布拉格光栅湿度传感器的应用
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布拉格光栅湿度传感器的应用
光纤布拉格光栅湿度传感器研究
丁宏伟,金永君
黑龙江科技学院数力系.哈尔滨150027
摘要基于光纤布拉格光栅(FBG)的应力传感特性。提出了一种湿度传感方法。给出了湿度传感器的设计和实验测量系统。理论推导显示。涂有湿敏材料的FBG对湿度的传感可转化为对应变的快速响应,结合温度的有效补偿。可以共同反映在FBG中心反射波长的漂移上。研究结果表明。FBG湿度传感器能在较大温度范围内保持线性特性。并具有稳定性持久、响应速度快等优点。关t词
光纤布拉格光栅;湿度传感;湿敏材料
中圈分类号TN218
文献标识码A
文章■号1000—7857(2008)22-0054-04
Study
on
FBGHumiditySensor
象、微震动、声音、磁场、电压、电流等非光学量的光学测量。
随着工农业的发展和科学技术的进步。湿度测量显得越
DINGHongwei,JIN
Yongjun
来越重要。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。在现有的温
DepartmentofMathematicsand
Mechanics,Heilon哥iang
度一湿度传感器中,湿度参量的高精度测量比温度参鼍要困Institute
ofScience
andTechnology,Harbin150027,China
难得多。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
AttraCt
了主导地位,但存在着长期稳定性较低、互换性差等不足;而毛
This
paperproposesa
new
humidity
sensingmethod,发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于测量精度、响应速度、togetherwiththe
design
ofhumidity
sensor
and
themeasuring
信号处理和控制等因素的制约,应用范围非常有限嗍。
system
based
on
FiberBraggGrating(FBG)strain
sensing.A考虑到FBG特有的稳定性好、抗电磁干扰能力强等优
theoreticalanalysisshows
that
the
FBG
coveredby
humidity—
sensitivematerialscan
respondquickly
to
thevariationof点,本研究小组提出一种以FBG为基础、以改性的聚酰亚胺
humiditythrough
that
of
strainwith
effective
compensation
of
the
(PI)为湿敏材料的FBG湿度传感器。它兼有传统湿度传感器的优点,并可克服其不足。
temperature,bothreflectedintheBraggcenter
reflectionwavelengthchange.The
experimental
resultsshow
that
FBG
humidity
sensor
can
keeplinear
characteristicswithin
a
widetemperaturerange
with
1
FBG的基本传感原理
long—term
stabilityanditsfastresponsespeed
can
notbereached
光纤光栅主要是指在光纤中建立一种周期性的折射率
bytraditional
humidity
sensor8.
分布。它只对特定波长的光具有反射作用。当大带宽的光通K∞啊O心fiber
Bragg
grating;humiditysensing;humidity—
过FBG时,只有以Bragg波长为中心波长的窄带的光被反射sensitivematerial
(图1)。根据耦合模理论,FBG的光栅方程为llOl
As=2n,掣'I
(1)
其中,A。为FBG的反射波中心波长(Bragg波长);%为光纤
自l(.0.Hill等f1]1978年首次成功地在掺锗光纤中写入光光栅的有效折射率;以为光纤光栅的周期(图1)。应力、温度栅以来。经过20多年的发展,光纤光栅的写入方法不断完善,等的任何扰动都可能引起nd和以的变化,从而使光栅的中光栅的光敏性不断提高。光纤光栅以造价低、稳定性好、体积
心反射波长发生漂移,这是构成传感的基础。
小、抗电磁干扰等优势,被广泛应用于通信、传感等领域阳。特
当FBG发生微小应变时。Bragg波长会发生漂移。这可由别是,光纤Bragg光栅(FBG)是性能优良的敏感元件,其中心对式(1)求全微分得到
反射波长随着温度、应力等物理量的变化而变化。通过设计dAs=2dn∥!+2n枞
(2)
敏感结构进行非光学物理鼍的转换。可以实现压力、温度、气
两端除以式(1),可得
收稿日期:2008-08—29
基金项目:黑龙江省教育厅2008年度科学技术研究项目(11531331)
作者简介:丁宏伟。哈尔滨市松浦区糖厂街l号黑龙江科技学院数力系。讲师。E-mail:hongweiding@163.com
54科技导报2008。26(22)
万方数据
布拉格光栅湿度传感器的应用
纤的黏接系数。如图2所不,将yf=诉,I,庐佩带入式(8),整
n
信号进
理得
肥乃铂【l一丽‰:c0】
占M=编∥lAY
(9)
图1Fig.1
代入式(7),可得光纤应变为
光纤Bragg光栅传感原理和结构SensingprincipleandstructureofFBG
警=鲁+訾妇。A
AB
㈥…
占确【l-面丽E,蕊d丽。coj△l,
令Cl=l一面鬲≤磊矗i丽。co,则上式可简写为
(10)
则由应变引起的周期的变化为
(11)
竿甜
』1
(4)
至此可以看出。只要能够测出图2中光纤光栅的Bragg反射波长的漂移量,把式(6)和(11)结合起来就可确定湿度的影响。但FBG除对应力敏感外,对温度同样敏感,有必要对湿度测量进行温度补偿。
其中8为轴向应变。当光纤光栅受到应变作用时.由弹光效应引起的有效折射率变化为
堂正=一跆
nd
(5)
其中,Pe-阜[P12-"地(PI。+P12)】为有效弹光系数,Plt、P12为弹光系
数,脚为光纤材料的?自松比。把式(4)、(5)代入式(3),可得光纤光栅在受到应变作用时的波长漂移量为
3温度朴偿
进行温度补偿时,需考虑温度对FBG本身的影响、温度对湿敏材料的影响。
3.1
温度对FBG和湿敏材料的影响
当温度发生变化时。由于热膨胀引起FBG的周期变化为
霉生:(1一Pe)s
、
、-_q
(6)
、一,
竽剐F.△r
』1
(12)
2湿度传感
光纤光栅对湿度变化敏感性很差,导致波长漂移很小。为了有效地对湿度传感。需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料(例如碳纤维复合材料或聚酰亚胺),其结构如图2所示。当湿度变化时,由于光纤表面涂层湿敏材料的膨胀.引起光纤光栅的应变响应。这样可把对湿度传感的问题转化为光纤光栅对应变的响应问题。
其中Ot,为热膨胀系数。
当温度变化时,由于热光效应引起的光栅有效折射率的变化为
虬毒 △,
ll矗
(13)
把式(12)和(13)代入式(3),可得因温度变化引起的Bragg波长漂移量为
咎:陋村F).△r
几B
(14)
由于温度的变化还会引起湿敏材料的热膨胀,其热膨胀对光纤光栅应变的影响可表示为
研=(a『aF) △r
(15)
其中,研为湿敏材料热膨胀所引起的应变,n。为湿敏材料的
图2湿敏材料涂层结构
Fig.2
Structureofmoisturesensitivecoatingmaterial
热膨胀系数,O/,为光纤的热膨胀系数。
考虑到温度的影响,实际FBG的Bragg反射波长漂移昔可联合式(6)、(11)、(14)和(15)给出,
湿敏材料吸湿将发生湿膨胀,这里把因吸湿膨胀引起的光纤光栅的应变称为湿应变.可表示为fll】
fAY
』譬:(1—固c舭y+【(1—瑚@『aF)+a蚓△r
^B
(16)
令温敏系数KT=(1—尸e)(a^广aF)+a尚,湿敏系数KM=(1-P。)Cl阮,
(7)
则可将上式简写为
s庐f.觑l,,7)dY
y为湿度。
由弹性理论可以推出湿膨胀系数为【词
式中,JB为湿敏材料和光纤所组成的复合材料的湿膨胀系数,
学:Kt“AY+KTAT
^B
(17)
3(r,乃铂(1一器)(8)
3.2湿度传感的设计
由式(17)町以看出,温度和湿度作用于FBG引起的波长漂移昔是线性卺加的,为了得到湿度的精确传感,就须知道FBG对温度的响应。为此设计在同一光纤上写入两段光栅并涂上湿敏涂层。
式中,风、‰、玩分别为湿敏材料的湿膨胀系数、体积、弹性模
量;VF、EF为光纤光栅的体积、弹性模量;Co为湿敏材料与光
万方数据
科技导报2008。26(22)55
布拉格光栅湿度传感器的应用
如图3所示,其中FBG,可同时响应温度和湿度;FBG2外表面附着一层温敏材料(如铝),隔离湿敏涂层免受湿度的影响而对温度作出响应。
光纤的热线膨胀系数为5.8x10-7oc,热光系数为7.25x10。6℃。泊松系数为0.29.杨氏模量为7.4x1010Pa。湿敏材料与FBC的界面黏接系数根据经验取为0.9,FBG的弹光系数为0.22。根据以上数据可确定湿度灵敏系数为
为1-9.02x10-6
K
Kr2=6.35x10。6KKMl-2.80x10-e%
s,
实验发现,FBG湿度传感器的动态响应时间低于10
湿滞回差小于±2%。而且在较大的温度范围内保持线性(图5)。利用实验结果,确定计算灵敏系数为
图3感温/湿光纤光栅结构示意
Fig.3
StructureoftheFBGtemperatureandmoisture
K11=9.08x10。6K
Kv,=6.30x10。6K
KMl_2.85xlO-硒k
与实验前的估计结果有微小差异。
两个光纤光栅的波长漂移量可根据式(17)计算得到。
会k:KnAT+KMlAY
ABt
(18)(19)
全生=K=AT
Au2
由此可知.通过分别测量FBG的波长漂移量,可求得温度变化量△r、湿度变化量△l,。
4湿度传感测量系统和测量结果分析
4.1
FBG湿度测量系统
对于FBG波长漂移的测量,采用密集波分复用器
Fig.5
图5湿度的理论计算结果
Theoreticcalculationresults
ofmoisture
(DWDM)的滤波曲线进行测量。DWDM的测量波长漂移具有多通道、动态测量的优点。FBG湿度测量设置如图4所示。宽谱光源(ASE)发出的光经过耦合器、分路器(splitter)分为多路,分别连到FBG上。而每个FBG的中心反射波长都不同,从多路FBG反射回来的光经过分路器成为一路,再经过环形器到达DWDM.DWDM的每一个通道对反射光进行滤波。滤波后的信号包含了FBG的反射中心波长信号,每一路的波长信号通过光电信号并放大进行检测,把测得的FBG波长变化输入计算机进行数据处理。显然,只要测得FBG,光纤光栅的波长漂移量便能通过式(18)、(19)求H{湿度。
r
另外,从图6可看出,FBG湿度传感器能保持长时间的稳定性。明显优于电量湿度传感器。可见FBG在涂覆湿敏材料和用温敏材料进行封装之后其响应范围更宽,灵敏度更高。更能保持长期的稳定性。
基芒飞
图6湿度测量的长期稳定性
Fig.6
固4
Fig.4
Long-termstabilityofrelativehumidity
measurment
FBG光纤光栅测量湿度实验设置
ConstructionofmoisturemeasurementwithFBG
5结论
通过理论推导给出了湿度传感的基本原理,得出了温度补偿下的湿度测量公式:通过对光纤写入不同反射波长的光栅,其中一个对于湿度和温度都有响应,另一个在封闭的情况下只对温度响应.从而给出了一个实际中可行的FBG湿度传感的新颖设计。实验结果显示,FBG湿度传感优于传统湿度传感。
另外,FBG湿度传感器受到很多工艺和技术问题的影
4.2主要技术参数及测量结果
实验中。所用PI湿敏薄膜由PI一2270聚酰哑胺在高温下脱水环化制成,其湿线膨胀系数为7.2x10-5%.热线膨胀系数为4.5xlo-5oC,泊松系数为0.4。经测定,本次试验用的PI湿敏薄膜厚度为8.2¨m,杨氏模量为2.7×109Pa。在掺锗石英光纤中写入两段不同的光栅,其中FBG。的中心反射波长为
l315.15
Hill,FBG2的中心反射波长为l
305.02
nm。掺锗石英
56科技导报2008,26(22)
万方数据
布拉格光栅湿度传感器的应用
响.如湿敏材料涂层厚度、光纤包层半径、环境因素等对温度和湿度的传感都有影响,还有待进一步的研究和突破。
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水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放课题开始申请
与信息安全会议"征文
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万方数据
科技导报2008。26(22)57
布拉格光栅湿度传感器的应用
光纤布拉格光栅湿度传感器研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):引用次数:
丁宏伟, 金永君, DING Hongwei, JIN Yongjun黑龙江科技学院数力系,哈尔滨,150027科技导报
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布拉格光栅湿度传感器的应用
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本文链接:http://www.77cn.com.cn/Periodical_kjdb200822013.aspx
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