申曉月，鄭來(lái)芳，李蕓

（太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008）

0 引言

目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ξ锢砹繚穸纫笤絹?lái)越高，濕度測(cè)量越來(lái)越重要，濕度傳感器的性能、制造都需要極大的改善，以適應(yīng)國(guó)防科技、供電、紡織、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)對(duì)濕度傳感器的需求，不僅對(duì)響應(yīng)速度有要求，而且對(duì)濕度傳感器在環(huán)境中適應(yīng)的性能、測(cè)試范圍、測(cè)量精確度等指標(biāo)的要求也逐漸提高；由于傳統(tǒng)的電子濕度傳感器測(cè)試過(guò)程中會(huì)有很多局限，比如：耐腐蝕性差[1]；目前國(guó)內(nèi)外在光纖傳感器研究方面都有相當(dāng)大的進(jìn)步，其中光纖光柵濕度傳感器同樣廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中[2]，但在設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程中仍然需要不斷地改進(jìn)，并提高傳感器的性能[3]。同樣在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)空氣濕度的重視程度日益提高，如果環(huán)境濕度值不能滿(mǎn)足要求，將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不同程度的后果[4]。在溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境特別重要，但由于溫室環(huán)境中需要控制的參數(shù)較多，生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、反應(yīng)的及時(shí)性要求高。光纖布拉格光柵（FBG）作為光纖光柵濕度傳感器的敏感元件，F(xiàn)BG具備光纖光柵的耐腐蝕性、耐高溫性能、以及無(wú)電參量的性能，而且通過(guò)多個(gè)傳感器連接形成傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫室環(huán)境物理參數(shù)實(shí)施點(diǎn)面式、長(zhǎng)期的監(jiān)控。

本文主要采用聚乙烯醇通過(guò)不同的操作方法制作涂覆濕敏材料，并對(duì)設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器進(jìn)行不同時(shí)間的固化，在模擬溫室環(huán)境的設(shè)備中進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理，分析對(duì)設(shè)計(jì)的光纖光柵濕度傳感器的影響因素，以獲取性能較好的光纖式傳感器。

1 光纖光柵傳感器的原理

由光學(xué)理論知：當(dāng)光纖受到外界物理因素影響時(shí)，光纖內(nèi)部光的傳播會(huì)受到影響，這種性質(zhì)是光纖光柵傳感的理論基礎(chǔ)。本文采用反射型光纖布拉格光柵（FBG），通過(guò)折射率周期的擾動(dòng)使很窄的一小段光譜受到影響，例如在光柵中傳播寬帶光波時(shí)，入射的寬帶光對(duì)應(yīng)很少一部分波長(zhǎng)上反射回，其他波長(zhǎng)透射通過(guò)并且不受影響[5]，因此FBG有波長(zhǎng)選擇的作用如圖1所示。

當(dāng)FBG的折射率、光柵間距變化時(shí)，相應(yīng)的會(huì)改變反射中心波長(zhǎng)，即在外力作用下，光彈效應(yīng)引起折射率改變，光柵形變引起光柵周期改變；溫度變化時(shí)，熱光效應(yīng)會(huì)使折射率改變，熱膨脹系數(shù)會(huì)影響光柵周期[6]。光纖光柵反射波長(zhǎng)λB如下：

其中effn是光柵有效折射率，Λ是光纖光柵的周期。有效折射率、光纖光柵周期受應(yīng)力及溫度的影響使?neff及?Λ改變，最終使反射中心波長(zhǎng)偏移，偏移量?λB則：

因此，光纖光柵受應(yīng)力和溫度的影響， 折射率effn和光柵周期Λ發(fā)生變化[7]。

2 光纖光柵濕度傳感器的原理

光纖光柵濕度傳感器的敏感元件是先在光纖刻錄光柵段去除涂覆層，再均勻地涂上濕敏材料聚乙烯醇制成的。根據(jù)耦合原理，在應(yīng)變和熱效應(yīng)共同作用時(shí)，光纖光柵波長(zhǎng)偏移量[8]如下：

式中eP、ζ、ε分別為光纖的有效彈光常數(shù)、光纖的熱光系數(shù)、縱向應(yīng)變系數(shù)，當(dāng)被測(cè)物理量溫度、濕度發(fā)生改變時(shí)，物理量溫度、濕度對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)作用[9]，關(guān)系式如下：

有關(guān)系是可知溫濕度的作用是相互獨(dú)立的；其中，?T 是光柵的溫度變化量，?H是濕度變化量，TK是光柵的溫度敏感系數(shù)，HK是濕度敏感系數(shù)。未經(jīng)濕敏感材處理的FBG反射波長(zhǎng)偏移量如下：

3 制作濕敏材料的方法

本設(shè)計(jì)采用的濕敏材料為聚乙烯醇，所設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量的靈敏度主要取決于濕敏材料涂層的薄厚，通過(guò)調(diào)節(jié)濕敏材料聚乙烯醇(PVA)溶液的濃度來(lái)控制涂層的厚度[10]。濕敏材料聚乙烯醇溶液濃度越大，制成的薄膜對(duì)相對(duì)濕度的靈敏度影響越大，同時(shí)配置的聚乙烯醇溶液的濃度又會(huì)受到溶解度的限制。綜合分析，本實(shí)驗(yàn)中采用濃度為5%的濕敏材料聚乙烯醇溶液。

PVA溶液制作過(guò)程：首先配備5%的聚乙烯醇（PVA）溶液，配置的材料有聚乙烯醇粉末、酒精、蒸餾水，相應(yīng)的質(zhì)量比例為0.13175: 1.5: 1；再將配置的聚乙烯醇(PVA)溶液放在溫度為60℃的恒溫測(cè)速攪拌器中攪拌，如圖2所示，攪拌直到溶液變?yōu)榫鶆蛲该?、不含明顯的顆粒的溶液，約攪拌4h，攪拌結(jié)束后，將配置的聚乙烯醇(PVA)溶液放入脫泡機(jī)中實(shí)施脫泡處理，如圖3所示。

涂覆聚乙烯醇（PVA）的過(guò)程：首先準(zhǔn)備特制合金模具如圖4所示，采用設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行制作，濕敏薄膜的厚度更便于調(diào)節(jié)；將光纖刻有光柵的部分固定在模具上，使光纖水平，柵區(qū)位于模具中間的位置；然后用注射器緩慢地將脫完泡的聚乙烯醇（PVA）溶液滴在柵區(qū)。使聚乙烯醇（PVA）溶液覆蓋光纖光柵的涂覆區(qū)，如圖4所示；涂覆之后使整個(gè)結(jié)構(gòu)處于靜置狀態(tài)，待制作的整個(gè)結(jié)構(gòu)自然冷卻定型成膜；成膜之后直接從模具上取下，操作時(shí)需要小心避免將光柵斷折，將薄膜裁剪成需要的寬度，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中固化，60℃保持2h或4h。制作的聚乙烯醇(PVA)薄膜厚度需要進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)在每張需要測(cè)定的濕敏薄膜上取點(diǎn)，用顯微鏡測(cè)試儀測(cè)試每個(gè)點(diǎn)的厚度，求取平均值即可，設(shè)計(jì)濕敏薄膜長(zhǎng)度約12mm，寬度約1.5mm。

由于傳感器測(cè)試的物理參數(shù)特殊，在光纖光柵濕度傳感器結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿(mǎn)足感濕部分和監(jiān)測(cè)環(huán)境氣流交換順暢，當(dāng)在具有腐蝕的潮濕環(huán)境檢測(cè)時(shí)要保證結(jié)構(gòu)具有耐蝕性，而且要避免異物進(jìn)入干擾測(cè)試結(jié)果，同時(shí)用非金屬作為數(shù)據(jù)傳輸部分，防止動(dòng)物撕咬以及信號(hào)干擾；其次要減少光柵受損，結(jié)構(gòu)小巧基于以上要求，光纖光柵濕度傳感器實(shí)物如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)封裝涂有PVA薄膜濕敏材料的光纖光柵，將實(shí)物放入模擬的溫室設(shè)備內(nèi)部，如圖6所示；實(shí)驗(yàn)中采用1550nm波段的光柵。

在20℃的恒溫環(huán)境下進(jìn)行吸濕測(cè)試，每隔5%RH記錄一次中心波長(zhǎng)，濕度值從20%RH開(kāi)始測(cè)試，到濕度值為90%RH，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)90%RH 以后吸濕改變緩慢，隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變；然后脫濕測(cè)試從濕度值為90%RH逐漸降為20%RH，每隔5%RH記錄一次波長(zhǎng)變化；從本次設(shè)計(jì)中取三種樣品，參數(shù)如表1所示；進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 所樣品制作參數(shù)

經(jīng)過(guò)對(duì)以上三種攪拌時(shí)間不同的樣品進(jìn)行測(cè)試，分別將樣品固化2小時(shí)和4小時(shí)對(duì)應(yīng)的吸濕數(shù)據(jù)和脫濕數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示；其中1曲線(xiàn)、2曲線(xiàn)、3曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)樣品1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。

經(jīng)過(guò)兩次不同模擬溫室測(cè)試發(fā)現(xiàn)在吸濕測(cè)試過(guò)程中濕度值從20%RH ～60%RH過(guò)程中有良好的線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)試的響應(yīng)時(shí)間為8min24s左右，在濕度值為60%RH處發(fā)生了轉(zhuǎn)折且濕度值從 60%RH ～90%RH也有良好的線(xiàn)性關(guān)系，該段測(cè)試的響應(yīng)時(shí)間9min38s左右。兩段線(xiàn)性擬合度可以達(dá)到97%。在脫濕過(guò)程中中心波長(zhǎng)變化比較小，脫濕效果不理想；整體可知固化4小時(shí)的曲線(xiàn)變化更穩(wěn)定，靈敏度很好；因此可知固化（老化）時(shí)間越長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的性能更穩(wěn)定。

兩次測(cè)試均有轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的原因分析：前期環(huán)境中相對(duì)濕度較小，同時(shí)模擬溫室的環(huán)境中聚乙烯醇制作的濕敏薄膜吸濕相對(duì)比較慢，從光纖的光學(xué)理論可知相應(yīng)FBG反射波長(zhǎng)改變也??；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間濕度增加，模擬溫室環(huán)境中濕敏薄膜吸濕變快，最終達(dá)到飽和狀態(tài)。測(cè)試中，測(cè)試相對(duì)濕度達(dá)到90%RH以后相應(yīng)的反射中心變化開(kāi)始減緩；當(dāng)模擬溫室環(huán)境相對(duì)濕度從90%RH逐漸飽和時(shí)，所需的時(shí)間為9.5min，反射中心波長(zhǎng)變化很小，因此越接近飽和，吸濕速度越慢。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了FBG的原理以及采用聚乙烯醇薄膜的濕敏特性制作光纖光柵傳感器并測(cè)試的過(guò)程，研究探索了制作濕敏薄膜的方法以及固化時(shí)長(zhǎng)對(duì)所設(shè)計(jì)的濕度傳感器的影響，通過(guò)分析測(cè)試光纖光柵濕度傳感器對(duì)模擬溫室的吸濕和脫濕波長(zhǎng)的變化，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的光纖光柵濕度傳感器在吸濕過(guò)程中濕度為15%RH ～60%和60%RH ～90%RH的范圍內(nèi)，具有良好的線(xiàn)性關(guān)系；但是在脫濕過(guò)程不理想，需要進(jìn)一步改善。同時(shí)可知該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到固化時(shí)間的影響。