用于同时测量湿度和温度的多路光纤光栅传感器

曹庭水，江 超，黄会玲，孙四梅，郭小珊

(湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北黄石 435002)

0 引言

工业生产上双参数传感，尤其是湿度和温度，是很多情况下的特殊要求。电子传感器虽然也能够被用于执行湿度和温度监测，但它在复用、分辨率和电磁干扰方面存在缺点。光纤传感器具有体积小、制作方便、可远距离传感、抗电磁干扰、能够复用等优点而成为双参数传感的可行解决方案，受到广泛关注[1-2]。在线光纤温度与湿度同时测量传感器有许多种类型，例如，不同光纤干涉仪混合型[3-6]、光纤光栅与光纤干涉仪级联型[7-9]、不同类型的光纤光栅级联型[10-12]等。在这些结构同时测量中，由于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)具有稳定性好、价格低等优点，多数时候选用FBG来测量温度，但FBG存在灵敏度较低的缺点。为了提高FBG的灵敏度，通常采用在FBG表面涂覆敏感材料的方法。研究发现在FBG表面涂覆热敏材料能够提高其温度灵敏度到一定值，但提高的幅度还是受到FBG结构的限制[13-15]。研究还发现在FBG表面涂覆热敏材料也能够实现对环境湿度的测量[16-18]。文中第1次对2个级联的FBG分别采用热敏材料与湿敏材料进行涂覆的方法实现温度与湿度同时测量。其中，热敏材料选用二甲基硅油(dimethyl silicone oil，DSO)，它具有透明度高、导热性和化学稳定性良好等优点，可在-50～200 ℃下长期使用，可以直接用作热载体[19]。利用DSO与光纤干涉仪相结合已经制作出了一些高灵敏度的温度传感器[19-21]。湿敏材料选用聚酰亚胺(polyimide，PI)，是一种吸水性很强的湿敏材料，也已经被广泛应用于湿度传感器中[2,18]。

1 传感器结构与工作原理

图1为2个FBG(FBG1和FBG2)级联的结构示意图与光路图。传感器用到的单模光纤(single-mode fiber，SMF)的纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm。传感器使用的DSO是一种透明状液体，型号为H201-50，粘度为50 mm2/s，折射率RI ≈1.400。传感器使用的PI溶液是一种胶状液体。传感器所用的2个FBG为裸光栅没有进行涂覆保护。其中FBG1的布拉格中心波长为1 539.919 nm，带宽0.217 nm，边模抑制比15 dB，反射率92.92%，栅区长度10 mm；FBG2的布拉格中心波长为1 549.808 nm，带宽0.316 nm，边模抑制比11 dB，反射率49.88%，栅区长度3 mm。

图1 传感器的结构示意图与光路图

传感器的制备过程简单描述如下：

(1)制备涂覆有PI的FBG1。将裸光栅FBG1浸入硅烷偶联剂(粘接剂)中5 min，放入80 ℃干燥箱中30 min，以增强光纤-聚合物界面的附着力，确保聚合物膨胀而产生的应变能够有效传递到光纤中。等待粘接剂干燥后，将FBG1浸入PI溶液中，并通过步进电机以30 mm/min的速度从PI溶液中拉出，将涂覆有PI的FBG1放置在80 ℃干燥箱中干燥30 min。然后，将干燥箱温度提高到150 ℃，继续干燥1 h。最后，利用金相显微镜近似观察PI膜厚度与质量。如果FBG1表面的PI膜厚度过薄，则传感器对湿度的敏感性较低。为了提高传感器的灵敏度，通常在FBG1的表面多镀几层PI膜。在传感器结构中，该涂膜过程重复了5次，以获得所需的PI膜厚度。当沉积了最后一层PI膜后，将FBG1放在150 ℃的干燥箱中干燥约3 h，让PI薄膜充分干燥。

(2)制备填充DSO的FBG2。将FBG2套入到一段内径为0.5 mm毛细玻璃管中，然后将毛细管一端浸入DSO溶液中，由于毛细管效应，DSO被吸入毛细玻璃管中，当毛细玻璃管中充满DSO后，用AB胶把玻璃管两边封装起来，完成FBG2表面填充DSO的制作。

(3)将制作好的FBG1与FBG2级联起来，中间间隔约5～10 cm左右，传感器结构制作完成。

图2为制作的传感器在环境温度为30 ℃，相对湿度为40%RH的反射谱。从图2中可以看到，2个FBG级联后反射谱中存在2个谐振峰，谐振峰1(FBG1)对应FBG1的布拉格波长λ1=1 540.102 nm，由于FBG1表面涂覆了PI胶，它对湿度和温度敏感，主要用来测量湿度；谐振峰2(FBG2)对应FBG2的布拉格波长λ2=1 550.149 nm，由于FBG2采用DSO封装，对温度更敏感，主要用来测量环境温度，以及对FBG1测量湿度时进行温度补偿。

图2 传感器的反射谱

在FBG中，当满足布拉格条件时，布拉格共振波长(λB)为：

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff为纤芯的有效折射率；Λ为FBG的光栅周期。

neff和Λ是影响FBG敏感性的主要因素，会随着外部环境的变化而变化，可以得到相关的式[13]：

(2)

FBG基于温度和变形灵敏度能够通过考察布拉格波长的漂移来求得。布拉格波长漂移的大小取决于工作温度和机械应变，可以表示为[13-16]：

(3)

式中：pE为光纤的光弹性系数；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数；ε为作用在光栅上的轴向应变；ΔT为光栅的环境温度变化量。

对于FBG1，由于光纤对相对湿度不敏感，在FBG1表面涂覆了PI湿敏聚合物材料，将相对湿度的变化转化为机械应变。当周围相对湿度变化时，PI的体积膨胀会对光纤光栅产生湿应变效应，并导致布拉格波长发生漂移，式(3)中的应变适用于相对湿度产生的应变。因此，作为相对湿度和温度的函数，FBG1的布拉格波长偏移Δλ1可以通过式(4)给出[16]：

(4)

式中：ΔRH为湿度的变化量；SRH为FBG1湿度灵敏度；ΔT为温度变化量；ST为FBG1的温度灵敏度；λ1为FBG1的谐振波长。

ST主要由光纤的热效应(热膨胀与热光效应)决定。而SRH则主要由PI的厚度与杨氏模量、光纤的厚度与杨氏模量、以及PI与光纤界面之间的相互作用系数决定。

对于FBG2，由于光纤对相对湿度不敏感，当周围相对湿度变化时，布拉格波长不漂移。而表面填充了DSO的FBG2对温度敏感，布拉格波长的偏移Δλ2可以通过以下公式给出：

(5)

2 实验结果与分析

2.1 温度与湿度测量实验装置

传感器的温湿度实验装置如图3所示。光源为低偏振超宽带光源(BBS)，型号为FL-ASE，光谱范围为1 250～1 650 nm；光谱分析仪(OSA)用来记录传感器的反射谱，型号为AQ6370D，光谱范围为700～1600 nm，分辨率为0.05 nm。利用恒温恒湿箱,型号为WHTH-80L，来评估传感器的温度与湿度特性。在实验中光从BBS发出，经过光纤传输到传感器中，然后经过传感器的反射光被OSA收集。在温度实验时，恒温恒湿箱的相对湿度固定设置为 40%RH，温度变化范围为30～80 ℃，每次变化步长为 5 ℃，在每个温度记录点，保持15 min等待温度完全稳定不变后再记录传感器的光谱。在测量湿度时，恒温恒湿箱的温度固定为60 ℃，相对湿度变化范围为30%RH到90%RH，每次变化步长为 5%RH，在每个湿度记录点，保持15 min等待湿度完全稳定不变后再记录传感器的光谱。

图3 传感器的温湿度实验装置图

2.2 传感器温度实验

FBG1涂覆了PI胶，主要用来测量环境湿度，但仍对温度敏感，为了与填充DSO的FBG2温度特性进行对比研究，考察了FBG1的温度特性，图4为FBG1随温度的变化图与拟合图。从图4可知，当温度从30 ℃升到80 ℃时，FBG1向长波长方向漂移，对数据进行线性拟合，得到线性拟合度为0.998，温度灵敏度为 12.8 pm/℃。当温度下降时，FBG1向相反方向漂移，能够得到相似的变化曲线与温度灵敏度，说明FBG1在测量温度时具有较好的可逆性。

图4 FBG1随温度的变化图与拟合图

DSO是一种性能优良的热敏材料，具有良好的导热性和化学稳定性，可以用作热载体。下面考察FBG2填充DSO后的温度特性。图5显示了FBG2随着温度上升时的变化情况，实验结果表明当温度从30 ℃升到80 ℃时，FBG2向长波长方向漂移，对温度上升的数据进行线性拟合，得到线性拟合度为0.999 8，传感器的温度灵敏度为 14.4 pm/℃。当温度下降时，FBG2的变化过程与升温时FBG2移动的方向相反，得到线性拟合度为0.997，传感器的温度灵敏度为 14.8 pm/℃。说明FBG2在测量温度时具有较好的可逆性。与FBG1的温度特性对比，发现填充了热敏材料以后，FBG2对温度灵敏度有所提高，但提高幅度不是特别大。主要原因是DSO的热效应对FBG的纤芯有效折射率n和光栅周期Λ影响较小。DSO的热光效应比较容易影响光纤包层的有效折射率，对纤芯有效折射率n影响小。另外，由于DSO被封在毛细玻璃管中，它的热膨胀效应也会受玻璃管限制，对FBG2的光栅周期Λ造成的影响小。虽然灵敏度提高不大，但是也是提高FBG温度灵敏度的一种新尝试。

图5 FBG2的布拉格波长随温度的变化图与拟合图

为了检验FBG2测量温度时的误差大小，还对FBG2测量温度进行了稳定性测试。将温湿箱的相对湿度固定在40%RH，温度分别设置为50 ℃和60 ℃固定不变，然后将传感器放置到温湿箱中，先保持温度稳定30 min，而后每隔10 min测量一次FBG2的布拉格波长，在100 min内FBG2的布拉格波长变化情况如图6所示。由图6可知，在100 min内50 ℃时FBG2的布拉格波长测量值和理论值之间的最大偏差为0.003 4 nm；在60 ℃时FBG2的布拉格波长的测量值和理论值之间的最大偏差为0.002 4 nm。依据前面测得的FBG2温度灵敏度14.8 pm/℃，计算得到传感器在50 ℃时的测量误差约为0.23 ℃(0.003 4/0.014 8 ≈0.23 ℃)，在60 ℃时的测量误差约为0.16 ℃(0.002 4/0.014 8 ≈ 0.16 ℃)。实验结果表明传感器测量温度的误差约为±0.23 ℃，误差较小。为了检验FBG2测量温度时的一致性，我们每隔15 d利用传感器测量一次温度，检验传感器重复性。图7显示了在相同条件下，利用FBG2进行3次升温与降温实验得到的测量数据。可以观察到，3次实验测得的数据基本一致，说明传感器具有较好的一致性和重复性。

图6 FBG2测量温度的稳定性实验结果

图7 FBG2测量温度的重复性实验结果

2.3 传感器湿度实验

布拉格光栅FBG1涂覆PI后对湿度敏感，图8显示了FBG1的布拉格波长随湿度上升的变化情况，实验结果表明当相对湿度从30%RH升到90%RH时，FBG1的布拉格波长向长波长方向漂移，对湿度上升的数据进行线性拟合，得到线性拟合度为0.997 7，传感器的湿度灵敏度为 2.1 pm/%RH。当湿度下降时，FBG1的变化过程与湿度上升时的漂移方向相反，得到线性拟合度为0.996 4，传感器的湿度灵敏度也为2.1 pm/%RH。实验结果表明FBG1在测量湿度时具有较好线性度与可逆性。图9为FBG2随湿度的变化图。从图9可知，FBG2的布拉格波长随湿度变化基本不漂移，说明填充了DSO的FBG2对湿度变化不敏感，可以认为湿度灵敏度近似为0。

图8 FBG1随湿度的变化图与拟合图

图9 FBG2随湿度的变化图

为了检验FBG1测量湿度时的误差，对FBG1进行了湿度稳定性实验。将温湿度箱的温度固定为60 ℃，湿度值分别设置为50%RH和60%RH固定不变，然后将传感器放置到温湿度箱中，先保持湿度稳定30 min，然后每隔10 min测量一次FBG1的峰值波长，在100 min内FBG1的波长变化情况如图10所示。由图10可知，在100 min内相对湿度为50%RH时FBG1的布拉格波长的测量值与理论值之间的最大值偏差约为0.001 6 nm；在相对湿度60%RH时，FBG1的布拉格波长的测量值与理论值之间的最大值偏差约为0.003 2 nm。依据前面测得FBG1的湿度灵敏度为2.1 pm/℃，计算得到FBG1在相对湿度为50%RH时的测量误差约为0.78% RH(0.001 6/0.002 1≈0.78)，在60%RH时的测量误差约为1.50%RH(0.003 2/0.002 1≈1.50)。实验结果表明传感器测量湿度的误差约为±1.5%RH，比较小。图11显示了在相同条件下，利用FBG1进行3次湿度上升和下降实验得到的测量数据。可以观察到，3次实验测得的数据基本一致，说明传感器具有较好的可逆性和重复性。

图10 FBG1测量湿度时的稳定性实验结果

图11 FBG1测量湿度时的重复性实验结果

2.4 温度与湿度同时测量分析

以上分别研究了2个FBG级联结构的温度与湿度特性，结果表明随着环境温度和湿度变化时，级联的2个FBG的布拉格波长会发生线性漂移。其中，FBG1对温度与湿度都敏感；而FBG2只对温度敏感，对湿度不敏感。选择FBG1与FBG2的温度与湿度灵敏度来构建灵敏度传输矩阵，能够完成温度与湿度的在线同时测量，避免了交叉敏感。FBG1与FBG2的布拉格波长分别为λ1和λ2，当环境温度与湿度同时发生变化时将同时造成λ1和λ2发生漂移。设Δλ1和Δλ2分别为2个布拉格波长的漂移量，ΔT为环境温度变化量，ΔRH为环境湿度变化量，α1和α2分别为FBG1与FBG2的温度灵敏度，β1和β2分别为FBG1与FBG2的湿度灵敏度。依据实验测量结果得到α1=12.8 pm/℃，α2=14.4 pm/℃，β1=2.1 pm/%RH，β2=0 pm/%RH，根据矩阵理论可得到测量矩阵为

(6)

对矩阵(6)求逆矩阵得到测量的温度与湿度值

(7)

3 结束语

本文利用热敏材料DSO、湿敏材料PI和2个FBG，设计了一款能够实现多路同时测量温度与湿度的光纤光栅传感器。FBG1的表面涂覆PI主要用来测量湿度，FBG2表面填充DSO主要用来测量温度。它们在测量温度与湿度时线性关系好，灵敏度较高。通过选择FBG1与FBG2的温度与湿度灵敏度构建灵敏度传输矩阵，能够实现温度与湿度的在线同时测量，避免了温度与湿度之间的交叉敏感。该传感器具有结构简单、性能稳定、重复性好和测量误差小等优点，在工业生产中具有一定应用前景。