基于FBG模擬溫室環境的濕度傳感器設計

申曉月，鄭來芳，李蕓

（太原工業學院，山西太原，030008）

0 引言

目前工農業生產領域對物理量濕度要求越來越高，濕度測量越來越重要，濕度傳感器的性能、制造都需要極大的改善，以適應國防科技、供電、紡織、醫藥、農業、倉儲等行業對濕度傳感器的需求，不僅對響應速度有要求，而且對濕度傳感器在環境中適應的性能、測試范圍、測量精確度等指標的要求也逐漸提高；由于傳統的電子濕度傳感器測試過程中會有很多局限，比如：耐腐蝕性差[1]；目前國內外在光纖傳感器研究方面都有相當大的進步，其中光纖光柵濕度傳感器同樣廣泛應用在各個領域中[2]，但在設計和測試過程中仍然需要不斷地改進，并提高傳感器的性能[3]。同樣在現代化的農業生產中對空氣濕度的重視程度日益提高，如果環境濕度值不能滿足要求，將會對農業生產造成不同程度的后果[4]。在溫室農業生產中農作物的生長環境特別重要，但由于溫室環境中需要控制的參數較多，生長環境復雜監控系統對傳感器的數據采集、處理、反應的及時性要求高。光纖布拉格光柵（FBG）作為光纖光柵濕度傳感器的敏感元件，FBG具備光纖光柵的耐腐蝕性、耐高溫性能、以及無電參量的性能，而且通過多個傳感器連接形成傳感網絡，對溫室環境物理參數實施點面式、長期的監控。

本文主要采用聚乙烯醇通過不同的操作方法制作涂覆濕敏材料，并對設計的光纖光柵傳感器進行不同時間的固化，在模擬溫室環境的設備中進行測試，經過數據整理，分析對設計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

由光學理論知：當光纖受到外界物理因素影響時，光纖內部光的傳播會受到影響，這種性質是光纖光柵傳感的理論基礎。本文采用反射型光纖布拉格光柵（FBG），通過折射率周期的擾動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，入射的寬帶光對應很少一部分波長上反射回，其他波長透射通過并且不受影響[5]，因此FBG有波長選擇的作用如圖1所示。

當FBG的折射率、光柵間距變化時，相應的會改變反射中心波長，即在外力作用下，光彈效應引起折射率改變，光柵形變引起光柵周期改變；溫度變化時，熱光效應會使折射率改變，熱膨脹系數會影響光柵周期[6]。光纖光柵反射波長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、光纖光柵周期受應力及溫度的影響使?neff及?Λ改變，最終使反射中心波長偏移，偏移量?λB則：

因此，光纖光柵受應力和溫度的影響， 折射率effn和光柵周期Λ發生變化[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。根據耦合原理，在應變和熱效應共同作用時，光纖光柵波長偏移量[8]如下：

式中eP、ζ、ε分別為光纖的有效彈光常數、光纖的熱光系數、縱向應變系數，當被測物理量溫度、濕度發生改變時，物理量溫度、濕度對布拉格中心波長作用[9]，關系式如下：

有關系是可知溫濕度的作用是相互獨立的；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，HK是濕度敏感系數。未經濕敏感材處理的FBG反射波長偏移量如下：

3 制作濕敏材料的方法

本設計采用的濕敏材料為聚乙烯醇，所設計的傳感器測量的靈敏度主要取決于濕敏材料涂層的薄厚，通過調節濕敏材料聚乙烯醇(PVA)溶液的濃度來控制涂層的厚度[10]。濕敏材料聚乙烯醇溶液濃度越大，制成的薄膜對相對濕度的靈敏度影響越大，同時配置的聚乙烯醇溶液的濃度又會受到溶解度的限制。綜合分析，本實驗中采用濃度為5%的濕敏材料聚乙烯醇溶液。

PVA溶液制作過程：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，相應的質量比例為0.13175: 1.5: 1；再將配置的聚乙烯醇(PVA)溶液放在溫度為60℃的恒溫測速攪拌器中攪拌，如圖2所示，攪拌直到溶液變為均勻透明、不含明顯的顆粒的溶液，約攪拌4h，攪拌結束后，將配置的聚乙烯醇(PVA)溶液放入脫泡機中實施脫泡處理，如圖3所示。

涂覆聚乙烯醇（PVA）的過程：首先準備特制合金模具如圖4所示，采用設計的模具進行制作，濕敏薄膜的厚度更便于調節；將光纖刻有光柵的部分固定在模具上，使光纖水平，柵區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。使聚乙烯醇（PVA）溶液覆蓋光纖光柵的涂覆區，如圖4所示；涂覆之后使整個結構處于靜置狀態，待制作的整個結構自然冷卻定型成膜；成膜之后直接從模具上取下，操作時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)薄膜厚度需要進行測定，通過在每張需要測定的濕敏薄膜上取點，用顯微鏡測試儀測試每個點的厚度，求取平均值即可，設計濕敏薄膜長度約12mm，寬度約1.5mm。

由于傳感器測試的物理參數特殊，在光纖光柵濕度傳感器結構封裝設計時，首先要滿足感濕部分和監測環境氣流交換順暢，當在具有腐蝕的潮濕環境檢測時要保證結構具有耐蝕性，而且要避免異物進入干擾測試結果，同時用非金屬作為數據傳輸部分，防止動物撕咬以及信號干擾；其次要減少光柵受損，結構小巧基于以上要求，光纖光柵濕度傳感器實物如圖5所示。

4 實驗結果與分析

經過封裝涂有PVA薄膜濕敏材料的光纖光柵，將實物放入模擬的溫室設備內部，如圖6所示；實驗中采用1550nm波段的光柵。

在20℃的恒溫環境下進行吸濕測試，每隔5%RH記錄一次中心波長，濕度值從20%RH開始測試，到濕度值為90%RH，當相對濕度達90%RH 以后吸濕改變緩慢，隔一分鐘記錄一次數據至數據穩定不變；然后脫濕測試從濕度值為90%RH逐漸降為20%RH，每隔5%RH記錄一次波長變化；從本次設計中取三種樣品，參數如表1所示；進行數據分析。

表1 所樣品制作參數

經過對以上三種攪拌時間不同的樣品進行測試，分別將樣品固化2小時和4小時對應的吸濕數據和脫濕數據如圖7和圖8所示；其中1曲線、2曲線、3曲線對應樣品1號、2號、3號。

經過兩次不同模擬溫室測試發現在吸濕測試過程中濕度值從20%RH ～60%RH過程中有良好的線性關系，測試的響應時間為8min24s左右，在濕度值為60%RH處發生了轉折且濕度值從 60%RH ～90%RH也有良好的線性關系，該段測試的響應時間9min38s左右。兩段線性擬合度可以達到97%。在脫濕過程中中心波長變化比較小，脫濕效果不理想；整體可知固化4小時的曲線變化更穩定，靈敏度很好；因此可知固化（老化）時間越長結構的性能更穩定。

兩次測試均有轉折點出現的原因分析：前期環境中相對濕度較小，同時模擬溫室的環境中聚乙烯醇制作的濕敏薄膜吸濕相對比較慢，從光纖的光學理論可知相應FBG反射波長改變也小；經過一段時間濕度增加，模擬溫室環境中濕敏薄膜吸濕變快，最終達到飽和狀態。測試中，測試相對濕度達到90%RH以后相應的反射中心變化開始減緩；當模擬溫室環境相對濕度從90%RH逐漸飽和時，所需的時間為9.5min，反射中心波長變化很小，因此越接近飽和，吸濕速度越慢。

5 結束語

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試的過程，研究探索了制作濕敏薄膜的方法以及固化時長對所設計的濕度傳感器的影響，通過分析測試光纖光柵濕度傳感器對模擬溫室的吸濕和脫濕波長的變化，得出實驗數據。實驗結果表明，本實驗設計的光纖光柵濕度傳感器在吸濕過程中濕度為15%RH ～60%和60%RH ～90%RH的范圍內，具有良好的線性關系；但是在脫濕過程不理想，需要進一步改善。同時可知該結構的穩定性受到固化時間的影響。