 640nm波长光的透射强度减弱，选用单模光纤 (Single Mode Fiber, 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、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
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
基于自由摆的平板控制系统光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, 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Senor world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(Long Period Fiber Grating, 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%天语w680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。
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