布拉格光栅湿度传感器的应用

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

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ＦＢＧ

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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。

ｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｌＩ

ａ

ｓｐａｔｉａｌ／ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－ｄｉｖｉｓｉｏｎ

ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｆｉｂｅｒ

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ｗｉｔｌｌ

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Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ６４７－６４９．

ｔｏ

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ｐｉｅｚｏｓｉｓｔｉｖｅ

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Ｂｒａｇｇ

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ａ

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ｅｔ

【６】ＲａｏＹＪ＇Ｊａｃｋｓｏｎ

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ｓｅｎｓｉｎｇ

ｏｆｍｏｄｅｍｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

（责任缟辑陈广仁）

－－－４－－＋－＋ ＋－－４－ ＋－ ｝－＋－－ 卜

、＋：ｊ。“２００９年中国密码学

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

由中国密码学会主办的“２００９年中国密码学与信息安全会议”将于２００９年１０月１７—１８在北京召开。会议正在征稿，内容主要包括：

现代密码学理论、技术与应用；网络安全；融合网络安全；网络攻防；访问控制；认证与授权；入侵检测；网络安全监控；生物安全；操作系统安全；信息系统安全；软件安全；计算机病毒与蠕虫对抗；数据库安全；电子商务安全；网格安全；数字内容安全；信息隐藏与数字水印；数字版权管理；密钥管理与密钥恢复；风险评估与安全认证；安全模型；安全协议；可信计算；可信软件；信息对抗；信息安全管理；容灾备份；网络编码；密码学专业教育教学理论与实践：信息安全类专业教育教学理论与实践。

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

SCIENCE & TECHNOLOGY REVIEW2008，26(22)0次

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1.期刊论文 艾延宝.AI Yan-bao 基于光纤布拉格光栅湿度传感器的研究 -传感器世界2009,15(3)

文章基于光纤布拉格光栅对温度、湿度等敏感的基础上,分析了以聚酰亚胺(PI)薄膜为湿敏涂层,当湿度变化时,由于涂层的膨胀,导致光纤布拉格光栅产生应变,从而对湿度传感.理论分析与实验证明,光纤布拉格光栅湿度传感器是一种性能良好的湿度传感器.

2.期刊论文 常新龙.李明.李进军.何相勇.CHANG Xinlong.LI Ming.LI Jinjun.HE Xiangyong 湿度和温度对聚合物光纤光栅反射波长漂移量的影响 -传感技术学报2009,22(6)

针对固体火箭发动机纤维缠绕壳体状态监测中局部可能出现大应变情况,采用聚合物光纤布拉格光栅(polymer op-tical fiber Bragg

grating,POFt3G)传感器对大应变进行检测;分析了湿度和温度对光纤光栅反射波长漂移量的影响,建立了湿度传感模型、温度传感模型和温度湿度混合模型.并通过MATLAB进行数值仿真,结果表明,反射波长随温度的升高而减小,随湿度的增加而增大,并受到温度和湿度的交叉影响,这与文献报道的实验结果比较吻合.

3.学位论文 金永君 基于光纤布拉格光栅的湿度传感器研究 2008

光纤布拉格光栅传感器是近年来在传感技术领域发展的前沿课题。此种传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，更具有独特的优点：采用波长这一绝对参量对外界参量进行编码，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗等因素的影响；尺寸小巧，易于埋入材料内部和复杂设备内部，可获得对其内部温度和应变等信息；可采用波分复用技术将多个传感器串接在一根光纤里，实现准分布式测量，易于组网。 空气湿度与人类关系密切。随着工农业，国防、科技及整个国民经济的迅猛发展，对环境湿度的控制和检测越来越受到人们的重视，市场也越来越大。在石油化工、电力、纺织等领域中，往往涉及易燃、易爆场合的温/湿度测量问题，对传感器的阻燃、防爆性能提出特殊要求，光纤光栅传感由于具有本质安全防爆特性，抗电磁干扰能力强，在上述场合能够发挥其优势，具有广阔的应用前景。 本文研制了一种新型的光纤布拉格光栅湿度传感器。其设计思想是，在光纤布拉格

布拉格光栅湿度传感器的应用

光栅上涂上一层聚酰亚胺(PI)，聚酰亚胺(PI)为湿敏材料，它吸收空气中的水蒸气会发生膨胀，引起光纤布拉格光栅的轴向应力变化，光栅的反射峰位置发生波长漂移，通过确定反射峰波长位置可获得空气中的湿度信息，从而对湿度传感。理论分析表明，布拉格波长的漂移量与湿度呈明显的线性关系；光纤布拉格光栅纤芯横截面半径、湿敏材料涂层厚度与传感器灵敏度之间的关系是：纤芯横截面半径越小，传感器灵敏度越高；湿敏材料涂层越厚，光纤光栅的湿度灵敏度越高。 实验中所用光纤直径相同，均为125μm，采用两种不同厚度的聚酰亚胺薄膜涂覆光纤布拉格光栅，测出两种膜厚下相对湿度与布拉格波长移动的关系，分析计算出两种不同情况下的聚酰亚胺涂层厚度与光纤布拉格光栅湿度传感器的灵敏度的关系。结果表明：具有较厚涂层的光纤布拉格光栅具有较高的湿度灵敏度。

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