基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量

孙世政; 杨鹏正; 刘潇; 雷远俊; 刘照伟

doi:10.37188/OPE.20233103.0322

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基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量

现代应用光学 | 更新时间：2026-09-12

- 基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量
- KCl concentration measurement using FBG sensor based on layered PI film
- 光学精密工程 2023年31卷第3期页码：322-330
- 作者机构：
  
  重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074
- 作者简介：
  
  孙世政（1986-），男，山东烟台人，博士，副教授，硕士生导师，2012年于重庆理工大学获得硕士学位，2015年于合肥工业大学获得博士学位，主要研究方向为精密仪器与机械、智能传感技术。E-mail： ssz091011@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52105542);“成渝地区双城经济圈建设”科技创新项目(KJCX2020032);上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室开放基金资助(202004);重庆市教委科学技术研究计划重点项目(KJZD-K202002401)
- DOI：10.37188/OPE.20233103.0322
  中图分类号： TN253;TP212.14
- 收稿：2022-06-20，
  
  修回：2022-08-18，
  
  纸质出版：2023-02-10
- 稿件说明：
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孙世政,杨鹏正,刘潇等.基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量[J].光学精密工程,2023,31(03):322-330.

SUN Shizheng,YANG Pengzheng,LIU Xiao,et al.KCl concentration measurement using FBG sensor based on layered PI film[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):322-330.
孙世政,杨鹏正,刘潇等.基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量[J].光学精密工程,2023,31(03):322-330. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0322.

SUN Shizheng,YANG Pengzheng,LIU Xiao,et al.KCl concentration measurement using FBG sensor based on layered PI film[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(03):322-330. DOI： 10.37188/OPE.20233103.0322.

摘要

为了监测核工业冷却管道中冷却剂的浓度，针对目前测量仪器易受环境干扰、介质沉积、难以分布式多点监测等问题，设计了一种基于层状聚酰亚胺（Polyimide， PI）的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）浓度传感器。结合PI薄膜的吸水特性、水分子扩散原理和FBG传感理论，研究基于层状PI薄膜的FBG浓度传感机理，设计制作了层状PI薄膜FBG浓度传感器。最后，搭建浓度测量实验平台，进行浓度传感实验，得到镀层状PI薄膜的FBG浓度传感器对氯化钾（KCl）溶液的浓度特性曲线，并分析了其灵敏度与滞回特性。实验结果表明：浓度与波长漂移量呈线性变化关系，浓度特性曲线拟合度为0.994 2，正、反行程输出的最大差值为35 pm，传感器的平均灵敏度为157.6 pm/（mol·L

），是同条件下镀一层环状PI薄膜FBG浓度传感器和腐蚀型FBG浓度传感器灵敏度的7.4倍和49.1倍。该传感器为核工业管道中冷却剂浓度测量提供了新方法，具有高灵敏度、安全、抗电磁干扰等优点。

Abstract

A layered polyimide （PI）-fiber Bragg grating （FBG） concentration sensor was designed to monitor the concentration of a coolant i

n a nuclear cooling pipeline to solve various problems that exist in current measuring instruments， such as vulnerability to environmental interference， medium deposition， and difficulty in the distribution of multi-point monitoring. First， the design of a layered PI film-FBG concentration sensing mechanism was investigated based on a combination of the PI film water absorption characteristics， the principle of water molecule diffusion， and FBG sensing theory. Subsequently， the layered PI film-FBG concentration sensor was designed and fabricated， the concentration measurement experiment platform was built， and the concentration sensing experiment was conducted. Finally， the concentration characteristic curve of the PI film-coated FBG concentration sensor in a potassium chloride （KCl） solution was obtained， and its sensitivity and hysteresis characteristics were analyzed. The experimental results show that there is a linear relationship between the concentration and wavelength shift， and the fitting degree of the concentration characteristic curve is 0.994 2. In addition， the maximum difference between the forward and reverse stroke output is 35 pm， and the average sensitivity of the sensor is 157.6 pm/（mol·L

-1

）， which are 7.4 times and 49.1 times higher than those of the one-layer annular PI film-coated FBG concentration sensor and corrosive FBG concentration sensor under the same conditions， respectively. Therefore， the sensor provides a new method for measuring the coolant concentration in nuclear industrial pipelines with high sensitivity， safety， and anti-electromagnetic interference.

关键词

Keywords

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景福庭，吕焕文，朱建平，等 . 压水堆核电厂燃料棒大破口情形下的辐射源项特征研究［J］. 核动力工程， 2021 ， 42 （ S2 ）： 65 - 69 .

JING F T ， LÜ H W ， ZHU J P ， et al . Research on radiation source term characteristics with large fuel rod break of PWR nuclear power plant ［J］. Nuclear Power Engineering ， 2021 ， 42 （ S2 ）： 65 - 69 . （in Chinese）

付鹏涛，卢圣波，梁杉，等 . 压水堆核电厂冷却剂碘同位素活度比值 131 I/ 133 I与燃料完整性关系研究［J］. 原子能科学技术， 2022 ， 56 （ 1 ）： 153 - 158 .

FU P T ， LU SH B ， LIANG SH ， et al . Research of relationship between fuel reliability and iodine isotope activity ratio 131 I/ 133 I in PWR primary coolant ［J］. Atomic Energy Science and Technology ， 2022 ， 56 （ 1 ）： 153 - 158 . （in Chinese）

何鹏，陈静，李小芬，等 . 核电厂堆腔冷却状态监测研究［J］. 核动力工程， 2020 ， 41 （ 5 ）： 94 - 98 . doi: 10.13832/j.jnpe.2020.05.0094 http://dx.doi.org/10.13832/j.jnpe.2020.05.0094

HE P ， CHEN J ， LI X F ， et al . Research on monitoring of reactor cavity cooling status for NPPs ［J］. Nuclear Power Engineering ， 2020 ， 41 （ 5 ）： 94 - 98 . （in Chinese） . doi: 10.13832/j.jnpe.2020.05.0094 http://dx.doi.org/10.13832/j.jnpe.2020.05.0094

虞效益，陈光明，胡长兴，等 . 电导法测定低温保护剂浓度及其在低温保存中应用［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2017 ， 51 （ 8 ）： 1640 - 1645， 1661 . doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.021 http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.021

YU X Y ， CHEN G M ， HU CH X ， et al . Quantitation of cryoprotective agent by electrical conductivity measurement and its application in cryopreservation ［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2017 ， 51 （ 8 ）： 1640 - 1645， 1661 . （in Chinese） . doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.021 http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.021

齐晗兵，李舒婷，王秋实，等 . 聚丙烯酰胺溶液的光谱特性及其浓度光学检测［J］. 光谱学与光谱分析， 2017 ， 37 （ 5 ）： 1466 - 1470 .

QI H B ， LI SH T ， WANG Q SH ， et al . Optical property and concentration optical detection of polyacrylamide solution ［J］. Spectroscopy and Spectral Analysis ， 2017 ， 37 （ 5 ）： 1466 - 1470 . （in Chinese）

LIU H ， ZHANG X ， ZHAO B L ， et al . Simultaneous measurements of refractive index and methane concentration through electromagnetic fano resonance coupling in all-dielectric metasurface ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2021 ， 21 （ 11 ）： 3612 . doi: 10.3390/s21113612 http://dx.doi.org/10.3390/s21113612

廖延彪，苑立波，田芊 . 中国光纤传感40年［J］. 光学学报， 2018 ， 38 （ 3 ）： 10 - 28 . doi: 10.3788/aos201838.0328001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201838.0328001

LIAO Y B ， YUAN L B ， TIAN Q . The 40 years of optical fiber sensors in China ［J］. Acta Optica Sinica ， 2018 ， 38 （ 3 ）： 10 - 28 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201838.0328001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201838.0328001

孙晓，王清梅，李振伟，等 . 结构健康监测系统光纤Bragg光栅应变计的异常诊断［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 11 ）： 2581 - 2589 . doi: 10.37188/OPE.20212911.2581 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212911.2581

SUN X ， WANG Q M ， LI ZH W ， et al . Abnormal diagnosis of fiber Bragg grating strain gauges in health monitoring system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 11 ）： 2581 - 2589 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212911.2581 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212911.2581

杨泓铭，饶春芳，吴锴，等 . 基于光纤布拉格光栅的压力蒸汽灭菌器气体质量监测［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 3 ）： 264 - 273 .

YANG H M ， RAO CH F ， WU K ， et al . Gas quality monitoring for sterilizer based on fiber Bragg grating ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 3 ）： 264 - 273 . （in Chinese）

RAIKAR U S ， LALASANGI A S ， KULKARNI V K ， et al . Concentration and refractive index sensor for methanol using short period grating fiber ［J］. Optik ， 2011 ， 122 （ 2 ）： 89 - 91 . doi: 10.1016/j.ijleo.2009.11.012 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2009.11.012

SINGH Y ， SADHU A ， RAGHUWANSHI S K . Design of highly sensitive etched fiber Bragg grating salinity sensor ［C］. SPIE Photonics Europe. Proc SPIE 11354， Optical Sensing and Detection VI， Online Only . 2020 ， 11354 ： 390 - 395 . doi: 10.1117/12.2556790 http://dx.doi.org/10.1117/12.2556790

KUMARI C RUMA ， SAMIAPPAN D ， KUMAR R ， et al . Development of a highly accurate and fast responsive salinity sensor based on Nuttall apodized Fiber Bragg Grating coated with hygroscopic polymer for ocean observation ［J］. Optical Fiber Technology ， 2019 ， 53 ： 102036 . doi: 10.1016/j.yofte.2019.102036 http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2019.102036

LIU X M ， ZHANG X M ， CONG J ， et al . Demonstration of etched cladding fiber Bragg grating-based sensors with hydrogel coating ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical ， 2003 ， 96 （ 1/2 ）： 468 - 472 . doi: 10.1016/s0925-4005(03)00605-1 http://dx.doi.org/10.1016/s0925-4005(03)00605-1

MEN L Q ， LU P ， CHEN Q Y . A multiplexed fiber Bragg grating sensor for simultaneous salinity and temperature measurement ［J］. Journal of Applied Physics ， 2008 ， 103 （ 5 ）： 053107 . doi: 10.1063/1.2890156 http://dx.doi.org/10.1063/1.2890156

LU P ， MEN L Q ， CHEN Q Y . Polymer-coated fiber Bragg grating sensors for simultaneous monitoring of soluble analytes and temperature ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2009 ， 9 （ 4 ）： 340 - 345 . doi: 10.1109/jsen.2009.2013499 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2009.2013499

SUN M Y ， JIANG H T ， SHI B ， et al . Development of FBG salinity sensor coated with lamellar polyimide and experimental study on salinity measurement of gravel aquifer ［J］. Measurement ， 2019 ， 140 ： 526 - 537 . doi: 10.1016/j.measurement.2019.03.020 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2019.03.020

孙世政，于竞童，韩宇，等 . 基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 3 ）： 274 - 285 . doi: 10.37188/OPE.2021.0549 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2021.0549

SUN SH ZH ， YU J T ， HAN Y ， et al . FBG sensor of double-layer cross beam structure based on SSA-ELM three-dimensional force decoupling ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 3 ）： 274 - 285 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.2021.0549 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2021.0549

LUO D ， MA J X ， IBRAHIM Z ， et al . Etched FBG coated with polyimide for simultaneous detection the salinity and temperature ［J］. Optics Communications ， 2017 ， 392 ： 218 - 222 . doi: 10.1016/j.optcom.2016.12.068 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2016.12.068

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 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2005.847935

MA G M ， MU R D ， LI C R ， et al . High sensitive FBG sensor for equivalent salt deposit density measurement ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2015 ， 27 （ 2 ）： 177 - 180 . doi: 10.1109/lpt.2014.2364200 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2014.2364200

CHAI J ， LIU Q ， LIU J X ， et al . Optical fiber sensors based on novel polyimide for humidity monitoring of building materials ［J］. Optical Fiber Technology ， 2018 ， 41 ： 40 - 47 . doi: 10.1016/j.yofte.2017.12.013 http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2017.12.013

周怡妃，梁大开，曾捷，等 . 基于PI湿敏薄膜的分布式光纤Bragg光栅湿度传感器［J］. 光电子激光， 2011 ， 22 （ 11 ）： 1597 - 1601 .

ZHOU Y F ， LIANG D K ， ZENG J ， et al . Research on relative humidity sensor based on distributed optical fiber Bragg grating coated with polyimide moisture sensitive film ［J］. Journal of OptoelectronicsLaser ， 2011 ， 22 （ 11 ）： 1597 - 1601 . （in Chinese）

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