基于明膠的光纖濕度傳感系統(tǒng)

(上海復旦智能監(jiān)控成套設備有限公司, 上海 201906)

引 言

濕度檢測技術在食品加工、儀器制造、建筑以及結構健康監(jiān)測(SHM)等領域,發(fā)揮著極其重要的作用[1-4]。傳統(tǒng)的濕度檢測方法以化學方法和電子傳感器檢測法為主?；瘜W方法對環(huán)境有不同程度的污染,而電子傳感器檢測法的抗電磁干擾能力差,使用環(huán)境受限?；诿髂z的光纖濕度傳感器具有尋常光纖傳感器的一些優(yōu)點,更重要的是,它的主要原材料明膠是一種來源廣泛,造價低廉,無污染的材料,解決了一些傳統(tǒng)方法所存在的問題[5]。國內外多位科學家利用膠體化合物[6]或聚合物薄膜[7-8]成功研制了光纖濕度傳感器,取得了不錯的效果。本文提出了利用明膠薄膜作為濕敏器件,結合光纖傳感技術搭建了濕度傳感器,通過光強分析,得到了傳感器的線性區(qū)間。該傳感器造價低廉,對環(huán)境污染小,抗電磁干擾能力強。

1 系統(tǒng)原理

光纖作為目前熱門的傳感元件,和傳統(tǒng)傳感器相比具有一系列的優(yōu)點。它可以在極其惡劣條件下使用,具有高靈敏度及低損耗的優(yōu)點,用途十分廣泛。明膠由于其特性可作為吸水介質[9],在外界濕度較小的情況下,膨脹水在滲透壓的作用下,會從明膠中揮發(fā)出去;在外界濕度較大的情況下,外界游離的水分子會動態(tài)地進入明膠中,被明膠吸收。通過制造明膠薄膜,搭建光路,薄膜隨吸水量而改變厚度,影響光強的變化,從而達到傳感效果。光纖準直器是一種光無源器件,在光通信系統(tǒng)中被普遍的使用。通常情況下,光纖準直器由兩部分組成,一部分是前端的準直系統(tǒng),另一部分是后端的光纖連接端口,主要作用是夾持光纖,同時配合外部套筒將光纖與準直系統(tǒng)連接起來。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic

光纖中的激光由準直器A射向明膠薄膜,通過明膠薄膜的激光進入準直器B,探測器檢測光強的變化量。當明膠吸收水分時,薄膜厚度發(fā)生變化,影響光強,通過數(shù)據(jù)分析及公式換算,標定濕度值。

2 測試方法

干涉法測濕度的原理是利用sagnac光路,當濕度發(fā)生變化后,通過光的相位發(fā)生變化,去返的兩束光發(fā)生干涉,通過分析干涉條紋,進而分析出濕度的變化。

在實際測量中,sagnac光路對于濕度變化下的光纖濕度系統(tǒng)并沒有產生可以觀察到的現(xiàn)象。對sagnac光路進行公式推導,干涉信號的相位差可以表示為

(1)

(2)

式中I1和I2分別為纖芯和包層中傳播光的光強。由式(2)可知,最小光強所在的波長為

(3)

聯(lián)立式(1),(3)可以得到

(4)

由式(4)可知,干涉條紋的疏密程度與干涉臂的長度及纖芯基模和包層模之間的有效折射率差成反比。濕度實驗過程中,薄膜因吸收水分導致其折射率發(fā)生改變,相當于單模光纖周圍的環(huán)境折射率增加,那么包層模的有效折射率就會增加,而同時由于纖芯基模的模場半徑相對較小,基本上不會受到外界環(huán)境折射率變化的影響,其有效折射率保持不變。所以光強I與濕度成正比關系。

3 明膠薄膜的制作

明膠顆粒是淡黃色不透明的固體小顆粒,無法用作通光材料,因此,必須將明膠制成薄膜才可以用來測試通光強度。稱取2 g的明膠固體顆粒,量取10 mL的蒸餾水,為增加明膠膜的吸水能力[10]加入5%的甘油,采用水浴加熱,控制溫度在50～70 ℃之間加熱0.5 h,明膠溶液制備完成。利用模具法制膜,揭下風干后,明膠膜表面不平整,無法用于實驗?？紤]到薄膜的平整度,將明膠溶液涂抹在載玻片上風干后,即制成了一塊含有明膠薄膜的載玻片,便于光路搭建。明膠薄膜的實物圖見圖2,圖2(a)為模具法制膜效果,圖2(b)為載玻片成膜效果。

圖2 明膠薄膜Fig.2 Gelatin film

4 濕度測試實驗

將附有明膠膜的載玻片置于兩個準直器之間,通過調節(jié)五維光學支架使兩個光纖準直器同軸,將光纖準直器A的入射端接光源,光纖準直器B的接收端接光電探測器,調整兩個準直器的端口至光電探測器上有合適的光功率值。將整個探測平臺置于半密封的透明箱體內,使用加濕器為箱體內部加濕,來模擬空氣中濕度的變化。通過記錄密閉箱體中濕度的變化,以及光電探測器上濕度的變化,考察兩者的相關性。本實驗記錄了增加和降低濕度過程中光強的變化。由于加濕器加濕過程中存在水霧,對實驗數(shù)據(jù)有所影響,故選擇關閉加濕器后的降濕數(shù)據(jù)擬合公式較為準確。本實驗中使用的光源波長為1 550 nm。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得擬合曲線y=-0.125 4x-53.491,R2=0.995 4,其中y為光強,x為濕度,R2為曲線決定系數(shù)。實驗數(shù)據(jù)見圖3所示。

圖3 實驗數(shù)據(jù)Fig.3 Experimental data

實驗記錄了濕度從10%RH到97%RH的光電探測器讀數(shù),讀數(shù)與光功率的關系為

YdBm=10lg(P/1 mW)

(5)

觀察實驗獲得的擬合線性圖可知,增加與降低濕度時光電探測器與濕度計之間的線性關系還是比較明顯的,最大誤差為0.683%,完全滿足精度要求。所以該方法是可以有效的測量濕度的。

5 結 論

隨著高端制造業(yè)的發(fā)展,濕度越來越被人們所重視。本文的研究將明膠用于光纖濕度傳感器,與傳統(tǒng)的濕度傳感器相比具有精確度高、抗電磁干擾能力強、響應速度快等優(yōu)點,與光纖濕度傳感器相比具有成本低廉、原料來源廣泛、制備工藝簡單等優(yōu)點,可以應用于核工業(yè)、精密實驗室、國防部門等領域,具有廣泛的應用前景。

參考文獻:

[1] 李云魁.食品防潮抗氧化包裝設計及軟件開發(fā)[D].無錫:江南大學,2012.

[2] 袁金正.基于ZigBee和嵌入式Linux的精密儀器實驗室溫濕度測控系統(tǒng)設計[D].銀川:北方民族大學,2013.

[3] 熊殿華.基于FPGA的智能建筑濕度檢測控制系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2017,25(3):105-108.

[4] ENJIN A,ZAHARIEVA E E,FRANK D D,et al.Humidity sensing in Drosophila[J].Current Biology,2016,26(10):1352-1358.

[5] CORREIA S F H,ANTUNES P,PECORARO E,et al.Optical fiber relative humidity sensor based on a FBG with a di-ureasil coating[J].Sensors(Basel),2012,12(7):8847-8860.

[6] KONSTANTAKI M,PISSADAKIS S,PISPAS S,et al.Optical fiber long-period grating humidity sensor with poly(ethylene oxide)/cobalt chloride coating[J].Applied Optics,2006,45(19):4567-4571.

[7] XU L,FANGUY J C,SONI K,et al.Optical fiber humidity sensor based on evanescent-wave scattering[J].Optics Letters,2004,29(11):1191-1193.

[8] 張向東,李育林,彭文達,等.光纖光柵型溫濕度傳感器的設計與實現(xiàn)[J].光子學報,2003,32(10):1166-1169.

[9] BIGI A,PANZAVOLTA S,RUBINI K.Relationship between triple-helix content and mechanical properties of gelatin films[J].Biomaterials,2004,25(25):5675-5680.

[10] 劉小杰,齊魯,白立峰.改性明膠膜的制備及其力學性能探討[J].天津工業(yè)大學學報,2006,25(2):19-21.