研究论文（Articles）
光纤布拉格光栅湿度传感器研究
丁宏伟，金永君
黑龙江科技学院数力系，哈尔滨150027
摘要
基于光纤布拉格光栅（FBG）的应力传感特性，提出了一种湿度传感方法，给出了湿度传感器的设计和实验测量系统。理论推导
显示，涂有湿敏材料的FBG对湿度的传感可转化为对应变的快速响应，结合温度的有效补偿，可以共同反映在FBG中心反射波长的漂移上。研究结果表明，FBG湿度传感器能在较大温度范围内保持线性特性，并具有稳定性持久、响应速度快等优点。
关键词光纤布拉格光栅；湿度传感；湿敏材料
中图分类号TN218文献标识码A文章编号1000-7857(2008)22-0054-04
StudyonFBGHumiditySensor
DINGHongwei,JINYongjun
DepartmentofMathematicsandMechanics,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,China
象、微震动、声音、磁场、电压、电流等非光学量的光学测量。
随着工农业的发展和科学技术的进步，湿度测量显得越来越重要，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。在现有的温度-湿度传感器中，湿度参量的高精度测量比温度参量要困难得多。电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快，以及信号易于处理和控制等优势，在市场中占据了主导地位，但存在着长期稳定性较低、互换性差等不足;而毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于测量精度、响应速度、信号处理和控制等因素的制约，应用范围非常有限[7-9]。
考虑到FBG特有的稳定性好、抗电磁干扰能力强等优点，本研究小组提出一种以FBG为基础、以改性的聚酰亚胺（PI）为湿敏材料的FBG湿度传感器。它兼有传统湿度传感器的优点，并可克服其不足。
AbstractThispaperproposesanewhumiditysensingmethod,
(FBG)strainsensing.A
togetherwiththedesignofhumiditysensorandthemeasuringsystembasedonFiberBraggGrating
theoreticalanalysisshowsthattheFBGcoveredbyhumidity-sensitivematerialscanrespondquicklytothevariationofhumiditythroughthatofstrainwitheffectivecompensationofthetemperature,bothreflectedintheBraggcenterreflectionwavelengthchange.TheexperimentalresultsshowthatFBGhumiditysensorcankeeplinearcharacteristicswithinawidetemperaturerangewithlong-termstabilityanditsfastresponsespeedcannotbereachedbytraditionalhumiditysensors.
1FBG的基本传感原理
光纤光栅主要是指在光纤中建立一种周期性的折射率
分布，它只对特定波长的光具有反射作用。当大带宽的光通过FBG时，只有以Bragg波长为中心波长的窄带的光被反射（图1）。根据耦合模理论，FBG的光栅方程为[10]
KeywordsfiberBragggrating;humiditysensing;humidity-
sensitivematerial
λB=2neffΛ
自K.O.Hill等[1]1978年首次成功地在掺锗光纤中写入光栅以来，经过20多年的发展，光纤光栅的写入方法不断完善，光栅的光敏性不断提高。光纤光栅以造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优势，被广泛应用于通信、传感等领域[2-6]。特别是，光纤Bragg光栅（FBG）是性能优良的敏感元件，其中心反射波长随着温度、应力等物理量的变化而变化。通过设计敏感结构进行非光学物理量的转换，可以实现压力、温度、气
收稿日期：2008-08-29
基金项目：黑龙江省教育厅2008年度科学技术研究项目（11531331）
作者简介：丁宏伟，哈尔滨市松浦区糖厂街1号黑龙江科技学院数力系，讲师，E-mail:[email protected]
（1）
其中，λB为FBG的反射波中心波长（Bragg波长）；neff为光纤光栅的有效折射率；Λ为光纤光栅的周期（图1）。应力、温度等的任何扰动都可能引起neff和Λ的变化，从而使光栅的中心反射波长发生漂移，这是构成传感的基础。
当FBG发生微小应变时，Bragg波长会发生漂移。这可由对式（1）求全微分得到
dλB=2dneffΛ+2neffdΛ
两端除以式（1），可得
（2）
54科技导报2008，26（22）
研究论文（Articles）
图1
光纤Bragg光栅传感原理和结构
Fig.1SensingprincipleandstructureofFBG
dλ=dnn+dΛ
λ（3）
BeffΛ
则由应变引起的周期的变化为
dΛ=ε
（4）
其中ε为轴向应变。当光纤光栅受到应变作用时，由弹光效
应引起的有效折射率变化为
dneff=－Pe
ε
（5）
eff
其中，P2
e=neff[P12－μF(P11+P12)]为有效弹光系数，P11、P12为弹光系
数，μF为光纤材料的泊松比。把式（4）、（5）代入式（3），可得光纤光栅在受到应变作用时的波长漂移量为
dλB=(1－Pe
)ε
（6）
B
2湿度传感
光纤光栅对湿度变化敏感性很差，导致波长漂移很小。
为了有效地对湿度传感，需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料（例如碳纤维复合材料或聚酰亚胺），其结构如图2所示。当湿度变化时，由于光纤表面涂层湿敏材料的膨胀，引起光纤光栅的应变响应。这样可把对湿度传感的问题转化为光纤光栅对应变的响应问题。
图2
湿敏材料涂层结构
Fig.2Structureofmoisturesensitivecoatingmaterial湿敏材料吸湿将发生湿膨胀，这里把因吸湿膨胀引起的光纤光栅的应变称为湿应变，可表示为
[11]
乙ΔY
εM=
β(Y,T)dY
（7）
式中，β为湿敏材料和光纤所组成的复合材料的湿膨胀系数，
Y为湿度。
由弹性理论可以推出湿膨胀系数为[12]
β(Y,T)=βCEVM乙1－
(EFVF/EMVM)
乙
（8）
式中，βM、VM、EM分别为湿敏材料的湿膨胀系数、体积、弹性模量；VF、EF为光纤光栅的体积、弹性模量；C0为湿敏材料与光
纤的黏接系数。如图2所示，将VF=πr2F，VM=πr2
M带入式（8），整
理得
β(Y,T)=βF
M乙
1－
EFr2FF
MMC0
F乙
（9）
代入式（7），可得光纤应变为
εM=βM乙
1－
EFr2F
（10）
FFMMC0ΔYF乙
令C1=1－
EFr2F
EFr2C0，则上式可简写为F+EM(r2M－r2
F)
εM=βMC1ΔY
（11）
至此可以看出，只要能够测出图2中光纤光栅的Bragg反射波长的漂移量，把式（6）和（11）结合起来就可确定湿度的影响。但FBG除对应力敏感外，对温度同样敏感，有必要对湿度测量进行温度补偿。
3温度补偿
进行温度补偿时，需考虑温度对FBG本身的影响、温度
对湿敏材料的影响。
3.1
温度对FBG和湿敏材料的影响
当温度发生变化时，由于热膨胀引起FBG的周期变化为
ΔΛΛ
=α·
FΔT（12）
其中αF为热膨胀系数。
当温度变化时，由于热光效应引起的光栅有效折射率的变化为
Δneff=ξ·
FΔT（13）
eff
把式（12）和（13）代入式（3），可得因温度变化引起的Bragg波
长漂移量为
ΔλB=(αF+ξF)·ΔT（14）
B
由于温度的变化还会引起湿敏材料的热膨胀，其热膨胀
对光纤光栅应变的影响可表示为
εT=(αM－αF·)ΔT
（15）
其中，εT为湿敏材料热膨胀所引起的应变，αM为湿敏材料的
热膨胀系数，αF为光纤的热膨胀系数。
考虑到温度的影响，实际FBG的Bragg反射波长漂移量可联合式（6）、（11）、（14）和（15）给出，
ΔλB=(1－Pe)C1βMΔY+[(1－Pe)(αM－αF)+αF+ξF
]ΔT
（16）
B
令温敏系数KT=(1－Pe)(αM－αF)+αF+ξF，湿敏系数KM=(1－Pe)C1βM，
则可将上式简写为
Δλλ=KMΔY+KT
ΔT
（17）
B
3.2
湿度传感的设计
由式（17）可以看出，温度和湿度作用于FBG引起的波长漂移量是线性叠加的，为了得到湿度的精确传感，就须知道
FBG对温度的响应。为此设计在同一光纤上写入两段光栅并
涂上湿敏涂层。
科技导报2008，26（22）55
如图3所示，其中FBG1可同时响应温度和湿度；FBG2外表面附着一层温敏材料（如铝），隔离湿敏涂层免受湿度的影响而对温度作出响应。
图3
感温/湿光纤光栅结构示意
Fig.3StructureoftheFBGtemperatureandmoisture两个光纤光栅的波长漂移量可根据式（17）计算得到。
ΔλB1=KT1ΔT+KM1
ΔY
（18）B1
ΔλB2=KT2
ΔT
（19）
B2
由此可知，通过分别测量FBG的波长漂移量，可求得温
度变化量ΔT、湿度变化量ΔY。
4湿度传感测量系统和测量结果分析
4.1FBG湿度测量系统
对于FBG波长漂移的测量，采用密集波分复用器（DWDM）的滤波曲线进行测量。DWDM的测量波长漂移具有多通道、动态测量的优点。FBG湿度测量设置如图4所示。宽谱光源（ASE）发出的光经过耦合器、分路器（splitter）分为多路，分别连到FBG上。而每个FBG的中心反射波长都不同，从多路FBG反射回来的光经过分路器成为一路，再经过环形器到达DWDM，DWDM的每一个通道对反射光进行滤波。滤波后的信号包含了FBG的反射中心波长信号，每一路的波长信号通过光电信号并放大进行检测，把测得的FBG波长变化输入计算机进行数据处理。显然，只要测得FBG，光纤光栅的波长漂移量便能通过式（18）、（19）求出湿度。
图4
FBG光纤光栅测量湿度实验设置
Fig.4ConstructionofmoisturemeasurementwithFBG
4.2主要技术参数及测量结果
实验中，所用PI湿敏薄膜由PI-2270聚酰亚胺在高温下
脱水环化制成，其湿线膨胀系数为7.2×10-5%，热线膨胀系数为4.5×10-5℃，泊松系数为0.4。经测定，本次试验用的PI湿敏薄膜厚度为8.2μm，杨氏模量为2.7×109Pa。在掺锗石英光纤中写入两段不同的光栅，其中FBG1的中心反射波长为
1315.15nm，FBG2的中心反射波长为1305.02nm。掺锗石英
56科技导报2008，26（22）
研究论文（Articles）
光纤的热线膨胀系数为5.8×10-7℃，热光系数为7.25×10-6℃，泊松系数为0.29，杨氏模量为7.4×1010Pa。湿敏材料与FBG的界面黏接系数根据经验取为0.9，FBG的弹光系数为0.22。根据以上数据可确定湿度灵敏系数为
KT1=9.02×10－6KKT2=6.35×10－6KKM1=2.80×10－6%
实验发现，FBG湿度传感器的动态响应时间低于10s，湿滞回差小于±2%。而且在较大的温度范围内保持线性（图
5）。利用实验结果，确定计算灵敏系数为
KT1=9.08×10－6KKT2=6.30×10－6KKM1=2.85×10－6%
与实验前的估计结果有微小差异。
图5
湿度的理论计算结果
Fig.5Theoreticcalculationresultsofmoisture另外，从图6可看出，FBG湿度传感器能保持长时间的稳定性，明显优于电量湿度传感器。可见FBG在涂覆湿敏材料和用温敏材料进行封装之后其响应范围更宽，灵敏度更高，更能保持长期的稳定性。
图6湿度测量的长期稳定性
Fig.6Long-termstabilityofrelativehumidity
measurment
5结论
通过理论推导给出了湿度传感的基本原理，得出了温度
补偿下的湿度测量公式；通过对光纤写入不同反射波长的光栅，其中一个对于湿度和温度都有响应，另一个在封闭的情况下只对温度响应，从而给出了一个实际中可行的FBG湿度传感的新颖设计。实验结果显示，FBG湿度传感优于传统湿度传感。
另外，FBG湿度传感器受到很多工艺和技术问题的影
研究论文（Articles）
响，如湿敏材料涂层厚度、光纤包层半径、环境因素等对温度和湿度的传感都有影响，还有待进一步的研究和突破。
参考文献（References）
[1]HillKO,FujiiY,JohnsonDC,etal.Photosensitivityinopticalwaveguides:Applicationtoreflectionfilterfabrication[J].JApplPhysLett,1978,32:647-649.
[2]KimKi-Soo.DynamicstrainmeasurementwithfiberBragggratingsensorsystemforsmartstructure[J].KeyEngineeringMaterials,2004,270-273:2114-2119.
[3]苑立波,光纤光栅原理和应用[J].光通信技术,1998,22(1):70-72.YuanLibo.OpticalCommunicationTechnology,1998,22(1):70-72.[4]陈海峰,肖立志,张元中,等.光纤Bragg光栅在油气工业中的若干应
用及进展[J].地球物理学进展,2006,21(2):572-577.
materialswithaspatial/wavelength-divisionmultiplexedfibergratingnetwork[J].OpticsLetters,1996,21(9):683-685.
[7]QiuYY,AzeredoLR,AlcacerJE,etal.ACMOShumiditysensorwithon-chipcalibration[J].SensorandActuatorsA,2001,92:80-87.[8]GerlachG,SagerK.Apiezosistivehumiditysensor[J].SensorandActuatorsA,1994,43:181.
[9]张向东,李育林,彭文达,等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现
[J].光子学报,2003,32(10):1167-1169.
ZhangXiangdong,LiYulin,PengWenda,etal.ActaPhotonicaSinica,2003,32(10):1167-1169.
[10]KerseyAD,DavisMA,PatrickHJ,etal.Fibergratingsensors[J].
JournalofLightwaveTechnology,1997,15(18):1441-1463.
[11]BuchholdR,NakladalA,GerlachG,etal．Mechanicalstressinmicro-machinedcomponentscausedbyhumidity-inducedin-planeexpansionofthinpolymerfilms[J].ThinSoildFilms,1998,312(1-2):232-239.[12]黄雪峰,盛德仁,陈坚红,等.布拉格光纤光栅测量湿蒸汽两相流温/
湿度的理论数学模型[J].中国电机工程学报,2006,26(7):42-48.
ChenHaifeng,XiaoLizhi,ZhangYanzhong,etal.ProgressinGeophysics,2006,21(2):572-577.
[5]KerseyAD,BerkoffTA,MoreyWW.MultiplexedfiberBragggratingstrain-sensorsystemwithafiberfabry-perotwavelengthfilter[J].OpticsLetters,1993,18:1370-1372.
[6]RaoYJ,JacksonDA,ZhangL,etal.Strainsensingofmoderncomposite
HuangXuefeng,ShengDeren,ChenJianhong,etal.ProceedingsoftheCSEE,2006,26(7):42-48.
（责任编辑陈广仁）
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·学术动态··学术动态·
“2009年中国密码学与信息安全会议”征文
由中国密码学会主办的“2009年中国密码学与信息安全会议”将于2009年10月17-18在北京召开。会议正在征稿，内容主要包括：
现代密码学理论、技术与应用；网络安全；融合网络安全；网络攻防；访问控制；认证与授权；入侵检测；网络安全监控；生物安全；操作系统安全；信息系统安全；软件安全；计算机病毒与蠕虫对抗；数据库安全；电子商务安全；网格安全；数字内容安全；信息隐藏与数字水印；数字版权管理；密钥管理与密钥恢复；风险评估与安全认证；安全模型；安全协议；可信计算；可信软件；信息对抗；信息安全管理；容灾备份；网络编码；密码学专业教育教学理论与实践；信息安全类专业教育教学理论与实践。
优秀英文论文将推荐至《中国通信（ChinaCommunica-
水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放课题开始申请
据国家重点实验室网站消息：水力学与山区河流开发保护国家重点实验室日前发布2008年度开放课题申请指南。
水力学与山区河流开发保护国家重点实验室是我国水利水电与河流工程领域第一个获准的国家重点实验室。实验室的主要研究方向为：高速水力学与高坝工程；河流动力学与山区河流工程；环境水利学与山区河流保护；大坝与库岸安全；水信息学与水利新技术。
该实验室现面向国内接受2008年开放课题基金的申请。凡符合以上研究方向的研究课题，均可向实验室提出开放基金的申请。资助金额因研究内容而定，资助经费最高5万元，年限为2年。
基金申请人需具备副高级以上技术职称或确定来本实验室进行博士后工作的博士学位获得者。
tions）》（SCIE收录）发表，优秀中文论文将推荐至《通信学报》（Ei收录）发表，其他被录用的论文将收入至由国防工业出版社正式出版的会议论文集。全文截稿日期为：2009年5月15日。
会议网站：http://www.leaderstudio.cn
通信地址：北京市海淀区西土城10号北京邮电大学
287信箱（100876）冯幼荣，段晓光
电话：[1**********]，[1**********]电子信箱：[email protected]
2008年度开放课题申请截止日期2008年12月5
日。
详细信息请见网址：http://www.chinalab.gov.
cn/labsite/Site/newspage.aspx?id=1825
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科技导报2008，26（22）57
研究论文（Articles）
光纤布拉格光栅湿度传感器研究
丁宏伟，金永君
黑龙江科技学院数力系，哈尔滨150027
摘要
基于光纤布拉格光栅（FBG）的应力传感特性，提出了一种湿度传感方法，给出了湿度传感器的设计和实验测量系统。理论推导
显示，涂有湿敏材料的FBG对湿度的传感可转化为对应变的快速响应，结合温度的有效补偿，可以共同反映在FBG中心反射波长的漂移上。研究结果表明，FBG湿度传感器能在较大温度范围内保持线性特性，并具有稳定性持久、响应速度快等优点。
关键词光纤布拉格光栅；湿度传感；湿敏材料
中图分类号TN218文献标识码A文章编号1000-7857(2008)22-0054-04
StudyonFBGHumiditySensor
DINGHongwei,JINYongjun
DepartmentofMathematicsandMechanics,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,China
象、微震动、声音、磁场、电压、电流等非光学量的光学测量。
随着工农业的发展和科学技术的进步，湿度测量显得越来越重要，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。在现有的温度-湿度传感器中，湿度参量的高精度测量比温度参量要困难得多。电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快，以及信号易于处理和控制等优势，在市场中占据了主导地位，但存在着长期稳定性较低、互换性差等不足;而毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于测量精度、响应速度、信号处理和控制等因素的制约，应用范围非常有限[7-9]。
考虑到FBG特有的稳定性好、抗电磁干扰能力强等优点，本研究小组提出一种以FBG为基础、以改性的聚酰亚胺（PI）为湿敏材料的FBG湿度传感器。它兼有传统湿度传感器的优点，并可克服其不足。
AbstractThispaperproposesanewhumiditysensingmethod,
(FBG)strainsensing.A
togetherwiththedesignofhumiditysensorandthemeasuringsystembasedonFiberBraggGrating
theoreticalanalysisshowsthattheFBGcoveredbyhumidity-sensitivematerialscanrespondquicklytothevariationofhumiditythroughthatofstrainwitheffectivecompensationofthetemperature,bothreflectedintheBraggcenterreflectionwavelengthchange.TheexperimentalresultsshowthatFBGhumiditysensorcankeeplinearcharacteristicswithinawidetemperaturerangewithlong-termstabilityanditsfastresponsespeedcannotbereachedbytraditionalhumiditysensors.
1FBG的基本传感原理
光纤光栅主要是指在光纤中建立一种周期性的折射率
分布，它只对特定波长的光具有反射作用。当大带宽的光通过FBG时，只有以Bragg波长为中心波长的窄带的光被反射（图1）。根据耦合模理论，FBG的光栅方程为[10]
KeywordsfiberBragggrating;humiditysensing;humidity-
sensitivematerial
λB=2neffΛ
自K.O.Hill等[1]1978年首次成功地在掺锗光纤中写入光栅以来，经过20多年的发展，光纤光栅的写入方法不断完善，光栅的光敏性不断提高。光纤光栅以造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优势，被广泛应用于通信、传感等领域[2-6]。特别是，光纤Bragg光栅（FBG）是性能优良的敏感元件，其中心反射波长随着温度、应力等物理量的变化而变化。通过设计敏感结构进行非光学物理量的转换，可以实现压力、温度、气
收稿日期：2008-08-29
基金项目：黑龙江省教育厅2008年度科学技术研究项目（11531331）
作者简介：丁宏伟，哈尔滨市松浦区糖厂街1号黑龙江科技学院数力系，讲师，E-mail:[email protected]
（1）
其中，λB为FBG的反射波中心波长（Bragg波长）；neff为光纤光栅的有效折射率；Λ为光纤光栅的周期（图1）。应力、温度等的任何扰动都可能引起neff和Λ的变化，从而使光栅的中心反射波长发生漂移，这是构成传感的基础。
当FBG发生微小应变时，Bragg波长会发生漂移。这可由对式（1）求全微分得到
dλB=2dneffΛ+2neffdΛ
两端除以式（1），可得
（2）
54科技导报2008，26（22）
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图1
光纤Bragg光栅传感原理和结构
Fig.1SensingprincipleandstructureofFBG
dλ=dnn+dΛ
λ（3）
BeffΛ
则由应变引起的周期的变化为
dΛ=ε
（4）
其中ε为轴向应变。当光纤光栅受到应变作用时，由弹光效
应引起的有效折射率变化为
dneff=－Pe
ε
（5）
eff
其中，P2
e=neff[P12－μF(P11+P12)]为有效弹光系数，P11、P12为弹光系
数，μF为光纤材料的泊松比。把式（4）、（5）代入式（3），可得光纤光栅在受到应变作用时的波长漂移量为
dλB=(1－Pe
)ε
（6）
B
2湿度传感
光纤光栅对湿度变化敏感性很差，导致波长漂移很小。
为了有效地对湿度传感，需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料（例如碳纤维复合材料或聚酰亚胺），其结构如图2所示。当湿度变化时，由于光纤表面涂层湿敏材料的膨胀，引起光纤光栅的应变响应。这样可把对湿度传感的问题转化为光纤光栅对应变的响应问题。
图2
湿敏材料涂层结构
Fig.2Structureofmoisturesensitivecoatingmaterial湿敏材料吸湿将发生湿膨胀，这里把因吸湿膨胀引起的光纤光栅的应变称为湿应变，可表示为
[11]
乙ΔY
εM=
β(Y,T)dY
（7）
式中，β为湿敏材料和光纤所组成的复合材料的湿膨胀系数，
Y为湿度。
由弹性理论可以推出湿膨胀系数为[12]
β(Y,T)=βCEVM乙1－
(EFVF/EMVM)
乙
（8）
式中，βM、VM、EM分别为湿敏材料的湿膨胀系数、体积、弹性模量；VF、EF为光纤光栅的体积、弹性模量；C0为湿敏材料与光
纤的黏接系数。如图2所示，将VF=πr2F，VM=πr2
M带入式（8），整
理得
β(Y,T)=βF
M乙
1－
EFr2FF
MMC0
F乙
（9）
代入式（7），可得光纤应变为
εM=βM乙
1－
EFr2F
（10）
FFMMC0ΔYF乙
令C1=1－
EFr2F
EFr2C0，则上式可简写为F+EM(r2M－r2
F)
εM=βMC1ΔY
（11）
至此可以看出，只要能够测出图2中光纤光栅的Bragg反射波长的漂移量，把式（6）和（11）结合起来就可确定湿度的影响。但FBG除对应力敏感外，对温度同样敏感，有必要对湿度测量进行温度补偿。
3温度补偿
进行温度补偿时，需考虑温度对FBG本身的影响、温度
对湿敏材料的影响。
3.1
温度对FBG和湿敏材料的影响
当温度发生变化时，由于热膨胀引起FBG的周期变化为
ΔΛΛ
=α·
FΔT（12）
其中αF为热膨胀系数。
当温度变化时，由于热光效应引起的光栅有效折射率的变化为
Δneff=ξ·
FΔT（13）
eff
把式（12）和（13）代入式（3），可得因温度变化引起的Bragg波
长漂移量为
ΔλB=(αF+ξF)·ΔT（14）
B
由于温度的变化还会引起湿敏材料的热膨胀，其热膨胀
对光纤光栅应变的影响可表示为
εT=(αM－αF·)ΔT
（15）
其中，εT为湿敏材料热膨胀所引起的应变，αM为湿敏材料的
热膨胀系数，αF为光纤的热膨胀系数。
考虑到温度的影响，实际FBG的Bragg反射波长漂移量可联合式（6）、（11）、（14）和（15）给出，
ΔλB=(1－Pe)C1βMΔY+[(1－Pe)(αM－αF)+αF+ξF
]ΔT
（16）
B
令温敏系数KT=(1－Pe)(αM－αF)+αF+ξF，湿敏系数KM=(1－Pe)C1βM，
则可将上式简写为
Δλλ=KMΔY+KT
ΔT
（17）
B
3.2
湿度传感的设计
由式（17）可以看出，温度和湿度作用于FBG引起的波长漂移量是线性叠加的，为了得到湿度的精确传感，就须知道
FBG对温度的响应。为此设计在同一光纤上写入两段光栅并
涂上湿敏涂层。
科技导报2008，26（22）55
如图3所示，其中FBG1可同时响应温度和湿度；FBG2外表面附着一层温敏材料（如铝），隔离湿敏涂层免受湿度的影响而对温度作出响应。
图3
感温/湿光纤光栅结构示意
Fig.3StructureoftheFBGtemperatureandmoisture两个光纤光栅的波长漂移量可根据式（17）计算得到。
ΔλB1=KT1ΔT+KM1
ΔY
（18）B1
ΔλB2=KT2
ΔT
（19）
B2
由此可知，通过分别测量FBG的波长漂移量，可求得温
度变化量ΔT、湿度变化量ΔY。
4湿度传感测量系统和测量结果分析
4.1FBG湿度测量系统
对于FBG波长漂移的测量，采用密集波分复用器（DWDM）的滤波曲线进行测量。DWDM的测量波长漂移具有多通道、动态测量的优点。FBG湿度测量设置如图4所示。宽谱光源（ASE）发出的光经过耦合器、分路器（splitter）分为多路，分别连到FBG上。而每个FBG的中心反射波长都不同，从多路FBG反射回来的光经过分路器成为一路，再经过环形器到达DWDM，DWDM的每一个通道对反射光进行滤波。滤波后的信号包含了FBG的反射中心波长信号，每一路的波长信号通过光电信号并放大进行检测，把测得的FBG波长变化输入计算机进行数据处理。显然，只要测得FBG，光纤光栅的波长漂移量便能通过式（18）、（19）求出湿度。
图4
FBG光纤光栅测量湿度实验设置
Fig.4ConstructionofmoisturemeasurementwithFBG
4.2主要技术参数及测量结果
实验中，所用PI湿敏薄膜由PI-2270聚酰亚胺在高温下
脱水环化制成，其湿线膨胀系数为7.2×10-5%，热线膨胀系数为4.5×10-5℃，泊松系数为0.4。经测定，本次试验用的PI湿敏薄膜厚度为8.2μm，杨氏模量为2.7×109Pa。在掺锗石英光纤中写入两段不同的光栅，其中FBG1的中心反射波长为
1315.15nm，FBG2的中心反射波长为1305.02nm。掺锗石英
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研究论文（Articles）
光纤的热线膨胀系数为5.8×10-7℃，热光系数为7.25×10-6℃，泊松系数为0.29，杨氏模量为7.4×1010Pa。湿敏材料与FBG的界面黏接系数根据经验取为0.9，FBG的弹光系数为0.22。根据以上数据可确定湿度灵敏系数为
KT1=9.02×10－6KKT2=6.35×10－6KKM1=2.80×10－6%
实验发现，FBG湿度传感器的动态响应时间低于10s，湿滞回差小于±2%。而且在较大的温度范围内保持线性（图
5）。利用实验结果，确定计算灵敏系数为
KT1=9.08×10－6KKT2=6.30×10－6KKM1=2.85×10－6%
与实验前的估计结果有微小差异。
图5
湿度的理论计算结果
Fig.5Theoreticcalculationresultsofmoisture另外，从图6可看出，FBG湿度传感器能保持长时间的稳定性，明显优于电量湿度传感器。可见FBG在涂覆湿敏材料和用温敏材料进行封装之后其响应范围更宽，灵敏度更高，更能保持长期的稳定性。
图6湿度测量的长期稳定性
Fig.6Long-termstabilityofrelativehumidity
measurment
5结论
通过理论推导给出了湿度传感的基本原理，得出了温度
补偿下的湿度测量公式；通过对光纤写入不同反射波长的光栅，其中一个对于湿度和温度都有响应，另一个在封闭的情况下只对温度响应，从而给出了一个实际中可行的FBG湿度传感的新颖设计。实验结果显示，FBG湿度传感优于传统湿度传感。
另外，FBG湿度传感器受到很多工艺和技术问题的影
研究论文（Articles）
响，如湿敏材料涂层厚度、光纤包层半径、环境因素等对温度和湿度的传感都有影响，还有待进一步的研究和突破。
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（责任编辑陈广仁）
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·学术动态··学术动态·
“2009年中国密码学与信息安全会议”征文
由中国密码学会主办的“2009年中国密码学与信息安全会议”将于2009年10月17-18在北京召开。会议正在征稿，内容主要包括：
现代密码学理论、技术与应用；网络安全；融合网络安全；网络攻防；访问控制；认证与授权；入侵检测；网络安全监控；生物安全；操作系统安全；信息系统安全；软件安全；计算机病毒与蠕虫对抗；数据库安全；电子商务安全；网格安全；数字内容安全；信息隐藏与数字水印；数字版权管理；密钥管理与密钥恢复；风险评估与安全认证；安全模型；安全协议；可信计算；可信软件；信息对抗；信息安全管理；容灾备份；网络编码；密码学专业教育教学理论与实践；信息安全类专业教育教学理论与实践。
优秀英文论文将推荐至《中国通信（ChinaCommunica-
水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放课题开始申请
据国家重点实验室网站消息：水力学与山区河流开发保护国家重点实验室日前发布2008年度开放课题申请指南。
水力学与山区河流开发保护国家重点实验室是我国水利水电与河流工程领域第一个获准的国家重点实验室。实验室的主要研究方向为：高速水力学与高坝工程；河流动力学与山区河流工程；环境水利学与山区河流保护；大坝与库岸安全；水信息学与水利新技术。
该实验室现面向国内接受2008年开放课题基金的申请。凡符合以上研究方向的研究课题，均可向实验室提出开放基金的申请。资助金额因研究内容而定，资助经费最高5万元，年限为2年。
基金申请人需具备副高级以上技术职称或确定来本实验室进行博士后工作的博士学位获得者。
tions）》（SCIE收录）发表，优秀中文论文将推荐至《通信学报》（Ei收录）发表，其他被录用的论文将收入至由国防工业出版社正式出版的会议论文集。全文截稿日期为：2009年5月15日。
会议网站：http://www.leaderstudio.cn
通信地址：北京市海淀区西土城10号北京邮电大学
287信箱（100876）冯幼荣，段晓光
电话：[1**********]，[1**********]电子信箱：[email protected]
2008年度开放课题申请截止日期2008年12月5
日。
详细信息请见网址：http://www.chinalab.gov.
cn/labsite/Site/newspage.aspx?id=1825
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科技导报2008，26（22）57