基于FBG模拟温室环境的湿度传感器设计

申晓月，郑来芳，李芸

（太原工业学院，山西太原，030008）

0 引言

目前工农业生产领域对物理量湿度要求越来越高，湿度测量越来越重要，湿度传感器的性能、制造都需要极大的改善，以适应国防科技、供电、纺织、医药、农业、仓储等行业对湿度传感器的需求，不仅对响应速度有要求，而且对湿度传感器在环境中适应的性能、测试范围、测量精确度等指标的要求也逐渐提高；由于传统的电子湿度传感器测试过程中会有很多局限，比如：耐腐蚀性差[1]；目前国内外在光纤传感器研究方面都有相当大的进步，其中光纤光栅湿度传感器同样广泛应用在各个领域中[2]，但在设计和测试过程中仍然需要不断地改进，并提高传感器的性能[3]。同样在现代化的农业生产中对空气湿度的重视程度日益提高，如果环境湿度值不能满足要求，将会对农业生产造成不同程度的后果[4]。在温室农业生产中农作物的生长环境特别重要，但由于温室环境中需要控制的参数较多，生长环境复杂监控系统对传感器的数据采集、处理、反应的及时性要求高。光纤布拉格光栅（FBG）作为光纤光栅湿度传感器的敏感元件，FBG具备光纤光栅的耐腐蚀性、耐高温性能、以及无电参量的性能，而且通过多个传感器连接形成传感网络，对温室环境物理参数实施点面式、长期的监控。

本文主要采用聚乙烯醇通过不同的操作方法制作涂覆湿敏材料，并对设计的光纤光栅传感器进行不同时间的固化，在模拟温室环境的设备中进行测试，经过数据整理，分析对设计的光纤光栅湿度传感器的影响因素，以获取性能较好的光纤式传感器。

1 光纤光栅传感器的原理

由光学理论知：当光纤受到外界物理因素影响时，光纤内部光的传播会受到影响，这种性质是光纤光栅传感的理论基础。本文采用反射型光纤布拉格光栅（FBG），通过折射率周期的扰动使很窄的一小段光谱受到影响，例如在光栅中传播宽带光波时，入射的宽带光对应很少一部分波长上反射回，其他波长透射通过并且不受影响[5]，因此FBG有波长选择的作用如图1所示。

当FBG的折射率、光栅间距变化时，相应的会改变反射中心波长，即在外力作用下，光弹效应引起折射率改变，光栅形变引起光栅周期改变；温度变化时，热光效应会使折射率改变，热膨胀系数会影响光栅周期[6]。光纤光栅反射波长λB如下：

其中effn是光栅有效折射率，Λ是光纤光栅的周期。有效折射率、光纤光栅周期受应力及温度的影响使∆neff及∆Λ改变，最终使反射中心波长偏移，偏移量∆λB则：

因此，光纤光栅受应力和温度的影响， 折射率effn和光栅周期Λ发生变化[7]。

2 光纤光栅湿度传感器的原理

光纤光栅湿度传感器的敏感元件是先在光纤刻录光栅段去除涂覆层，再均匀地涂上湿敏材料聚乙烯醇制成的。根据耦合原理，在应变和热效应共同作用时，光纤光栅波长偏移量[8]如下：

式中eP、ζ、ε分别为光纤的有效弹光常数、光纤的热光系数、纵向应变系数，当被测物理量温度、湿度发生改变时，物理量温度、湿度对布拉格中心波长作用[9]，关系式如下：

有关系是可知温湿度的作用是相互独立的；其中，∆T 是光栅的温度变化量，∆H是湿度变化量，TK是光栅的温度敏感系数，HK是湿度敏感系数。未经湿敏感材处理的FBG反射波长偏移量如下：

3 制作湿敏材料的方法

本设计采用的湿敏材料为聚乙烯醇，所设计的传感器测量的灵敏度主要取决于湿敏材料涂层的薄厚，通过调节湿敏材料聚乙烯醇(PVA)溶液的浓度来控制涂层的厚度[10]。湿敏材料聚乙烯醇溶液浓度越大，制成的薄膜对相对湿度的灵敏度影响越大，同时配置的聚乙烯醇溶液的浓度又会受到溶解度的限制。综合分析，本实验中采用浓度为5%的湿敏材料聚乙烯醇溶液。

PVA溶液制作过程：首先配备5%的聚乙烯醇（PVA）溶液，配置的材料有聚乙烯醇粉末、酒精、蒸馏水，相应的质量比例为0.13175: 1.5: 1；再将配置的聚乙烯醇(PVA)溶液放在温度为60℃的恒温测速搅拌器中搅拌，如图2所示，搅拌直到溶液变为均匀透明、不含明显的颗粒的溶液，约搅拌4h，搅拌结束后，将配置的聚乙烯醇(PVA)溶液放入脱泡机中实施脱泡处理，如图3所示。

涂覆聚乙烯醇（PVA）的过程：首先准备特制合金模具如图4所示，采用设计的模具进行制作，湿敏薄膜的厚度更便于调节；将光纤刻有光栅的部分固定在模具上，使光纤水平，栅区位于模具中间的位置；然后用注射器缓慢地将脱完泡的聚乙烯醇（PVA）溶液滴在栅区。使聚乙烯醇（PVA）溶液覆盖光纤光栅的涂覆区，如图4所示；涂覆之后使整个结构处于静置状态，待制作的整个结构自然冷却定型成膜；成膜之后直接从模具上取下，操作时需要小心避免将光栅断折，将薄膜裁剪成需要的宽度，然后放入鼓风干燥箱中固化，60℃保持2h或4h。制作的聚乙烯醇(PVA)薄膜厚度需要进行测定，通过在每张需要测定的湿敏薄膜上取点，用显微镜测试仪测试每个点的厚度，求取平均值即可，设计湿敏薄膜长度约12mm，宽度约1.5mm。

由于传感器测试的物理参数特殊，在光纤光栅湿度传感器结构封装设计时，首先要满足感湿部分和监测环境气流交换顺畅，当在具有腐蚀的潮湿环境检测时要保证结构具有耐蚀性，而且要避免异物进入干扰测试结果，同时用非金属作为数据传输部分，防止动物撕咬以及信号干扰；其次要减少光栅受损，结构小巧基于以上要求，光纤光栅湿度传感器实物如图5所示。

4 实验结果与分析

经过封装涂有PVA薄膜湿敏材料的光纤光栅，将实物放入模拟的温室设备内部，如图6所示；实验中采用1550nm波段的光栅。

在20℃的恒温环境下进行吸湿测试，每隔5%RH记录一次中心波长，湿度值从20%RH开始测试，到湿度值为90%RH，当相对湿度达90%RH 以后吸湿改变缓慢，隔一分钟记录一次数据至数据稳定不变；然后脱湿测试从湿度值为90%RH逐渐降为20%RH，每隔5%RH记录一次波长变化；从本次设计中取三种样品，参数如表1所示；进行数据分析。

表1 所样品制作参数

经过对以上三种搅拌时间不同的样品进行测试，分别将样品固化2小时和4小时对应的吸湿数据和脱湿数据如图7和图8所示；其中1曲线、2曲线、3曲线对应样品1号、2号、3号。

经过两次不同模拟温室测试发现在吸湿测试过程中湿度值从20%RH ～60%RH过程中有良好的线性关系，测试的响应时间为8min24s左右，在湿度值为60%RH处发生了转折且湿度值从 60%RH ～90%RH也有良好的线性关系，该段测试的响应时间9min38s左右。两段线性拟合度可以达到97%。在脱湿过程中中心波长变化比较小，脱湿效果不理想；整体可知固化4小时的曲线变化更稳定，灵敏度很好；因此可知固化（老化）时间越长结构的性能更稳定。

两次测试均有转折点出现的原因分析：前期环境中相对湿度较小，同时模拟温室的环境中聚乙烯醇制作的湿敏薄膜吸湿相对比较慢，从光纤的光学理论可知相应FBG反射波长改变也小；经过一段时间湿度增加，模拟温室环境中湿敏薄膜吸湿变快，最终达到饱和状态。测试中，测试相对湿度达到90%RH以后相应的反射中心变化开始减缓；当模拟温室环境相对湿度从90%RH逐渐饱和时，所需的时间为9.5min，反射中心波长变化很小，因此越接近饱和，吸湿速度越慢。

5 结束语

本文阐述了FBG的原理以及采用聚乙烯醇薄膜的湿敏特性制作光纤光栅传感器并测试的过程，研究探索了制作湿敏薄膜的方法以及固化时长对所设计的湿度传感器的影响，通过分析测试光纤光栅湿度传感器对模拟温室的吸湿和脱湿波长的变化，得出实验数据。实验结果表明，本实验设计的光纤光栅湿度传感器在吸湿过程中湿度为15%RH ～60%和60%RH ～90%RH的范围内，具有良好的线性关系；但是在脱湿过程不理想，需要进一步改善。同时可知该结构的稳定性受到固化时间的影响。