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一種準確測量溫濕度的光纖Bragg光柵傳感器

2020年電子技術應用第6期

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

摘要： 為了準確測量電梯轎廂內溫濕度變化信息，研制了一種結構簡單的光纖Bragg光柵(FBG)溫濕度傳感器。傳感器由光柵長度為20 mm的FBG構成，其中光柵長度為12 mm的區域采用濕腐蝕法腐蝕至7.8 μm，并在其表面涂覆聚酰亞胺濕敏材料，用于響應濕度變化信息；未被腐蝕的8 mm光柵用于響應溫度變化信息。實驗研究了光纖腐蝕區域和未腐蝕區域對溫濕度的響應特性，濕敏膜涂覆厚度對光柵腐蝕區濕度響應特性的影響，濕敏涂覆后光柵腐蝕區對溫度的響應特性，以及傳感器對變溫變濕環境的響應特性。實驗結果表明：當濕敏膜厚度為80 μm時，光柵腐蝕區對濕度的響應靈敏度為17.1 pm/(%RH)；未腐蝕區域對溫度的響應靈敏度為9.9 pm/℃；變溫(30~70 ℃)變濕(20~90%RH)環境測試時，傳感器能準確測量溫度及濕度。

關鍵詞： 溫濕度聚酰亞胺光纖Bragg光柵準確測量靈敏度

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，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，必須對轎廂內溫濕度進行優化檢測和控制。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，以及變溫變濕環境下傳感器的響應特性。

論文詳細內容請下載http://www.rjjo.cn/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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