《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種準(zhǔn)確測量溫濕度的光纖Bragg光柵傳感器
2020年電子技術(shù)應(yīng)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(yùn)維重慶市高校工程中心，重慶402260；2.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶402260； 3.重慶理工大學(xué)，重慶400054；4.重慶第二師范學(xué)院，重慶400065
摘要： 為了準(zhǔn)確測量電梯轎廂內(nèi)溫濕度變化信息，研制了一種結(jié)構(gòu)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(gòu)成，其中光柵長度為12 mm的區(qū)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(yīng)濕度變化信息；未被腐蝕的8 mm光柵用于響應(yīng)溫度變化信息。實(shí)驗(yàn)研究了光纖腐蝕區(qū)域和未腐蝕區(qū)域?qū)貪穸鹊捻憫?yīng)特性，濕敏膜涂覆厚度對光柵腐蝕區(qū)濕度響應(yīng)特性的影響，濕敏涂覆后光柵腐蝕區(qū)對溫度的響應(yīng)特性，以及傳感器對變溫變濕環(huán)境的響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)濕敏膜厚度為80 μm時(shí)，光柵腐蝕區(qū)對濕度的響應(yīng)靈敏度為17.1 pm/(%RH)；未腐蝕區(qū)域?qū)囟鹊捻憫?yīng)靈敏度為9.9 pm/℃；變溫(30~70 ℃)變濕(20~90%RH)環(huán)境測試時(shí)，傳感器能準(zhǔn)確測量溫度及濕度。
中圖分類號(hào)： TN204
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(zhǔn)確測量溫濕度的光纖Bragg光柵傳感器[J].電子技術(shù)應(yīng)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(gè)公共的場合，出現(xiàn)在每個(gè)城市的高層建筑物之中，其通風(fēng)情況直接影響著疾病的傳播機(jī)率。同時(shí)，轎廂內(nèi)溫濕度直接關(guān)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(nèi)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(shí)提高器件使用壽命的狀態(tài)，必須對轎廂內(nèi)溫濕度進(jìn)行優(yōu)化檢測和控制。然而有效的、精準(zhǔn)的過程控制，必須對轎廂內(nèi)溫濕度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)、抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸、使用壽命長、響應(yīng)速度快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛采用[11-13]。雖然現(xiàn)有光纖溫度和濕度傳感器具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是已報(bào)到的光纖溫度和濕度傳感器主要為單一參數(shù)測量，很少有關(guān)于同一光纖傳感單元實(shí)現(xiàn)溫濕度雙參數(shù)同時(shí)測量的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，在現(xiàn)有的光纖溫度和光纖濕度傳感器基礎(chǔ)之上，研制出一種結(jié)構(gòu)簡單、高性價(jià)比的光纖溫濕度傳感器，用于電梯轎廂內(nèi)濕度實(shí)時(shí)檢測十分必要。

    本文為了實(shí)現(xiàn)電梯轎廂內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單的溫濕度傳感器，實(shí)驗(yàn)研究了光纖對溫濕度的響應(yīng)特性，濕敏薄膜涂覆厚度對傳感器的濕度響應(yīng)靈敏度及濕度響應(yīng)時(shí)間的影響，濕敏材料涂覆后傳感器對溫度的響應(yīng)特性，以及變溫變濕環(huán)境下傳感器的響應(yīng)特性。




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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(yùn)維重慶市高校工程中心，重慶402260；2.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶402260；

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

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