基于明胶的光纤湿度传感系统

(上海复旦智能监控成套设备有限公司, 上海 201906)

引 言

湿度检测技术在食品加工、仪器制造、建筑以及结构健康监测(SHM)等领域,发挥着极其重要的作用[1-4]。传统的湿度检测方法以化学方法和电子传感器检测法为主。化学方法对环境有不同程度的污染,而电子传感器检测法的抗电磁干扰能力差,使用环境受限。基于明胶的光纤湿度传感器具有寻常光纤传感器的一些优点,更重要的是,它的主要原材料明胶是一种来源广泛,造价低廉,无污染的材料,解决了一些传统方法所存在的问题[5]。国内外多位科学家利用胶体化合物[6]或聚合物薄膜[7-8]成功研制了光纤湿度传感器,取得了不错的效果。本文提出了利用明胶薄膜作为湿敏器件,结合光纤传感技术搭建了湿度传感器,通过光强分析,得到了传感器的线性区间。该传感器造价低廉,对环境污染小,抗电磁干扰能力强。

1 系统原理

光纤作为目前热门的传感元件,和传统传感器相比具有一系列的优点。它可以在极其恶劣条件下使用,具有高灵敏度及低损耗的优点,用途十分广泛。明胶由于其特性可作为吸水介质[9],在外界湿度较小的情况下,膨胀水在渗透压的作用下,会从明胶中挥发出去;在外界湿度较大的情况下,外界游离的水分子会动态地进入明胶中,被明胶吸收。通过制造明胶薄膜,搭建光路,薄膜随吸水量而改变厚度,影响光强的变化,从而达到传感效果。光纤准直器是一种光无源器件,在光通信系统中被普遍的使用。通常情况下,光纤准直器由两部分组成,一部分是前端的准直系统,另一部分是后端的光纤连接端口,主要作用是夹持光纤,同时配合外部套筒将光纤与准直系统连接起来。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 System schematic

光纤中的激光由准直器A射向明胶薄膜,通过明胶薄膜的激光进入准直器B,探测器检测光强的变化量。当明胶吸收水分时,薄膜厚度发生变化,影响光强,通过数据分析及公式换算,标定湿度值。

2 测试方法

干涉法测湿度的原理是利用sagnac光路,当湿度发生变化后,通过光的相位发生变化,去返的两束光发生干涉,通过分析干涉条纹,进而分析出湿度的变化。

在实际测量中,sagnac光路对于湿度变化下的光纤湿度系统并没有产生可以观察到的现象。对sagnac光路进行公式推导,干涉信号的相位差可以表示为

(1)

(2)

式中I1和I2分别为纤芯和包层中传播光的光强。由式(2)可知,最小光强所在的波长为

(3)

联立式(1),(3)可以得到

(4)

由式(4)可知,干涉条纹的疏密程度与干涉臂的长度及纤芯基模和包层模之间的有效折射率差成反比。湿度实验过程中,薄膜因吸收水分导致其折射率发生改变,相当于单模光纤周围的环境折射率增加,那么包层模的有效折射率就会增加,而同时由于纤芯基模的模场半径相对较小,基本上不会受到外界环境折射率变化的影响,其有效折射率保持不变。所以光强I与湿度成正比关系。

3 明胶薄膜的制作

明胶颗粒是淡黄色不透明的固体小颗粒,无法用作通光材料,因此,必须将明胶制成薄膜才可以用来测试通光强度。称取2 g的明胶固体颗粒,量取10 mL的蒸馏水,为增加明胶膜的吸水能力[10]加入5%的甘油,采用水浴加热,控制温度在50～70 ℃之间加热0.5 h,明胶溶液制备完成。利用模具法制膜,揭下风干后,明胶膜表面不平整,无法用于实验。考虑到薄膜的平整度,将明胶溶液涂抹在载玻片上风干后,即制成了一块含有明胶薄膜的载玻片,便于光路搭建。明胶薄膜的实物图见图2,图2(a)为模具法制膜效果,图2(b)为载玻片成膜效果。

图2 明胶薄膜Fig.2 Gelatin film

4 湿度测试实验

将附有明胶膜的载玻片置于两个准直器之间,通过调节五维光学支架使两个光纤准直器同轴,将光纤准直器A的入射端接光源,光纤准直器B的接收端接光电探测器,调整两个准直器的端口至光电探测器上有合适的光功率值。将整个探测平台置于半密封的透明箱体内,使用加湿器为箱体内部加湿,来模拟空气中湿度的变化。通过记录密闭箱体中湿度的变化,以及光电探测器上湿度的变化,考察两者的相关性。本实验记录了增加和降低湿度过程中光强的变化。由于加湿器加湿过程中存在水雾,对实验数据有所影响,故选择关闭加湿器后的降湿数据拟合公式较为准确。本实验中使用的光源波长为1 550 nm。

根据实验数据可得拟合曲线y=-0.125 4x-53.491,R2=0.995 4,其中y为光强,x为湿度,R2为曲线决定系数。实验数据见图3所示。

图3 实验数据Fig.3 Experimental data

实验记录了湿度从10%RH到97%RH的光电探测器读数,读数与光功率的关系为

YdBm=10lg(P/1 mW)

(5)

观察实验获得的拟合线性图可知,增加与降低湿度时光电探测器与湿度计之间的线性关系还是比较明显的,最大误差为0.683%,完全满足精度要求。所以该方法是可以有效的测量湿度的。

5 结 论

随着高端制造业的发展,湿度越来越被人们所重视。本文的研究将明胶用于光纤湿度传感器,与传统的湿度传感器相比具有精确度高、抗电磁干扰能力强、响应速度快等优点,与光纤湿度传感器相比具有成本低廉、原料来源广泛、制备工艺简单等优点,可以应用于核工业、精密实验室、国防部门等领域,具有广泛的应用前景。

参考文献:

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