已報道的光纖光柵傳感器主要應(yīng)用于測量應(yīng)變、溫度和壓力等物理量。這歸功于光纖光柵本身具有的優(yōu)良傳感特性，在溫度及應(yīng)力荷載作用下，光纖光柵柵區(qū)的周期會發(fā)生變化，從而改變了光纖光柵的反射光波長。到目前為止，已報道的應(yīng)用于測量化學(xué)量的光纖光柵傳感器比較少，其中主要集中在測量氫氣濃度、含鹽度以及pH值等化學(xué)量[71][72][73]。傳感的基本原理是使用特殊的敏感材料將被測化學(xué)量轉(zhuǎn)化為溫度或者應(yīng)力變化，通過在光纖光柵上直接涂覆這種敏感材料或者設(shè)計某種應(yīng)變傳遞機(jī)制使敏感材料體積的變化施加在光纖光柵上。
聚酰亞胺是一種高分子材料，廣泛應(yīng)用于電子、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。它具有耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、低介電常數(shù)和良好的機(jī)械性能，通常作為絕緣材料應(yīng)用于電子元件、航天部件以及光纜等的絕緣保護(hù)以及制作底盤、支座等的材料。相對于其它的潮濕敏感性材料，它的親水性能并不高，但由于吸水后其介電常數(shù)變化的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制作電容式微濕度傳感器。當(dāng)聚酰亞胺材料吸收水分子后，會導(dǎo)致材料體積膨脹。Sager等人對聚酰亞胺材料濕度敏感機(jī)制特性進(jìn)行了詳細(xì)的實驗分析。結(jié)果表明，聚酰亞胺材料吸水后體積膨脹大小與濕度變化成線形正比關(guān)系，并且具有可重復(fù)性。
Yeo等人提出了一種基于聚酰亞胺材料封裝的光纖光柵濕度傳感器。傳感器的封裝及實驗裝置圖如圖4.99所示。將一端切平的光纖光柵浸泡于聚酰亞胺液中，并使用步進(jìn)電機(jī)控制光纖的涂覆厚度，為獲得理想的涂覆效果，每一次浸漬涂層完畢，光纖光柵在150℃環(huán)境中處理5分鐘，涂覆完畢后在180℃環(huán)境中處理1小時。
為了考察傳感器的性能，合理化聚酰亞胺涂覆厚度，分別制作了不同厚度涂覆的光纖光柵濕度傳感器，厚度為10，17，24，33和42μm。傳感器置于密封的濕度控制箱內(nèi)，分別施加以23，33，43，53，75和97%RH的濕度環(huán)境。實驗結(jié)果如圖4.100所示。從圖中可以看出光纖光柵反射波長變化與相對濕度變化成正比關(guān)系，而且光纖光柵反射波長變化大小決定于涂覆層厚度，涂覆層越厚，反射波長變化越大。
濕度傳感器的時間響應(yīng)特性受一系列因素的影響。包括材料內(nèi)水分子的擴(kuò)散速度、膨脹率以及材料的厚度。為考察傳感器的時間響應(yīng)特性，先將不同涂覆層厚度的光纖光柵濕度傳感器置于一個33%Rh的密封箱內(nèi)，隨即將傳感器放入75%RH的另一個密封箱內(nèi)，實時監(jiān)測傳感器反射波長的變化。待信號穩(wěn)定后，重復(fù)相反過程。實驗結(jié)果如圖4.101和圖4.102所示。對于涂覆厚度最大和最小的傳感器，濕度上升響應(yīng)時間分別為45和18分鐘，濕度下降響應(yīng)時間分別為28和4分鐘。這是由于水分子在聚酰亞胺材料內(nèi)部擴(kuò)散非線性造成的。
Yeo等人還對光纖光柵濕度傳感器的濕度遲滯特性進(jìn)行了實驗研究。圖4.103為10、17和33μm涂覆層厚度傳感器的濕度遲滯特性實驗結(jié)果圖。相對濕度以10%的量級從30%RH變化到60%RH，隨即降低到30%RH。實驗結(jié)果表明，光纖光柵濕度傳感器的濕度遲滯效應(yīng)很小(<5%RH)，可以忽略。
