聚酰亚胺/聚乙烯醇湿敏材料性能对比分析

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2022.02.007

摘要/Abstract

摘要：

湿度是仓储、民爆等领域一个重要的环境参量,湿敏材料感湿特性直接决定了传感器本身的性能优劣。选择光纤湿度传感器最常用的两种湿敏材料聚酰亚胺和聚乙烯醇作为研究对象,通过在光纤布拉格光栅表面涂覆两种不同的湿敏材料,分别对传感器的灵敏度、响应时间、长期稳定性进行测试。实验结果显示:涂覆聚酰亚胺的湿度传感器线性度可达99.98%,灵敏度为5.4 pm/%,响应时间为9.7 min,最大波长偏移量为5.6 pm;涂覆聚乙烯醇的湿度传感器在相对湿度60%~90%的高湿范围内具有更高的灵敏度,因此更适于高湿环境下的湿度测量。

关键词: 光纤光栅, 湿敏材料, 聚酰亚胺, 聚乙烯醇

Abstract:

Humidity is a significant environmental parameter in storage, civil explosives business, and other fields. The performance of humidity-sensitive materials directly determines the quality of sensors. Polyimide and polyvinyl alcohol, the most commonly used humidity-sensing materials in optical fiber humidity sensors, were selected as the research objects. The humidity sensors were fabricated by coating two different humidity-sensitive materials on the surface of the fiber Bragg grating and their sensitivity, response time, and long-term stability were tested and compared. Results show that the linearity of the humidity sensor coated with polyimide is 99.98%, the sensitivity is 5.4 pm/%, the response time is 9.7 min, and the maximum wavelength shift is 5.6 pm. The humidity sensor coated with polyvinyl alcohol has a higher sensitivity in the range of relative humidity 60%~90%, which makes polyvinyl alcohol-based humidity sensors more suitable for humidity measurement in high-humidity environments.

Key words: fiber Bragg grating, humidity-sensitive material, polyimide, polyvinyl alcohol

中图分类号:

TP212

冯锦来. 聚酰亚胺/聚乙烯醇湿敏材料性能对比分析[J]. 山东科学, 2022, 35(2): 54-59.

FENG Jin-lai. Properties comparative analysis of polyimide/polyvinyl alcohol-based humidity-sensitive materials[J]. Shandong Science, 2022, 35(2): 54-59.

图/表 6

表1

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参考文献 17

[1]	HUANG X F, SHENG D R, CEN K F, et al. Low-cost relative humidity sensor based on thermoplastic polyimide-coated fiber Bragg grating[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 127(2): 518-524. DOI: 10.1016/j.snb.2007.05.007. doi: 10.1016/j.snb.2007.05.007
[2]	WANG B, TIAN J J, HU L, et al. High sensitivity humidity fiber-optic sensor based on all-agar fabry-perot interferometer[J]. IEEE Sensors Journal, 2018, 18(12): 4879-4885. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2828134. doi: 10.1109/JSEN.2018.2828134
[3]	YAN H T, HAN D F, LI M, et al. Relative humidity sensor based on surface plasmon resonance of D-shaped fiber with polyvinyl alcohol embedding Au grating[J]. Journal of Nanophotonics, 2017, 11: 016008. DOI: 10.1117/1.JNP.11.016008. doi: 10.1117/1.JNP.11.016008
[4]	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[J]. 光电子·激光, 2012, 23(1): 41-45.DOI: 10.16136/j.joel.2012.01.010. doi: 10.16136/j.joel.2012.01.010
[5]	LIN Y, GONG Y, WU Y, et al. Polyimide-coated fiber Bragg grating for relative humidity sensing[J]. Photonic Sensors, 2015, 5(1): 60-66. DOI: 10.1007/s13320-014-0218-8. doi: 10.1007/s13320-014-0218-8
[6]	王勇能, 沈常宇. 基于马赫-曾德干涉的光纤湿度传感器[J]. 中国计量大学学报, 2019, 30(4): 463-467. DOI: 10.3969/j.issn.2096-2835.2019.04.011. doi: 10.3969/j.issn.2096-2835.2019.04.011
[7]	刘欣, 李金泽, 孙浩. 采用多模光纤级联布拉格光栅的温湿度传感器[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版), 2020, 47(3): 92-96. DOI: 10.19665/j.issn1001-2400.2020.03.013. doi: 10.19665/j.issn1001-2400.2020.03.013
[9]	YEO T L, SUN T, GRATTAN K T V, et al. Polymer-coated fiber Bragg grating for relative humidity sensing[J]. IEEE Sensors Journal, 2005, 5(5): 1082-1089. DOI: 10.1109/JSEN.2005.847935. doi: 10.1109/JSEN.2005.847935
[10]	苗银萍, 刘波, 刘健, 等. 基于倾斜光纤光栅的相对湿度传感器[J]. 光电子·激光, 2010, 21(7): 978-982. DOI: 10.16136/j.joel.2010.07.032. doi: 10.16136/j.joel.2010.07.032
[11]	HU P B, DONG X Y, NI K, et al. Sensitivity-enhanced Michelson interferometric humidity sensor with waist-enlarged fiber bitaper[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 194: 180-184. DOI: 10.1016/j.snb.2013.12.081. doi: 10.1016/j.snb.2013.12.081
[12]	WANG W J, SUN T P, PENG J K, et al. Humidity sensor based on fiber Bragg grating coated with different pore-foaming agent doped polyimides[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2017, 29(22): 1963-1966. DOI: 10.1109/LPT.2017.2757946. doi: 10.1109/LPT.2017.2757946
[13]	HILL K O, MELTZ G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview[J]. Journal of Lightwave Technology, 1997, 15(8): 1263-1276. DOI: 10.1109/50.618320. doi: 10.1109/50.618320
[14]	YEO T L, SUN T, GRATTA N K T V, et al. Characterisation of a polymer-coated fibre Bragg grating sensor for relative humidity sensing[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 110(1): 148-156. DOI: 10.1016/j.snb.2005.01.033. doi: 10.1016/j.snb.2005.01.033
[15]	王涛, 王纪强, 赵林. 粮仓光纤温湿度监测技术研究[J]. 粮油仓储科技通讯, 2019, 35(6): 49-52. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1943.2019.06.015. doi: 10.3969/j.issn.1674-1943.2019.06.015
[16]	全国物理化学计量技术委员会. 饱和盐溶液标准相对湿度值: OIML R_121[S]. 北京: 全国物理化学计量技术委员会, 2000.
[17]	国家质量监督检验检疫总局. 湿度传感器校准规范: JJF 1076—2001[S]. 北京: 中国计量出版社, 2004.

技术性能	指标
发生范围	温度5~50 ℃;相对湿度7%~95%(23 ℃)
探头精度	温度±0.1 ℃;相对湿度±0.8%
系统精度	温度±0.1 ℃; 相对湿度±1%(23 ℃,7%~80%);±1.5%(23 ℃,80%~90%)
稳定性	温度±0.1 ℃;相对湿度±0.2%

[1]	马龙, 张发祥, 刘小会, 王英英, 王昌, 李惠. 基于双光纤光栅的流速传感器设计[J]. 山东科学, 2022, 35(6): 109-115.
[2]	赵新富, 曹格格, 伊希斌, 赵冠伟, 聂义昊, 郭艳俊, 房长龙. 含有生物质纤维的聚酰亚胺薄膜的制备及性能测试[J]. 山东科学, 2022, 35(5): 53-60.
[3]	杨耀忠, 段鸿杰, 牟菁. 基于波纹管杠杆组合结构的光纤光栅压力传感器设计[J]. 山东科学, 2019, 32(2): 42-46.
[4]	李三喜，马龙，吕京生，张发祥，刘小会,赵庆超，李惠,王昌 . 用于油井温度剖面快速测量的高精度光纤光栅温度传感器设计[J]. 山东科学, 2018, 31(3): 55-60.
[5]	李振，王纪强，赵林，刘统玉. 基于差分结构的光纤光栅应变传感器温度补偿[J]. 山东科学, 2017, 30(5): 50-54.
[6]	刘媛，赵林，王纪强，侯墨语，李振. 变压器绕组光纤光栅温度传感器的优化设计[J]. 山东科学, 2017, 30(2): 55-60.
[7]	吕京生，张发祥，赵强，姜劭栋，张晓磊，王昌. 高响应速度光纤光栅海洋温度传感器设计与仿真研究[J]. 山东科学, 2017, 30(1): 59-63.
[8]	张文浩,刘统玉,石智栋,姜龙,魏玉宾,王纪强,王凤雪. 基于光纤传感技术的电力机车受电弓状态监测系统[J]. 山东科学, 2016, 29(3): 60-64.
[9]	赵维崧，岳建会，李军，魏玉宾. 一种适用于骨肿瘤热疗的光纤光栅测温传感器[J]. 山东科学, 2015, 28(3): 55-59.
[10]	李淑娟,王昌,闵力,刘小会. 光纤光栅传感器在机电设备振动监测中的应用[J]. 山东科学, 2015, 28(3): 60-64.
[11]	李艳芳,岳建会，孟辉. 基于光纤传感技术的瓦斯抽采管道安全监测系统[J]. J4, 2014, 27(3): 51-56.
[12]	黄平平，王昌，刘小会，郭健. 基于光纤光栅的铁塔摆幅监测方法研究[J]. J4, 2013, 26(1): 51-55.
[13]	宋志强, 张复荣, 赵林, 周忠, 刘统玉. 光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究[J]. J4, 2011, 24(5): 18-21.
[14]	吕京生, 郭士生, 王昌, 闫波. 一种新型光纤油井井下压力传感器[J]. J4, 2011, 24(2): 47-50.