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结构健康监测中光纤光栅传感技术(十二)光纤光栅化学传感器

更新时间:2016-09-04 23:02:03点击次数:5199次字号:T|T

已报道的光纤光栅传感器主要应用于测量应变、温度和压力等物理量。这归功于光纤光栅本身具有的优良传感特性,在温度及应力荷载作用下,光纤光栅栅区的周期会发生变化,从而改变了光纤光栅的反射光波长。到目前为止,已报道的应用于测量化学量的光纤光栅传感器比较少,其中主要集中在测量氢气浓度、含盐度以及pH值等化学量[71][72][73]。传感的基本原理是使用特殊的敏感材料将被测化学量转化为温度或者应力变化,通过在光纤光栅上直接涂覆这种敏感材料或者设计某种应变传递机制使敏感材料体积的变化施加在光纤光栅上。

1.1.1        湿度传感器

聚酰亚胺是一种高分子材料,广泛应用于电子、航天、汽车等工业领域。它具有耐高温、化学性质稳定、低介电常数和良好的机械性能,通常作为绝缘材料应用于电子元件、航天部件以及光缆等的绝缘保护以及制作底盘、支座等的材料。相对于其它的潮湿敏感性材料,它的亲水性能并不高,但由于吸水后其介电常数变化的特点,广泛应用于制作电容式微湿度传感器。当聚酰亚胺材料吸收水分子后,会导致材料体积膨胀。Sager等人对聚酰亚胺材料湿度敏感机制特性进行了详细的实验分析。结果表明,聚酰亚胺材料吸水后体积膨胀大小与湿度变化成线形正比关系,并且具有可重复性。

Yeo等人提出了一种基于聚酰亚胺材料封装的光纤光栅湿度传感器。传感器的封装及实验装置图如4.99所示。将一端切平的光纤光栅浸泡于聚酰亚胺液中,并使用步进电机控制光纤的涂覆厚度,为获得理想的涂覆效果,每一次浸渍涂层完毕,光纤光栅在150℃环境中处理5分钟,涂覆完毕后在180℃环境中处理1小时。

为了考察传感器的性能,合理化聚酰亚胺涂覆厚度,分别制作了不同厚度涂覆的光纤光栅湿度传感器,厚度为1017243342μm。传感器置于密封的湿度控制箱内,分别施加以233343537597%RH的湿度环境。实验结果如4.100所示。从图中可以看出光纤光栅反射波长变化与相对湿度变化成正比关系,而且光纤光栅反射波长变化大小决定于涂覆层厚度,涂覆层越厚,反射波长变化越大。


湿度传感器的时间响应特性受一系列因素的影响。包括材料内水分子的扩散速度、膨胀率以及材料的厚度。为考察传感器的时间响应特性,先将不同涂覆层厚度的光纤光栅湿度传感器置于一个33%Rh的密封箱内,随即将传感器放入75%RH的另一个密封箱内,实时监测传感器反射波长的变化。待信号稳定后,重复相反过程。实验结果如4.1014.102所示。对于涂覆厚度最大和最小的传感器,湿度上升响应时间分别为4518分钟,湿度下降响应时间分别为284分钟。这是由于水分子在聚酰亚胺材料内部扩散非线性造成的。



Yeo等人还对光纤光栅湿度传感器的湿度迟滞特性进行了实验研究。4.103101733μm涂覆层厚度传感器的湿度迟滞特性实验结果图。相对湿度以10%的量级从30%RH变化到60%RH,随即降低到30%RH。实验结果表明,光纤光栅湿度传感器的湿度迟滞效应很小(<5%RH),可以忽略。