Удосконалення волоконно-оптичних методів вимірювання температури та вологості в мікроелектронних схемах
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.306711Ключові слова:
інтерферометр Фабрі-Перо, волоконна бреггівська решітка, відносна вологість, оптичні волокнаАнотація
Широкий спектр застосувань, таких як охорона здоров’я, забезпечення комфорту людини, сільське господарство, обробка та зберігання продуктів харчування та виробництво електроніки, також вимагає швидкого та точного вимірювання вологості та температури. Датчики на основі оптоволокна мають ряд переваг перед електронними датчиками, і в останні роки в цій галузі було проведено багато досліджень. Ця стаття описує сучасні тенденції у волоконно-оптичних датчиках температури та вологості. Представлено еволюцію оптичних структур, спрямованих на виявлення вологості, а також нову конструкцію оптичного датчика, який використовується для цієї мети.
Проаналізовано основні методи визначення вологості за допомогою волоконно-оптичного лазерного відбиття на основі оптоволоконного датчика вологості та отримано експериментальні результати. Розглянуто метод визначення температури, заснований на зміні деформації, чутливої до температури, на основі специфічного спектрального ефекту зворотного відбиття волоконних бреггівських решіток. Було проведено експериментальний аналіз відбиття світла чутливою до вологи агарозою за допомогою оптичних волокон на основі інтерферометра Фабрі-Перо. Він демонструє хорошу лінійну реакцію на відносну вологість у діапазоні від 25 % до 95 %. Під час вимірювання температури зміни деформації волокон волоконних бреггівських решіток показали чудові характеристики в діапазоні від –5 °C до 70 °C.
Досліджуються нові структури, такі як резонатори, щоб покращити роздільну здатність волоконно-оптичних датчиків температури та вологості. Крім того, нещодавні дослідження полімерних оптичних волокон показують, що чутливість цього типу датчика ще не досягнута. Таким чином, матеріали, чутливі до вологості та температури, все ще потребують дослідження для покращення чутливості та роздільної здатності
Посилання
- Rao, X., Zhao, L., Xu, L., Wang, Y., Liu, K., Wang, Y. et al. (2021). Review of Optical Humidity Sensors. Sensors, 21 (23), 8049. https://doi.org/10.3390/s21238049
- Kolpakov, S., Gordon, N., Mou, C., Zhou, K. (2014). Toward a New Generation of Photonic Humidity Sensors. Sensors, 14 (3), 3986–4013. https://doi.org/10.3390/s140303986
- Fan, L., Bao, Y. (2021). Review of fiber optic sensors for corrosion monitoring in reinforced concrete. Cement and Concrete Composites, 120, 104029. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104029
- Kunelbayev, M., Bigaliyeva, Z., Tuleshov, Y., Ibekeyev, S., Kerimkulov, D. (2023). Thermodynamic Analysis of an Experimental Model of a Solar-Heat Supply System. Processes, 11 (2), 451. https://doi.org/10.3390/pr11020451
- Hammouche, H., Achour, H., Makhlouf, S., Chaouchi, A., Laghrouche, M. (2021). A comparative study of capacitive humidity sensor based on keratin film, keratin/graphene oxide, and keratin/carbon fibers. Sensors and Actuators A: Physical, 329, 112805. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112805
- Schindelholz, E., Risteen, B. E., Kelly, R. G. (2014). Effect of Relative Humidity on Corrosion of Steel under Sea Salt Aerosol Proxies. Journal of The Electrochemical Society, 161 (10), C450–C459. https://doi.org/10.1149/2.0221410jes
- Huang, C., Xie, W., Yang, M., Dai, J., Zhang, B. (2015). Optical Fiber Fabry–Perot Humidity Sensor Based on Porous Al2O3 Film. IEEE Photonics Technology Letters, 27 (20), 2127–2130. https://doi.org/10.1109/lpt.2015.2454271
- Mekhtiyev, A., Dunayev, P., Neshina, Y., Alkina, A., Aimagambetova, R., Mukhambetov, G. et al. (2023). Power supply via fiber-optical conductor for sensors of mine working monitoring system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (125)), 15–23. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.289775
- Abdykadyrov, A., Marxuly, S., Tashtay, Y., Kuttybayeva, A., Sharipova, G., Anar, K. et al. (2023). Study of the process of cleaning water-containing iron solutions using ozone technology. Water Conservation & Management, 7 (2), 148–157. https://doi.org/10.26480/wcm.02.2023.148.157
- Zhao, C., Yuan, Q., Fang, L., Gan, X., Zhao, J. (2016). High-performance humidity sensor based on a polyvinyl alcohol-coated photonic crystal cavity. Optics Letters, 41 (23), 5515. https://doi.org/10.1364/ol.41.005515
- Budnicki, D., Parola, I., Szostkiewicz, L., Markiewicz, K., Holdynski, Z., Wojcik, G. et al. (2020). All-Fiber Vector Bending Sensor Based on a Multicore Fiber With Asymmetric Air-Hole Structure. Journal of Lightwave Technology, 38 (23), 6685–6690. https://doi.org/10.1109/jlt.2020.3012769
- Mathew, J., Semenova, Y., Farrell, G. (2013). Effect of coating thickness on the sensitivity of a humidity sensor based on an Agarose coated photonic crystal fiber interferometer. Optics Express, 21 (5), 6313. https://doi.org/10.1364/oe.21.006313
- Ekechukwu, G. K., Sharma, J. (2021). Well-scale demonstration of distributed pressure sensing using fiber-optic DAS and DTS. Scientific Reports, 11 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-021-91916-7
- Lu, F., Wright, R., Lu, P., Cvetic, P. C., Ohodnicki, P. R. (2021). Distributed fiber optic pH sensors using sol-gel silica based sensitive materials. Sensors and Actuators B: Chemical, 340, 129853. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129853
- Zheng, X., Shi, B., Zhang, C.-C., Sun, Y., Zhang, L., Han, H. (2021). Strain transfer mechanism in surface-bonded distributed fiber-optic sensors subjected to linear strain gradients: Theoretical modeling and experimental validation. Measurement, 179, 109510. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109510
- Mikhailov, P., Ualiyev, Z., Kabdoldina, A., Smailov, N., Khikmetov, A., Malikova, F. (2021). Multifunctional fiber-optic sensors for space infrastructure. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (113)), 80–89. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.242995
- Zhu, C., Zheng, H., Ma, L., Yao, Z., Liu, B., Huang, J., Rao, Y. (2023). Advances in Fiber-Optic Extrinsic Fabry–Perot Interferometric Physical and Mechanical Sensors: A Review. IEEE Sensors Journal, 23 (7), 6406–6426. https://doi.org/10.1109/jsen.2023.3244820
- Liu, Z., Zhao, B., Zhang, Y., Zhang, Y., Sha, C., Yang, J., Yuan, L. (2022). Optical fiber temperature sensor based on Fabry-Perot interferometer with photopolymer material. Sensors and Actuators A: Physical, 347, 113894. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113894
- Barmpakos, D., Kaltsas, G. (2021). A Review on Humidity, Temperature and Strain Printed Sensors – Current Trends and Future Perspectives. Sensors, 21 (3), 739. https://doi.org/10.3390/s21030739
- Zhao, F., Lin, W., Hu, J., Liu, S., Yu, F., Chen, X. et al. (2022). Salinity and Temperature Dual-Parameter Sensor Based on Fiber Ring Laser with Tapered Side-Hole Fiber Embedded in Sagnac Interferometer. Sensors, 22 (21), 8533. https://doi.org/10.3390/s22218533
- Ge, Q., Zhu, J., Cui, Y., Zhang, G., Wu, X., Li, S. et al. (2022). Fiber optic temperature sensor utilizing thin PMF based Sagnac loop. Optics Communications, 502, 127417. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127417
- Zhao, F., Xiao, D., Lin, W., Chen, Y., Wang, G., Hu, J. et al. (2022). Sensitivity Enhanced Refractive Index Sensor With In-Line Fiber Mach-Zehnder Interferometer Based on Double-Peanut and Er-Doped Fiber Taper Structure. Journal of Lightwave Technology, 40 (1), 245–251. https://doi.org/10.1109/jlt.2021.3118285
- Zhao, Y., Zhao, J., Wang, X., Peng, Y., Hu, X. (2022). Femtosecond laser-inscribed fiber-optic sensor for seawater salinity and temperature measurements. Sensors and Actuators B: Chemical, 353, 131134. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.131134
- Liang, H., Wang, J., Zhang, L., Liu, J., Wang, S. (2022). Review of Optical Fiber Sensors for Temperature, Salinity, and Pressure Sensing and Measurement in Seawater. Sensors, 22 (14), 5363. https://doi.org/10.3390/s22145363
- Wang, L., Wang, Y. jie, Song, S., Li, F. (2021). Overview of Fibre Optic Sensing Technology in the Field of Physical Ocean Observation. Frontiers in Physics, 9. https://doi.org/10.3389/fphy.2021.745487
- Yu, Y., Bian, Q., Lu, Y., Zhang, X., Yang, J., Liang, L. (2019). High Sensitivity All Optical Fiber Conductivity-Temperature-Depth (CTD) Sensing Based on an Optical Microfiber Coupler (OMC). Journal of Lightwave Technology, 37 (11), 2739–2747. https://doi.org/10.1109/jlt.2018.2878475
- Akter, S., Ahmed, K., El-Naggar, S. A., Taya, S. A., Nguyen, T. K., Dhasarathan, V. (2020). Highly Sensitive Refractive Index Sensor for Temperature and Salinity Measurement of Seawater. Optik, 216, 164901. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164901
- Li, H., Qian, X., Zheng, W., Lu, Y., E, S., Zhang, Y. (2020). Theoretical and experimental characterization of a salinity and temperature sensor employing optical fiber surface plasmon resonance (SPR). Instrumentation Science & Technology, 48 (6), 601–615. https://doi.org/10.1080/10739149.2020.1762204
- Ramakrishnan, M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. (2016). Overview of Fiber Optic Sensor Technologies for Strain/Temperature Sensing Applications in Composite Materials. Sensors, 16 (1), 99. https://doi.org/10.3390/s16010099
- Zhou, J., Guo, J., Chang, M., Chen, Z., Zhao, D., Jia, B. (2022). Moisture sensitive composite fiber based on agarose gel surface modification. Microwave and Optical Technology Letters, 64 (12), 2289–2293. https://doi.org/10.1002/mop.33429
- Grogan, C., McGovern, F. R., Staines, R., Amarandei, G., Naydenova, I. (2021). Cantilever-Based Sensor Utilizing a Diffractive Optical Element with High Sensitivity to Relative Humidity. Sensors, 21 (5), 1673. https://doi.org/10.3390/s21051673
- Zhang, B.-K., Tan, C.-H. (2017). A Simple Relative Humidity Sensor Employing Optical Fiber Coated with Lithium Chloride. Physical Science International Journal, 16 (4), 1–6. https://doi.org/10.9734/psij/2017/37309
- He, C., Korposh, S., Correia, R., Liu, L., Hayes-Gill, B. R., Morgan, S. P. (2021). Optical fibre sensor for simultaneous temperature and relative humidity measurement: Towards absolute humidity evaluation. Sensors and Actuators B: Chemical, 344, 130154. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130154
- Zhang, J., Xie, Y., Zhang, Z., Lv, L., Tan, Z. (2021). Research on Optical Fiber Sensor for Environmental Temperature and Humidity of Transmission Line. E3S Web of Conferences, 252, 02014. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202125202014
- Wen, H.-Y., Liu, Y.-C., Chiang, C.-C. (2020). The use of doped conductive bionic muscle nanofibers in a tennis racket–shaped optical fiber humidity sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 320, 128340. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128340
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Anar Khabay, Murat Baktybayev, Serikbek Ibekeyev, Nurlan Sarsenbayev, Nuridin Junussov, Nurzhan Zhumakhan
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.