用于同時測量濕度和溫度的多路光纖光柵傳感器

曹庭水，江 超，黃會玲，孫四梅，郭小珊

(湖北師范大學物理與電子科學學院，湖北黃石 435002)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)上雙參數(shù)傳感，尤其是濕度和溫度，是很多情況下的特殊要求。電子傳感器雖然也能夠被用于執(zhí)行濕度和溫度監(jiān)測，但它在復用、分辨率和電磁干擾方面存在缺點。光纖傳感器具有體積小、制作方便、可遠距離傳感、抗電磁干擾、能夠復用等優(yōu)點而成為雙參數(shù)傳感的可行解決方案，受到廣泛關注[1-2]。在線光纖溫度與濕度同時測量傳感器有許多種類型，例如，不同光纖干涉儀混合型[3-6]、光纖光柵與光纖干涉儀級聯(lián)型[7-9]、不同類型的光纖光柵級聯(lián)型[10-12]等。在這些結構同時測量中，由于光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)具有穩(wěn)定性好、價格低等優(yōu)點，多數(shù)時候選用FBG來測量溫度，但FBG存在靈敏度較低的缺點。為了提高FBG的靈敏度，通常采用在FBG表面涂覆敏感材料的方法。研究發(fā)現(xiàn)在FBG表面涂覆熱敏材料能夠提高其溫度靈敏度到一定值，但提高的幅度還是受到FBG結構的限制[13-15]。研究還發(fā)現(xiàn)在FBG表面涂覆熱敏材料也能夠實現(xiàn)對環(huán)境濕度的測量[16-18]。文中第1次對2個級聯(lián)的FBG分別采用熱敏材料與濕敏材料進行涂覆的方法實現(xiàn)溫度與濕度同時測量。其中，熱敏材料選用二甲基硅油(dimethyl silicone oil，DSO)，它具有透明度高、導熱性和化學穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，可在-50～200 ℃下長期使用，可以直接用作熱載體[19]。利用DSO與光纖干涉儀相結合已經(jīng)制作出了一些高靈敏度的溫度傳感器[19-21]。濕敏材料選用聚酰亞胺(polyimide，PI)，是一種吸水性很強的濕敏材料，也已經(jīng)被廣泛應用于濕度傳感器中[2,18]。

1 傳感器結構與工作原理

圖1為2個FBG(FBG1和FBG2)級聯(lián)的結構示意圖與光路圖。傳感器用到的單模光纖(single-mode fiber，SMF)的纖芯和包層直徑分別為9 μm和125 μm。傳感器使用的DSO是一種透明狀液體，型號為H201-50，粘度為50 mm2/s，折射率RI ≈1.400。傳感器使用的PI溶液是一種膠狀液體。傳感器所用的2個FBG為裸光柵沒有進行涂覆保護。其中FBG1的布拉格中心波長為1 539.919 nm，帶寬0.217 nm，邊模抑制比15 dB，反射率92.92%，柵區(qū)長度10 mm；FBG2的布拉格中心波長為1 549.808 nm，帶寬0.316 nm，邊模抑制比11 dB，反射率49.88%，柵區(qū)長度3 mm。

圖1 傳感器的結構示意圖與光路圖

傳感器的制備過程簡單描述如下：

(1)制備涂覆有PI的FBG1。將裸光柵FBG1浸入硅烷偶聯(lián)劑(粘接劑)中5 min，放入80 ℃干燥箱中30 min，以增強光纖-聚合物界面的附著力，確保聚合物膨脹而產(chǎn)生的應變能夠有效傳遞到光纖中。等待粘接劑干燥后，將FBG1浸入PI溶液中，并通過步進電機以30 mm/min的速度從PI溶液中拉出，將涂覆有PI的FBG1放置在80 ℃干燥箱中干燥30 min。然后，將干燥箱溫度提高到150 ℃，繼續(xù)干燥1 h。最后，利用金相顯微鏡近似觀察PI膜厚度與質量。如果FBG1表面的PI膜厚度過薄，則傳感器對濕度的敏感性較低。為了提高傳感器的靈敏度，通常在FBG1的表面多鍍幾層PI膜。在傳感器結構中，該涂膜過程重復了5次，以獲得所需的PI膜厚度。當沉積了最后一層PI膜后，將FBG1放在150 ℃的干燥箱中干燥約3 h，讓PI薄膜充分干燥。

(2)制備填充DSO的FBG2。將FBG2套入到一段內(nèi)徑為0.5 mm毛細玻璃管中，然后將毛細管一端浸入DSO溶液中，由于毛細管效應，DSO被吸入毛細玻璃管中，當毛細玻璃管中充滿DSO后，用AB膠把玻璃管兩邊封裝起來，完成FBG2表面填充DSO的制作。

(3)將制作好的FBG1與FBG2級聯(lián)起來，中間間隔約5～10 cm左右，傳感器結構制作完成。

圖2為制作的傳感器在環(huán)境溫度為30 ℃，相對濕度為40%RH的反射譜。從圖2中可以看到，2個FBG級聯(lián)后反射譜中存在2個諧振峰，諧振峰1(FBG1)對應FBG1的布拉格波長λ1=1 540.102 nm，由于FBG1表面涂覆了PI膠，它對濕度和溫度敏感，主要用來測量濕度；諧振峰2(FBG2)對應FBG2的布拉格波長λ2=1 550.149 nm，由于FBG2采用DSO封裝，對溫度更敏感，主要用來測量環(huán)境溫度，以及對FBG1測量濕度時進行溫度補償。

圖2 傳感器的反射譜

在FBG中，當滿足布拉格條件時，布拉格共振波長(λB)為：

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff為纖芯的有效折射率；Λ為FBG的光柵周期。

neff和Λ是影響FBG敏感性的主要因素，會隨著外部環(huán)境的變化而變化，可以得到相關的式[13]：

(2)

FBG基于溫度和變形靈敏度能夠通過考察布拉格波長的漂移來求得。布拉格波長漂移的大小取決于工作溫度和機械應變，可以表示為[13-16]：

(3)

式中：pE為光纖的光彈性系數(shù)；α為光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖的熱光系數(shù)；ε為作用在光柵上的軸向應變；ΔT為光柵的環(huán)境溫度變化量。

對于FBG1，由于光纖對相對濕度不敏感，在FBG1表面涂覆了PI濕敏聚合物材料，將相對濕度的變化轉化為機械應變。當周圍相對濕度變化時，PI的體積膨脹會對光纖光柵產(chǎn)生濕應變效應，并導致布拉格波長發(fā)生漂移，式(3)中的應變適用于相對濕度產(chǎn)生的應變。因此，作為相對濕度和溫度的函數(shù)，F(xiàn)BG1的布拉格波長偏移Δλ1可以通過式(4)給出[16]：

(4)

式中：ΔRH為濕度的變化量；SRH為FBG1濕度靈敏度；ΔT為溫度變化量；ST為FBG1的溫度靈敏度；λ1為FBG1的諧振波長。

ST主要由光纖的熱效應(熱膨脹與熱光效應)決定。而SRH則主要由PI的厚度與楊氏模量、光纖的厚度與楊氏模量、以及PI與光纖界面之間的相互作用系數(shù)決定。

對于FBG2，由于光纖對相對濕度不敏感，當周圍相對濕度變化時，布拉格波長不漂移。而表面填充了DSO的FBG2對溫度敏感，布拉格波長的偏移Δλ2可以通過以下公式給出：

(5)

2 實驗結果與分析

2.1 溫度與濕度測量實驗裝置

傳感器的溫濕度實驗裝置如圖3所示。光源為低偏振超寬帶光源(BBS)，型號為FL-ASE，光譜范圍為1 250～1 650 nm；光譜分析儀(OSA)用來記錄傳感器的反射譜，型號為AQ6370D，光譜范圍為700～1600 nm，分辨率為0.05 nm。利用恒溫恒濕箱,型號為WHTH-80L，來評估傳感器的溫度與濕度特性。在實驗中光從BBS發(fā)出，經(jīng)過光纖傳輸?shù)絺鞲衅髦?，然后?jīng)過傳感器的反射光被OSA收集。在溫度實驗時，恒溫恒濕箱的相對濕度固定設置為 40%RH，溫度變化范圍為30～80 ℃，每次變化步長為 5 ℃，在每個溫度記錄點，保持15 min等待溫度完全穩(wěn)定不變后再記錄傳感器的光譜。在測量濕度時，恒溫恒濕箱的溫度固定為60 ℃，相對濕度變化范圍為30%RH到90%RH，每次變化步長為 5%RH，在每個濕度記錄點，保持15 min等待濕度完全穩(wěn)定不變后再記錄傳感器的光譜。

圖3 傳感器的溫濕度實驗裝置圖

2.2 傳感器溫度實驗

FBG1涂覆了PI膠，主要用來測量環(huán)境濕度，但仍對溫度敏感，為了與填充DSO的FBG2溫度特性進行對比研究，考察了FBG1的溫度特性，圖4為FBG1隨溫度的變化圖與擬合圖。從圖4可知，當溫度從30 ℃升到80 ℃時，F(xiàn)BG1向長波長方向漂移，對數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到線性擬合度為0.998，溫度靈敏度為 12.8 pm/℃。當溫度下降時，F(xiàn)BG1向相反方向漂移，能夠得到相似的變化曲線與溫度靈敏度，說明FBG1在測量溫度時具有較好的可逆性。

圖4 FBG1隨溫度的變化圖與擬合圖

DSO是一種性能優(yōu)良的熱敏材料，具有良好的導熱性和化學穩(wěn)定性，可以用作熱載體。下面考察FBG2填充DSO后的溫度特性。圖5顯示了FBG2隨著溫度上升時的變化情況，實驗結果表明當溫度從30 ℃升到80 ℃時，F(xiàn)BG2向長波長方向漂移，對溫度上升的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到線性擬合度為0.999 8，傳感器的溫度靈敏度為 14.4 pm/℃。當溫度下降時，F(xiàn)BG2的變化過程與升溫時FBG2移動的方向相反，得到線性擬合度為0.997，傳感器的溫度靈敏度為 14.8 pm/℃。說明FBG2在測量溫度時具有較好的可逆性。與FBG1的溫度特性對比，發(fā)現(xiàn)填充了熱敏材料以后，F(xiàn)BG2對溫度靈敏度有所提高，但提高幅度不是特別大。主要原因是DSO的熱效應對FBG的纖芯有效折射率n和光柵周期Λ影響較小。DSO的熱光效應比較容易影響光纖包層的有效折射率，對纖芯有效折射率n影響小。另外，由于DSO被封在毛細玻璃管中，它的熱膨脹效應也會受玻璃管限制，對FBG2的光柵周期Λ造成的影響小。雖然靈敏度提高不大，但是也是提高FBG溫度靈敏度的一種新嘗試。

圖5 FBG2的布拉格波長隨溫度的變化圖與擬合圖

為了檢驗FBG2測量溫度時的誤差大小，還對FBG2測量溫度進行了穩(wěn)定性測試。將溫濕箱的相對濕度固定在40%RH，溫度分別設置為50 ℃和60 ℃固定不變，然后將傳感器放置到溫濕箱中，先保持溫度穩(wěn)定30 min，而后每隔10 min測量一次FBG2的布拉格波長，在100 min內(nèi)FBG2的布拉格波長變化情況如圖6所示。由圖6可知，在100 min內(nèi)50 ℃時FBG2的布拉格波長測量值和理論值之間的最大偏差為0.003 4 nm；在60 ℃時FBG2的布拉格波長的測量值和理論值之間的最大偏差為0.002 4 nm。依據(jù)前面測得的FBG2溫度靈敏度14.8 pm/℃，計算得到傳感器在50 ℃時的測量誤差約為0.23 ℃(0.003 4/0.014 8 ≈0.23 ℃)，在60 ℃時的測量誤差約為0.16 ℃(0.002 4/0.014 8 ≈ 0.16 ℃)。實驗結果表明傳感器測量溫度的誤差約為±0.23 ℃，誤差較小。為了檢驗FBG2測量溫度時的一致性，我們每隔15 d利用傳感器測量一次溫度，檢驗傳感器重復性。圖7顯示了在相同條件下，利用FBG2進行3次升溫與降溫實驗得到的測量數(shù)據(jù)?？梢杂^察到，3次實驗測得的數(shù)據(jù)基本一致，說明傳感器具有較好的一致性和重復性。

圖6 FBG2測量溫度的穩(wěn)定性實驗結果

圖7 FBG2測量溫度的重復性實驗結果

2.3 傳感器濕度實驗

布拉格光柵FBG1涂覆PI后對濕度敏感，圖8顯示了FBG1的布拉格波長隨濕度上升的變化情況，實驗結果表明當相對濕度從30%RH升到90%RH時，F(xiàn)BG1的布拉格波長向長波長方向漂移，對濕度上升的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到線性擬合度為0.997 7，傳感器的濕度靈敏度為 2.1 pm/%RH。當濕度下降時，F(xiàn)BG1的變化過程與濕度上升時的漂移方向相反，得到線性擬合度為0.996 4，傳感器的濕度靈敏度也為2.1 pm/%RH。實驗結果表明FBG1在測量濕度時具有較好線性度與可逆性。圖9為FBG2隨濕度的變化圖。從圖9可知，F(xiàn)BG2的布拉格波長隨濕度變化基本不漂移，說明填充了DSO的FBG2對濕度變化不敏感，可以認為濕度靈敏度近似為0。

圖8 FBG1隨濕度的變化圖與擬合圖

圖9 FBG2隨濕度的變化圖

為了檢驗FBG1測量濕度時的誤差，對FBG1進行了濕度穩(wěn)定性實驗。將溫濕度箱的溫度固定為60 ℃，濕度值分別設置為50%RH和60%RH固定不變，然后將傳感器放置到溫濕度箱中，先保持濕度穩(wěn)定30 min，然后每隔10 min測量一次FBG1的峰值波長，在100 min內(nèi)FBG1的波長變化情況如圖10所示。由圖10可知，在100 min內(nèi)相對濕度為50%RH時FBG1的布拉格波長的測量值與理論值之間的最大值偏差約為0.001 6 nm；在相對濕度60%RH時，F(xiàn)BG1的布拉格波長的測量值與理論值之間的最大值偏差約為0.003 2 nm。依據(jù)前面測得FBG1的濕度靈敏度為2.1 pm/℃，計算得到FBG1在相對濕度為50%RH時的測量誤差約為0.78% RH(0.001 6/0.002 1≈0.78)，在60%RH時的測量誤差約為1.50%RH(0.003 2/0.002 1≈1.50)。實驗結果表明傳感器測量濕度的誤差約為±1.5%RH，比較小。圖11顯示了在相同條件下，利用FBG1進行3次濕度上升和下降實驗得到的測量數(shù)據(jù)。可以觀察到，3次實驗測得的數(shù)據(jù)基本一致，說明傳感器具有較好的可逆性和重復性。

圖10 FBG1測量濕度時的穩(wěn)定性實驗結果

圖11 FBG1測量濕度時的重復性實驗結果

2.4 溫度與濕度同時測量分析

以上分別研究了2個FBG級聯(lián)結構的溫度與濕度特性，結果表明隨著環(huán)境溫度和濕度變化時，級聯(lián)的2個FBG的布拉格波長會發(fā)生線性漂移。其中，F(xiàn)BG1對溫度與濕度都敏感；而FBG2只對溫度敏感，對濕度不敏感。選擇FBG1與FBG2的溫度與濕度靈敏度來構建靈敏度傳輸矩陣，能夠完成溫度與濕度的在線同時測量，避免了交叉敏感。FBG1與FBG2的布拉格波長分別為λ1和λ2，當環(huán)境溫度與濕度同時發(fā)生變化時將同時造成λ1和λ2發(fā)生漂移。設Δλ1和Δλ2分別為2個布拉格波長的漂移量，ΔT為環(huán)境溫度變化量，ΔRH為環(huán)境濕度變化量，α1和α2分別為FBG1與FBG2的溫度靈敏度，β1和β2分別為FBG1與FBG2的濕度靈敏度。依據(jù)實驗測量結果得到α1=12.8 pm/℃，α2=14.4 pm/℃，β1=2.1 pm/%RH，β2=0 pm/%RH，根據(jù)矩陣理論可得到測量矩陣為

(6)

對矩陣(6)求逆矩陣得到測量的溫度與濕度值

(7)

3 結束語

本文利用熱敏材料DSO、濕敏材料PI和2個FBG，設計了一款能夠實現(xiàn)多路同時測量溫度與濕度的光纖光柵傳感器。FBG1的表面涂覆PI主要用來測量濕度，F(xiàn)BG2表面填充DSO主要用來測量溫度。它們在測量溫度與濕度時線性關系好，靈敏度較高。通過選擇FBG1與FBG2的溫度與濕度靈敏度構建靈敏度傳輸矩陣，能夠實現(xiàn)溫度與濕度的在線同時測量，避免了溫度與濕度之間的交叉敏感。該傳感器具有結構簡單、性能穩(wěn)定、重復性好和測量誤差小等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中具有一定應用前景。