光电技术在湿度传感器中的应用研究

　　摘 要：对于每一个行业来说，在测量地质水文情况时，湿度都是一个重要的物理量，在许多条件下必须对环境的湿度进行测量。随着我国科技水平的不断发展，与现代化意义相适应的湿度传感器技术已经发展到较为成熟的水平。本文主要从测量原理的角度出发，详细地介绍并总结了光电湿度传感器及其应用的方法，并阐述了湿度传感器未来发展的主要方向。

　　关键词：湿度传感器;光纤光栅;薄膜;光纤传感器;平面波导

　　引言：

　　现阶段，低温条件下的湿度测量技术已经达到了非常成熟的水平，被广泛地应用于医疗、仓储、食品、纺织等各个行业，并有着成熟的商业化商品。相对一些高新行业而言，比如：发电变电、工业管道、高炉、航空航天、陶瓷生产等等，对湿度测量的要求较高，因此，需要发展新型的湿度传感器以适应恶劣条件下的精确测量。

　　一、湿度的概念

　　湿度是指空气的干湿程度，常被用来表示各种物理量，例如：绝对湿度、相对湿度、比较速度、饱和差等。另外，蒸汽的湿度也包括在内，其表示湿蒸气中液态水分的质量占蒸汽总质量的百分比。一般条件下，在同一个大气压下空气温度越高，其湿度的极限值就越大。

　　(一)绝对湿度

　　绝对湿度是指在一定体积的空气中含有水蒸气的质量，它的单位是克每立方米，当绝对湿度达到饱和状态时则称为最高湿度。

　　(二)相对湿度

　　相对湿度表示在一定大气压强的水蒸气的饱和度，是绝对湿度和最高湿度的比值。当相对湿度的数值达到百分之百时，空气就达到了水蒸气的饱和值。同一大气压强下，随着温度的升高，空气的最高湿度越高。另外，依据相对湿度和温度的数值，也可以换算出表示温度的其它参数。

　　二、光电式湿度传感器研究路程

　　目前，市面上出现的湿度传感器的种类繁多，根据材料划分可分为半导体陶瓷湿度传感器、电解质湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器三种类型;根据测量方式可分为光电式湿度传感器和电阻式湿度传感器等等。

　　(一)光敏模式的湿度传感器

　　光敏式湿度传感器的用处良多，可以应用于测量多种气体的组成成分，其中就包括相对难以测量的水。使用相对合适的薄膜材料测量待测气体，就可得出其精确的组成数值。这种湿度传感器的应用原理是不同温度下空气与敏感膜材料接触，产生的不同的光学参数数值。并且，根据膜材料不同的反应原理，还可将其划分为通过光吸收的湿度传感器以及通过荧光效应反应的湿度传感器，而后一种通常采用光纤来作为接受信号的光传输媒介。

　　光敏薄膜式的湿度传感器能够得到良好的应用，其最核心的部分就是湿度敏感材料的选择，选择一种兼具强选择性和敏感性的材料很重要。例如：一种典型的材料结晶紫，它本身是一种含有三个氮苯基末端基团的阳离子染料，因为其本身的性质当膜含水量增加时，由于磺酸基的酸性减弱，该材料就会由原来的颜色转变为绿色，当检验时，测量吸光度和湿度的关系就变得很容易。

　　对于光敏模式的湿度传感器，在湿度测量技术中，会使用到分子探针和化学传感膜，相关探头的设计和分子探头的选择是使用这种湿度传感器的核心。实际情况下，选择一种适合光敏传感器的传感膜并不容易，第一，要选择与待测气体的共存气体不具有影响的传感膜，这种湿度传感膜很容易受到二氧化碳等气体的影响。第二，要在适宜的温度下测量出传感膜的光学性质，并根据所测出的数据进行定量分析和总结。使用光敏模式传感器之前，需要对标准的湿度进行标定。因此，这种类型的湿度传感器，不仅适用于对光敏薄膜较敏感的环境，还可以适用于实验室内的测量。另外，为了保证做测量湿度的精准，需要更进一步的改良传感膜的材料和结构，选择一种更加敏感、速度更快、更高水平的传感膜。

　　(二)光纤氏湿度传感器

　　光纤式湿度传感器，是一种以光纤作为敏感媒介的，由自组织锥形光纤构成的湿度传感器。该种传感器的结构总体上呈现锥形，是由一段单模的光纤从中间部分转变为锥形，而且要保证锥形的一段保持均匀的直径，并且所使用敏感的复合材料将均匀直径部分包裹成哑铃型。总体结构轻便、紧凑、体积较小，适合各种条件下的湿度测量。

　　(三)光纤光栅式湿度传感器

　　相对于其它结构的湿度传感器，光纤光栅的整体结构更加紧凑。另外，还可以使用波长测量的方法直接测量出待测物理量，这提高了测量的精准度，测量速度极快，而且可以同时测量温度和湿度。如果想要更好地发挥其作用，只需要通过选择湿膨胀线性具有优势的材料，整体上会出现良好的测量质量。另外，该传感器使用的是双FBG结构，需要同时使用光谱仪和双波长的光源。虽然在使用光通信技术的前提下，可以使用以上仪器和光源，但整体系统成本较高。

　　(四)波导式湿度传感器

　　波导式湿度传感器能够在较低的湿度范围内依然具有较高的灵敏性，特别适合用于低湿度环境中对湿度严格控制的场合。另外，该种湿度传感器的反应迅速，各种器件响应速度也很快，通过调整整个制备的过程可以优化响应速度的参数。由于这种传感器的制作工艺和传统意义上的制作过程相匹配，所以就可以使用现有的材料实现传感器的组装。但波导式湿度传感器有一个难以弥补的缺点，就是对设备各零部件的要求极高，而且工艺程序复杂，不适合应用于器件的批量生产。

　　(五)其它光电氏湿度传感器

　　现阶段，随着我国整体的科技水平的提高，微机电系统技术也迅速发展起来，这就意味着微电子技术制造工艺处于一个较高的水平。因此将微光电系统应用于湿度传感器领域是湿度传感器测量技术的又一大进步，在结构上使湿度传感器更加微型化，加工更加精细化，更容易处理部分集成信号的问题。

　　三、光电技术在湿度传感器领域的使用和推广

　　将光电技术应用于湿度传感器的领域，促进了湿度传感器金属水平的提高，并且增加了非接触检测和无损检测的精度值，对传感器技术水平的提高提供了技术支持和条件需求，为传感器新产品的出现提供了前提和保障。

　　技术人员在规定理想的湿度传感器时，有很多的要求，包括物理特性和化学特性两方面。在物理特性上，要求传感器要具有制造工艺简单、体积小、抗高压、抗低温、抗腐蚀、寿命长、稳定性强、测量精准度高的优势;在化学特性上，则要求传感器的灵敏度高、线性度好、温度系数小。将光电技术应用于湿度传感器领域的一个实例，就是光敏薄膜式湿度传感器。该传感器采用的气体分布检测方法，操作简便且容易施行，只需寻找到与水气敏感度相适应的光电材料，便可以使用这一类型的湿度传感器。但无论任何一种材料都很难达到传感器多方面的使用要求，所以需要使用复合性能较强以及寿命较长的材料。除此之外，还由于其测量的设备比较特殊，测量的方法也有局限，因此一般适用于实验室的湿度测量。

　　采用特殊的光纤或者是光纤光栅可以直接作为敏感材料湿度传感器的传感膜，是极为理想化的一种材料，这是因为光纤具有优异的光学特性和极高的光纤加工水平。首先，这种光电式湿度传感比普通的湿度传感器的模式更加紧凑、便捷，整体结构上也有所简化，节省成本投资;其次，光纤在恶劣的条件中，能够依靠它本身抗电磁干扰和抗高温的特殊性质发挥优势，扩展了湿度传感器的测量范围，为未来传感器应用于极端环境测量的发展提供了指导方向。

　　综上所述，将光纤技术应用在湿度传感器中，不仅提高了湿度传感器的测量精准度，而且为各种条件下湿度的测量提供更高的技术支持。未来湿度传感器测量领域将会面临着新的挑战，这就要求相关的设计人员不断地提高自身的技术水平，完善自身素质，为未来湿度传感器的发展作出贡献。

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