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一种准确测量温湿度的光纤Bragg光栅传感器

2020年电子技术应用第6期

巫涛江1，2，3，赵雅1，2，4，赵杰1，2，李玉洁1，2，马利3，赵明富3

1.电梯智能运维重庆市高校工程中心，重庆402260；2.重庆能源职业学院，重庆402260； 3.重庆理工大学，重庆400054；4.重庆第二师范学院，重庆400065

摘要： 为了准确测量电梯轿厢内温湿度变化信息，研制了一种结构简单的光纤Bragg光栅(FBG)温湿度传感器。传感器由光栅长度为20 mm的FBG构成，其中光栅长度为12 mm的区域采用湿腐蚀法腐蚀至7.8 μm，并在其表面涂覆聚酰亚胺湿敏材料，用于响应湿度变化信息；未被腐蚀的8 mm光栅用于响应温度变化信息。实验研究了光纤腐蚀区域和未腐蚀区域对温湿度的响应特性，湿敏膜涂覆厚度对光栅腐蚀区湿度响应特性的影响，湿敏涂覆后光栅腐蚀区对温度的响应特性，以及传感器对变温变湿环境的响应特性。实验结果表明：当湿敏膜厚度为80 μm时，光栅腐蚀区对湿度的响应灵敏度为17.1 pm/(%RH)；未腐蚀区域对温度的响应灵敏度为9.9 pm/℃；变温(30~70 ℃)变湿(20~90%RH)环境测试时，传感器能准确测量温度及湿度。

關鍵詞： 温湿度聚酰亚胺光纤Bragg光栅准确测量灵敏度

中圖分類號： TN204
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191411
中文引用格式： 巫濤江，趙雅，趙杰，等. 一種準確測量溫濕度的光纖Bragg光柵傳感器[J].電子技術應用，2020，46(6)：68-72.
英文引用格式： Wu Taojiang，Zhao Ya，Zhao Jie，et al. A fiber Bragg grating sensor for accurate measurement of temperature and humidity[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(6)：68-72.

A fiber Bragg grating sensor for accurate measurement of temperature and humidity

Wu Taojiang1，2，3，Zhao Ya1，2，4，Zhao Jie1，2，Li Yujie1，2，VIGAN MAX-MARLEY3，Zhao Mingfu3

1.Elevator Intelligent Operations Engineering Center of Chongqing University，Chongqing 402260，China； 2.Chongqing Energy College，Chongqing 402260，China； 3.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China； 4.Chongqing University of Education，Chongqing 400065，China

Abstract： To accurately measure the temperature and humidity in the elevator car, a simple fiber Bragg grating(FBG) temperature and humidity sensor was developed. The sensor was composed of FBG with a grating length of 20 mm, where in the region with a grating length of 12 mm was etched to 7.8 μm by wet etching, and a polyimide moisture sensitive material was coated on the etched surface to measure relative humidity. The unetched 8 mm FBG was used to detect temperature. In the experiments, firstly, the response characteristics of the etched and unetched FBGs to the temperature and humidity were studied. Secondly, the influence of the thickness of the polyimide film on the humidity response of the etched FBG was examined. Thirdly, the response of the etched FBG with polyimide coating to temperature was checked. Fourthly, we investigated the response of the sensor that includes etched and unetched FBGs in variable temperature and humidity environment. The experimental results show that when the thickness of the humidity sensitive film was 80 μm, the response sensitivity of the etched FBG to humidity was 17.1 pm/(%RH). The sensitivity of the unetched FBG to temperature was 9.9 pm/℃. The sensor can accurately measure temperature and humidity in the temperature range of 30 to 70 ℃ and in the humidity range of 20~90%RH.

Key words : temperature and humidity；polyimide；fiber Bragg grating；accurate measurement；sensitivity

0 引言

隨著豬鏈球菌、非典、流腦、口蹄疫、禽流感等傳染病的爆發(fā)，廣大市民越來越注重疾病的防治工作。這些傳染疾病可通過空氣、接觸、飛沫等方式傳播。電梯作為一個公共的場合，出現在每個城市的高層建筑物之中，其通風情況直接影響著疾病的傳播機率。同時，轎廂內溫濕度直接關系到乘坐的舒適性和電子元器件的使用壽命^[1]。為使轎廂內溫濕度維持在既可有效抑制疾病傳播，又可讓乘客感到舒適，同時提高器件使用壽命的狀態(tài)，必須對轎廂內溫濕度進行優(yōu)化檢測和控制。然而有效的、精準的過程控制，必須對轎廂內溫濕度進行在線實時監(jiān)測。

目前用于溫度和濕度測量的傳感器很多^[2-10]，其中光纖溫度和濕度傳感器具有微結構、抗電磁干擾、遠距離傳輸、使用壽命長、響應速度快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點，已被廣泛采用[11-13]。雖然現有光纖溫度和濕度傳感器具有上述諸多優(yōu)點，但是已報到的光纖溫度和濕度傳感器主要為單一參數測量，很少有關于同一光纖傳感單元實現溫濕度雙參數同時測量的文獻報道。因此，在現有的光纖溫度和光纖濕度傳感器基礎之上，研制出一種結構簡單、高性價比的光纖溫濕度傳感器，用于電梯轎廂內濕度實時檢測十分必要。

本文為了實現電梯轎廂內溫濕度變化信息監(jiān)測，利用光纖Bragg光柵(FBG)和聚酰亞胺濕敏材料研制了一種結構簡單的溫濕度傳感器，實驗研究了光纖對溫濕度的響應特性，濕敏薄膜涂覆厚度對傳感器的濕度響應靈敏度及濕度響應時間的影響，濕敏材料涂覆后傳感器對溫度的響應特性，以及變溫變濕環(huán)境下傳感器的響應特性。

論文詳細內容請下載http://www.tom3567.com/resource/share/2000002848

作者信息:

巫濤江1，2，3，趙雅1，2，4，趙杰1，2，李玉潔1，2，馬利3，趙明富3

(1.電梯智能運維重慶市高校工程中心，重慶402260；2.重慶能源職業(yè)學院，重慶402260；

3.重慶理工大學，重慶400054；4.重慶第二師范學院，重慶400065)

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