基于太赫兹时域光谱技术的无参考湿度传感

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Reference-free humidity sensing based on terahertz time-domain spectroscopy

基于太赫兹时域光谱的参考免费湿度传感方法，通过环境与光谱双步校准建立数据库，实现不同系统信号的直接对比分析，在呼吸监测等场景中验证了低至0.62%RH的误差精度和秒级响应速度，突破了传统接触式传感器在空间灵活性和实时性方面的限制。

　　

朱婷|范书婷|黄健|叶斌|赵迪|方光友|陈学全

中国科学院航空航天信息研究所GBA分部，中国广州，510700

摘要

湿度传感在各种应用中都至关重要，然而传统的电气传感器依赖于物理接触，这限制了它们的精度、响应速度和空间灵活性。水蒸气在太赫兹（THz）范围内表现出密集的旋转跃迁，使得太赫兹光谱成为湿度传感的一种有吸引力的工具。然而，基于吸收的光谱传感需要频繁测量零浓度参考值来提取固有的吸收光谱，这阻碍了其实际应用。在这项工作中，我们提出了一种基于太赫兹时域光谱的无参考湿度传感方法。该方法采用了一种数据库比较策略，并通过两步校准程序来适应光路长度、温度和光谱响应的变化。通过将任何新测量的信号与数据库进行比较，可以直接从原始信号中确定湿度水平，而无需参考值和吸收模型。该方法在各种测量条件和系统中实现了相对湿度的均方根误差低至0.62%。此外，其非接触式的特性使得空间平均和实时响应成为可能，如在呼吸监测测量中所展示的那样。总体而言，该技术在多个方面优于传统的湿度传感设备，显示出在医疗诊断、极端工业环境和先进科学仪器中的强大潜力。

引言

湿度是大气的基本属性，在工业[1]、医疗保健[2]、文物保护[3]和科学研究[4]中起着至关重要的作用。例如，呼出气体的湿度可以作为心脏病和肺炎[5]、[6]的敏感指标。在食品工业中，湿度控制显著影响食品储存和保质期[7]。对于天然气管道，需要定期监测水蒸气浓度以防止腐蚀和冻结[8]。开发具有高精度、宽检测范围和短响应时间的传感器对于支持各种应用至关重要。

传统的湿度传感器可以分为三类：机械[9]、[10]、电气[11]和光学传感器[12]。机械传感器成本低廉，但精度相对较低，通常相对湿度的不确定性为±5-7%。电气传感器（包括电阻式和电容式）由于其相对较低的成本和简单的结构而被广泛使用。在中等湿度下，它们的不确定性约为±2% RH，但在高湿度或低湿度（例如>90%或<10% RH）下可能会增加。它们的接触式机制导致几秒的响应时间和湿度循环条件下的滞后现象。最近对先进材料的研究将精度提高到了±1.4% RH[13]，并将响应时间缩短到了几秒以内[14]。然而，电气传感器的另一个局限性是它们只能进行单点检测，因此在不均匀环境中不够准确。湿度也可以通过光学方法来测量，如冷却镜[15]、近红外吸收光谱[16]和光纤传感[17]。冷却镜提供高精度，但需要复杂的校准和定期维护。光谱技术可以实时响应，但水蒸气在红外范围内的吸收相对较弱，可能会受到其他气体吸收的干扰[18]。光纤传感器可以达到±1% RH的高精度[19]，但由于接触式机制，它们的响应仍然较慢。

水蒸气分子的旋转跃迁模式在太赫兹（THz）范围内密集分布，导致大量不同强度的吸收线，使得THz光谱湿度传感能够在较宽的范围内进行[20]、[21]、[22]、[23]。不同研究小组已经探索了这一潜力。在早期研究中，Mittleman等人使用THz时域光谱（THz-TDS）[24]提取了水蒸气和氨气的类型和浓度。Melinger等人也利用THz-TDS在低至中等湿度水平下检测了丙腈和重水蒸气[25]。Fan等人测量了高压天然气管道中的水蒸气浓度，实现了最低可检测浓度为62 ppm，光路长度低至14.7 cm[26]。Bidgoli等人利用0.448 THz和0.461 THz的特征吸收实时监测了生物质气化器高温排放气体中的水蒸气和一氧化碳浓度[27]。Thomson的研究小组展示了太赫兹光谱在高温炉环境中量化水蒸气含量的可行性[28]、[29]、[30]。

尽管已经展示了这些优势，但提取固有的水蒸气吸收光谱需要将测量光谱归一化到在相同条件下收集的零湿度参考值。在实际应用中，这通常是无法实现的，因为任何物理变化，包括功率、光路长度和光学对准的变化，都会改变参考值。更新零湿度参考值需要用干燥空气或氮气清洗传感区域。此外，还需要高光谱分辨率和信噪比（SNR）的精细解析吸收光谱，以便与理论模型[31]、[32]（例如来自HITRAN[33]或JPL[31]）进行准确比较。THz-TDS的绝对频率精度受到延迟线位置和激光重复稳定性等多种因素的限制。频域光谱可能是一个替代选项，但它受到扫描速度低和系统内驻波效应复杂性的影响[34]。这两种系统的动态范围在高频时迅速下降，难以准确检测强吸收线。这些因素阻碍了THz光谱在湿度传感中的实际应用。最直接的证据是，当前的实验室THz测量仍然依赖于传统的电气传感器来控制湿度。

除了吸收光谱之外，THz湿度传感还通过基于超材料的设备间接实现。通过在这些设备上涂覆湿度敏感材料，湿度变化最终转化为THz共振频率的变化或强度变化。已经报道了各种传感材料和设备结构[35]、[36]、[37]。然而，这些技术本质上是基于接触的，无法克服精度低和响应速度慢的基本限制。

在这项工作中，我们提出了一种基于THz-TDS的无参考湿度传感技术。具体来说，我们引入了一种基于环境和光谱校准的数据库比较策略。该方法允许使用单一数据库来评估来自不同系统的信号，而无需零湿度参考值。该方法的原则将在下一节中详细说明，随后在第3节中进行全面的实验验证。讨论和结论在最后总结。

吸收光谱原理

设$E\left(\omega \right)$和$E_0\left(\omega \right)$表示通过气体区域的THz电场，距离分别为$d$，在特定湿度和零湿度（即AH=0）下测量，它们的幅度比与相应湿度的水蒸气吸收（${\alpha }_v$有关：