光電技術(shù)在濕度傳感器中的應(yīng)用研究

王憲楠 劉欽臣

摘 要：對于每一個行業(yè)來說，在測量地質(zhì)水文情況時，濕度都是一個重要的物理量，在許多條件下必須對環(huán)境的濕度進(jìn)行測量。隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，與現(xiàn)代化意義相適應(yīng)的濕度傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的水平。本文主要從測量原理的角度出發(fā)，詳細(xì)地介紹并總結(jié)了光電濕度傳感器及其應(yīng)用的方法，并闡述了濕度傳感器未來發(fā)展的主要方向。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器；光纖光柵；薄膜；光纖傳感器；平面波導(dǎo)

引言：

現(xiàn)階段，低溫條件下的濕度測量技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了非常成熟的水平，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、倉儲、食品、紡織等各個行業(yè)，并有著成熟的商業(yè)化商品。相對一些高新行業(yè)而言，比如：發(fā)電變電、工業(yè)管道、高爐、航空航天、陶瓷生產(chǎn)等等，對濕度測量的要求較高，因此，需要發(fā)展新型的濕度傳感器以適應(yīng)惡劣條件下的精確測量。

一、濕度的概念

濕度是指空氣的干濕程度，常被用來表示各種物理量，例如：絕對濕度、相對濕度、比較速度、飽和差等。另外，蒸汽的濕度也包括在內(nèi)，其表示濕蒸氣中液態(tài)水分的質(zhì)量占蒸汽總質(zhì)量的百分比。一般條件下，在同一個大氣壓下空氣溫度越高，其濕度的極限值就越大。

（一）絕對濕度

絕對濕度是指在一定體積的空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量，它的單位是克每立方米，當(dāng)絕對濕度達(dá)到飽和狀態(tài)時則稱為最高濕度。

（二）相對濕度

相對濕度表示在一定大氣壓強(qiáng)的水蒸氣的飽和度，是絕對濕度和最高濕度的比值。當(dāng)相對濕度的數(shù)值達(dá)到百分之百時，空氣就達(dá)到了水蒸氣的飽和值。同一大氣壓強(qiáng)下，隨著溫度的升高，空氣的最高濕度越高。另外，依據(jù)相對濕度和溫度的數(shù)值，也可以換算出表示溫度的其它參數(shù)。

二、光電式濕度傳感器研究路程

目前，市面上出現(xiàn)的濕度傳感器的種類繁多，根據(jù)材料劃分可分為半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器、電解質(zhì)濕度傳感器以及有機(jī)高分子聚合物濕度傳感器三種類型；根據(jù)測量方式可分為光電式濕度傳感器和電阻式濕度傳感器等等。

（一）光敏模式的濕度傳感器

光敏式濕度傳感器的用處良多，可以應(yīng)用于測量多種氣體的組成成分，其中就包括相對難以測量的水。使用相對合適的薄膜材料測量待測氣體，就可得出其精確的組成數(shù)值。這種濕度傳感器的應(yīng)用原理是不同溫度下空氣與敏感膜材料接觸，產(chǎn)生的不同的光學(xué)參數(shù)數(shù)值。并且，根據(jù)膜材料不同的反應(yīng)原理，還可將其劃分為通過光吸收的濕度傳感器以及通過熒光效應(yīng)反應(yīng)的濕度傳感器，而后一種通常采用光纖來作為接受信號的光傳輸媒介。

光敏薄膜式的濕度傳感器能夠得到良好的應(yīng)用，其最核心的部分就是濕度敏感材料的選擇，選擇一種兼具強(qiáng)選擇性和敏感性的材料很重要。例如：一種典型的材料結(jié)晶紫，它本身是一種含有三個氮苯基末端基團(tuán)的陽離子染料，因為其本身的性質(zhì)當(dāng)膜含水量增加時，由于磺酸基的酸性減弱，該材料就會由原來的顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，當(dāng)檢驗時，測量吸光度和濕度的關(guān)系就變得很容易。

對于光敏模式的濕度傳感器，在濕度測量技術(shù)中，會使用到分子探針和化學(xué)傳感膜，相關(guān)探頭的設(shè)計和分子探頭的選擇是使用這種濕度傳感器的核心。實際情況下，選擇一種適合光敏傳感器的傳感膜并不容易，第一，要選擇與待測氣體的共存氣體不具有影響的傳感膜，這種濕度傳感膜很容易受到二氧化碳等氣體的影響。第二，要在適宜的溫度下測量出傳感膜的光學(xué)性質(zhì)，并根據(jù)所測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析和總結(jié)。使用光敏模式傳感器之前，需要對標(biāo)準(zhǔn)的濕度進(jìn)行標(biāo)定。因此，這種類型的濕度傳感器，不僅適用于對光敏薄膜較敏感的環(huán)境，還可以適用于實驗室內(nèi)的測量。另外，為了保證做測量濕度的精準(zhǔn)，需要更進(jìn)一步的改良傳感膜的材料和結(jié)構(gòu)，選擇一種更加敏感、速度更快、更高水平的傳感膜。

（二）光纖氏濕度傳感器

光纖式濕度傳感器，是一種以光纖作為敏感媒介的，由自組織錐形光纖構(gòu)成的濕度傳感器。該種傳感器的結(jié)構(gòu)總體上呈現(xiàn)錐形，是由一段單模的光纖從中間部分轉(zhuǎn)變?yōu)殄F形，而且要保證錐形的一段保持均勻的直徑，并且所使用敏感的復(fù)合材料將均勻直徑部分包裹成啞鈴型?？傮w結(jié)構(gòu)輕便、緊湊、體積較小，適合各種條件下的濕度測量。

（三）光纖光柵式濕度傳感器

相對于其它結(jié)構(gòu)的濕度傳感器，光纖光柵的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。另外，還可以使用波長測量的方法直接測量出待測物理量，這提高了測量的精準(zhǔn)度，測量速度極快，而且可以同時測量溫度和濕度。如果想要更好地發(fā)揮其作用，只需要通過選擇濕膨脹線性具有優(yōu)勢的材料，整體上會出現(xiàn)良好的測量質(zhì)量。另外，該傳感器使用的是雙FBG結(jié)構(gòu)，需要同時使用光譜儀和雙波長的光源。雖然在使用光通信技術(shù)的前提下，可以使用以上儀器和光源，但整體系統(tǒng)成本較高。

（四）波導(dǎo)式濕度傳感器

波導(dǎo)式濕度傳感器能夠在較低的濕度范圍內(nèi)依然具有較高的靈敏性，特別適合用于低濕度環(huán)境中對濕度嚴(yán)格控制的場合。另外，該種濕度傳感器的反應(yīng)迅速，各種器件響應(yīng)速度也很快，通過調(diào)整整個制備的過程可以優(yōu)化響應(yīng)速度的參數(shù)。由于這種傳感器的制作工藝和傳統(tǒng)意義上的制作過程相匹配，所以就可以使用現(xiàn)有的材料實現(xiàn)傳感器的組裝。但波導(dǎo)式濕度傳感器有一個難以彌補的缺點，就是對設(shè)備各零部件的要求極高，而且工藝程序復(fù)雜，不適合應(yīng)用于器件的批量生產(chǎn)。

（五）其它光電氏濕度傳感器

現(xiàn)階段，隨著我國整體的科技水平的提高，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)也迅速發(fā)展起來，這就意味著微電子技術(shù)制造工藝處于一個較高的水平。因此將微光電系統(tǒng)應(yīng)用于濕度傳感器領(lǐng)域是濕度傳感器測量技術(shù)的又一大進(jìn)步，在結(jié)構(gòu)上使?jié)穸葌鞲衅鞲游⑿突?，加工更加精?xì)化，更容易處理部分集成信號的問題。

三、光電技術(shù)在濕度傳感器領(lǐng)域的使用和推廣

將光電技術(shù)應(yīng)用于濕度傳感器的領(lǐng)域，促進(jìn)了濕度傳感器金屬水平的提高，并且增加了非接觸檢測和無損檢測的精度值，對傳感器技術(shù)水平的提高提供了技術(shù)支持和條件需求，為傳感器新產(chǎn)品的出現(xiàn)提供了前提和保障。

技術(shù)人員在規(guī)定理想的濕度傳感器時，有很多的要求，包括物理特性和化學(xué)特性兩方面。在物理特性上，要求傳感器要具有制造工藝簡單、體積小、抗高壓、抗低溫、抗腐蝕、壽命長、穩(wěn)定性強(qiáng)、測量精準(zhǔn)度高的優(yōu)勢；在化學(xué)特性上，則要求傳感器的靈敏度高、線性度好、溫度系數(shù)小。將光電技術(shù)應(yīng)用于濕度傳感器領(lǐng)域的一個實例，就是光敏薄膜式濕度傳感器。該傳感器采用的氣體分布檢測方法，操作簡便且容易施行，只需尋找到與水氣敏感度相適應(yīng)的光電材料，便可以使用這一類型的濕度傳感器。但無論任何一種材料都很難達(dá)到傳感器多方面的使用要求，所以需要使用復(fù)合性能較強(qiáng)以及壽命較長的材料。除此之外，還由于其測量的設(shè)備比較特殊，測量的方法也有局限，因此一般適用于實驗室的濕度測量。

采用特殊的光纖或者是光纖光柵可以直接作為敏感材料濕度傳感器的傳感膜，是極為理想化的一種材料，這是因為光纖具有優(yōu)異的光學(xué)特性和極高的光纖加工水平。首先，這種光電式濕度傳感比普通的濕度傳感器的模式更加緊湊、便捷，整體結(jié)構(gòu)上也有所簡化，節(jié)省成本投資；其次，光纖在惡劣的條件中，能夠依靠它本身抗電磁干擾和抗高溫的特殊性質(zhì)發(fā)揮優(yōu)勢，擴(kuò)展了濕度傳感器的測量范圍，為未來傳感器應(yīng)用于極端環(huán)境測量的發(fā)展提供了指導(dǎo)方向。

綜上所述，將光纖技術(shù)應(yīng)用在濕度傳感器中，不僅提高了濕度傳感器的測量精準(zhǔn)度，而且為各種條件下濕度的測量提供更高的技術(shù)支持。未來濕度傳感器測量領(lǐng)域?qū)媾R著新的挑戰(zhàn)，這就要求相關(guān)的設(shè)計人員不斷地提高自身的技術(shù)水平，完善自身素質(zhì)，為未來濕度傳感器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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