南京大学学报(自然科学版) ›› 2018, Vol. 54 ›› Issue (6): 1075–1084.doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2018.06.003
段新春１，施 斌１*，孙梦雅１，魏广庆2，顾 凯１，冯晨曦１
Duan Xinchun1，Shi Bin1*，Sun Mengya1，Wei Guangqing2，Gu Kai1，Feng Chenxi1
摘要： 随着工农业生产等领域对湿度的准确、实时监测要求越来越高，进一步创新湿度监测技术具有重要的实际意义. 基于干湿球湿度测量原理与光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)感温原理，提出了一种新型的FBG蒸发式湿度计，通过试验率定，研究了其在不同纱布套厚度下的感湿性能. 结果表明：FBG蒸发式湿度计在包有两层纱布套的情况下感湿性能最稳定，干湿球系数A平均值达到0.001116. 随后通过试验验证了其用于环境湿度监测的可行性. 开展了FBG蒸发式湿度计在不同湿度差下的阶跃响应试验研究，结果表明：FBG蒸发式湿度计具有良好的响应特性，在湿度差为20%RH～60%RH下，响应时间为26～50 s. FBG蒸发式湿度计的响应特性在其本质上不受所处环境湿度值的影响，在高湿环境下稳定性高. FBG蒸发式湿度计具有抗电磁干扰、精度高、误差小、响应时间短、高湿环境下性能稳定等突出优点，为现代化的湿度测量提供了一种新的手段．
中图分类号:
| [1] Teodosiu C，Hohota R，Rusaoun G，et al. Numerical prediction of indoor air humidity and its effect on indoor environment. Building and Environment，2003，38(5)：655－664. [2] Yeo T L，Eckstein D，McKinley B，et al. Demonstration of a fibre－optic sensing technique for the measurement of moisture absorption in concrete. Smart Materials and Structures，2006，15(2)：N40－N45. [3] Valipour M. Importance of solar radiation，temperature，relative humidity，and wind speed for calculation of reference evapotranspiration. Archives of Agronomy and Soil Science，2015，61(2)：239－255. [4] Bibi F，Guillaume C，Vena A，et al. Wheat gluten，a bio－polymer layer to monitor relative humidity in food packaging：Electric and Dielectric Characterization. Sensors and Actuators A Physical，2016，247：355－367. [5] Barroca N，Borges L M，Velez F J，et al. Wireless sensor networks for temperature and humidity monitoring within concrete structures. Construction and Building Materials，2013，40：1156－1166. [6] Yeo T L，Sun T，Grattan K T V. Fibre－optic sensor technologies for humidity and moisture measurement. Sensors and Actuators A：Physical，2008，144(2)：280－295. [7] 周怡妃，梁大开，曾 捷等. 基于PI湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅湿度传感器. 光电子·激光，2011，22(11)：1597－1601.(Zhou Y F，Liang D K，Zeng J，et al. Research on relative humidity sensors based on distributed optical fiber bragg grating coated with polyimide moisture sensitive film. Journal of Optoelectronics·Laser，2011，22(11)：1597－1601.) [8] 吴静红，姜洪涛，苏晶文等. 基于DFOS的苏州第四纪沉积层变形及地面沉降监测分析. 工程地质学报，2016，24(1)：56－63.(Wu J H，Jiang H T，Su J W，et al. DFOS－based monitoring on quaternary sediments deformation and land subsidence in Suzhou，China. Journal of Engineering Geology，2016，24(1)：56－63.) [9] Cheng G，Shi B，Zhu H H，et al. A field study on distributed fiber optic deformation monitoring of overlying strata during coal mining. Journal of Civil Structural Health Monitoring，2015，5(5)：553－562. [10] Yan J F，Shi B，Zhu H H，et al. A quantitative monitoring technology for seepage in slopes using DTS. Engineering Geology，2015，186：100－104. [11] 唐天国，陈春华，刘浩吾. 分布式光纤传感用于大坝基座裂缝监测. 传感技术学报，2007，20(10)：2357－2360.(Tang T G，Chen C H，Liu H W. Application of distributed optical fiber sensors into crack monitoring of dam’s foundation. Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007，20(10)：2357－2360.) [12] 刘德明，孙琪真. 分布式光纤传感技术及其应用. 激光与光电子学进展，2009，46(11)：29－33.(Liu D M，Sun Q Z. Distributed optical fiber sensing technology and its applications. Laser & Optoelectronics Progress，，2009，46(11)：29－33.) [13] Zheng S J，Zhu Y N，Krishnaswamy S. Fiber humidity sensors with high sensitivity and selectivity based on interior nanofilm－coated photonic crystal fiber long－period gratings. Sensors and Actuators B：Chemical，2013，176：264－274. [14] Li T，Dong X Y，Chan C C，et al. Humidity sensor based on a multimode－fiber taper coated with polyvinyl alcohol interacting with a fiber bragg grating. IEEE Sensors Journal，2012，12(6)：2205－2208. [15] Woyessa G，Fasano A，Markos C，et al. Low loss polycarbonate polymer optical fiber for high temperature FBG humidity sensing. IEEE Pho－tonics Technology Letters，2017，29(7)：575－578. [16] Berruti G，Consales M，Giordano M，et al. Radiation hard humidity sensors for high energy physics applications using polyimide－coated fiber bragg gratings sensors. Sensors and Actuators B：Chemical，2013，177：94－102. [17] Giaccari P，Limberger H G，Kronenberg P. Influence of humidity and temperature on polyimide－coated fiber Bragg gratings ∥ Bragg Gratings，Photosensitivity，and Poling in Glass Waveguides. Washington DC，USA：OSA Publishing，2001：BFB2. [18] Kronenberg P，Rastogi P K，Giaccari P，et al. Relative humidity sensor with optical fiber Bragg gratings. Optics Letters，2002，27(16)：1385－1387. [19] Yeo T L，Sun T，Grattan K T V，et al. Characterisation of a polymer－coated fibre Bragg grating sensor for relative humidity sensing. Sensors and Actuators B：Chemical，2005，110(1)：148－156. [20] 向光华，忽满利，乔学光等. 基于聚酰亚胺材料的FBG湿度传感特性研究. 光电子·激光，2012，23(1)：41－45.(Xiang G H，Hu M L，Qiao X G，et al. Study on the characteristics of FBG humidity sensors based on polyimide. Journal of Optoelectronics·Laser，2012，23(1)：41－45.) [21] Alwis L，Sun T，Grattan K V. Analysis of polyimide－coated optical fiber long－period grating－based relative humidity sensor. IEEE Sensors Journal，2013，13(2)：767－771. [22] Lin Y，Gong Y，Wu Y，et al. Polyimide－coated fiber bragg grating for relative humidity sensing. Photonic Sensors，2015，5(1)：60－66. [23] Woyessa G，Nielsen K，Stefani A，et al. Temperature insensitive hysteresis free highly sensitive polymer optical fiber bragg grating humidity sensor. Optics Express，2016，24(2)：1206－1213. [24] 柴 敬，刘 奇，张 渤等. 基于聚酰亚胺的FBG湿度传感特性及细观特征研究. 光电子·激光，2016，27(3)：239－246.(Chai J，Liu Q，Zhang B，et al. Characterization and substructure morphology of a polyimide－coated FBG humidity sensor. Journal of Optoelectronics·Laser，2016，27(3)：239－246.) [25] 施纯峥. 基于宽谱光源的光纤布喇格光栅传感器解调技术的研究. 博士学位论文. 北京：清华大学，2004.(Shi C Z. Study on interrogation of fiber bragg grating sensors with a broadband source. Ph. D. Dissertation. Beijing：Tsinghua University，2004.) [26] 钱同生. 湿度计算公式的简化计算方法 湿度计算公式的简化方法. 南京化工大学学报，1998，20(2)：69－71.(Qian T S. Simplified formulae for atmospheric humidity. Journal of Nanjing University of Chemical Technology，1998，20(2)：69－71.) [27] 黄晓因，徐丽芬. 高温环境下相对湿度测量误差及干湿球系数计算. 气象科技，2005，33(4)：367－369，372.(Huang X Y，Xu L F. Measuring error analysis of relative humidity and calculation of psychrometric coefficient at high temperature. Meteorological Science and Technology，2005，33(4)：367－369，372.) [28] 周庆福，吕国义，杨永军. 湿度传感器动态响应特性校准研究. 陶瓷学报，2008，29(3)：290－292.(Zhou Q F，Lv G Y，Yang Y J. Preliminary exploration on calibration for dynamic response of humidity sensor. Journal of Ceramics，2008，29(3)：290－292.) [29] 王 洋，王晓蕾，李 萍等. 温度和风速对湿度传感器动态特性的影响. 气象科技，2012，40(6)：910－913.(Wang Y，Wang X L，Li P，et al. Influence of temperature and wind velocity on dynamic characteristics of humidity sensor. Meteorological Science and Technology，2012，40(6)：910－913.) |
| [1] | 殷文正，姜卫东*，陶 金. 基于禁忌搜索算法的AUV动态路径规划策略[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2017, 53(1): 144-. |
| [2] | 胡 石1，2，李光辉1，2，3*，冯海林1，2. 基于Topk(σ)的无线传感器网络异常数据检测算法[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2016, 52(2): 261-. |
| [3] | 马小燕1*，殷 杰2. 基于九轴传感器的可穿戴式微功耗实时震颤监测系统[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2016, 52(2): 390-. |
| [4] | 李霞*，赵冬雪. 基于多信道的簇结构水声传感器网络容量分析与研究[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2015, 51(7): 21-. |
| [5] | 殷文正1，刘胤祥1,2，姜卫东1＊. 基于AUV运动控制的水下传感器网络部署策略[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2015, 51(7): 116-. |
| [6] | 刘鹍鹏1,2， 姜卫东1＊. 基于感知因子的水下传感器节点覆盖模型研究[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2015, 51(6): 1203-1209. |
| [7] | 曹磊1,3，韩涛2，张婧2，沈航3，白光伟3. 无线多媒体传感器网络拥塞感知的流控制机制[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2014, 50(2): 173-. |
| [8] | 刘 群1，顾 金1，张足生2. 基于无线传感器网络的车辆分型算法[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2013, 49(5): 655-663. |
| [9] | 徐方迁1，王艳清1，王文2 . 基于声表面波反射延迟线无线传感器的理论分析与设计[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2013, 49(1): 46-51. |
| [10] | 周雷1，喻言2**，李志瑞2，王洁3，孙贞1，欧进萍4 . 海洋平台振动采集的超低频无线传感器设计*[J]. 南京大学学报(自然科学版), 2011, 47(4): 414-419. |
| [11] | 宋明太, 周凤梅, 范 理, 张淑仪 ** . ZnO/ 36?YX- LiTaO 3 结构的 Love 波免疫传感器灵敏度研究* [J]. 南京大学学报(自然科学版), 2011, 47(2): 182-188. |
| [12] | 吉林 1 , 丁华平 2 , 沈庆宏 2 ** . 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测* [J]. 南京大学学报(自然科学版), 2011, 47(1): 19-24. |
|