CN102279159A - 基于螺旋游丝的光纤湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的是一种基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，包括用于敏感湿度的螺旋游丝敏感元件1、将转动式敏感元件的移动距离转换为相应光信号的光强度探测器2、向光强度探测器提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元3、将光发射接收单元接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；本发明采用涂有聚酰亚胺膜湿度螺旋游丝，当被检测环境的湿度时可以实时检测其变化值，相对稳定性高，而且整个湿度传感器光学传输部分均采用单模光纤，可实现远距离监控及传输。

Description

基于螺旋游丝的光纤湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，尤其涉及一种光纤湿度传感器。

背景技术

目前，湿度的测量在工农业生产和日常生活中的应用十分广泛，传统的湿度传感器一般分为电子式和机械式两种。电子式湿度传感器具有灵敏度高，测量精度高等优点，但其工作环境具有一定的局限性，不适合用于电磁环境、长期处于高湿度环境及不能远距离传输；机械式湿度传感器，对环境要求较低，但不适用于密闭环境或者远距离监控的场所。因此，现有的湿度测量仪器还不能够满足很多生产、生活的实际需要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种稳定性好、可靠性高、可远距离传输的基于螺旋游丝的光纤湿度传感器。

本发明的技术解决方案是：

一种基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，其特殊之处在于：包括用于敏感湿度的螺旋游丝敏感元件、将转动式敏感元件的移动距离转换为相应光信号的光强度探测器、向光强度探测器提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元、将光发射接收单元接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；

所述螺旋游丝敏感元件包括腔体、设置在腔体内的芯轴、螺旋方式绕在芯轴上的游丝，所述腔体两端分别设置有镜头座和后盖，所述芯轴的两端分别向外伸出镜头座和后盖，所述芯轴可在镜头座和后盖内沿轴线运动；所述游丝的一端固定在腔体上，其另一端固定在芯轴上；

所述光强度探测器包括设置在镜头座外端的准直器座、固定在芯轴端面的反光镜、设置在准直器座内的准直器，所述准直器与反光镜同轴设置，所述准直器座和镜头座将反光镜完全密封在内；所述准直器通过光纤与光发射接收单元相连。

上述光发射接收单元包括光源、隔离器、耦合器、探测器、光源检测器；所述光源的输出端连接隔离器的输入端；所述耦合器的输入端分别与隔离器的输出端以及探测器的输入端相连；所述耦合器的输出端分别与光源检测器及准直器相连。

上述螺旋游丝为单面涂有聚酰亚胺膜的弹性铜皮。

上述聚酰亚胺膜的厚度是0.1～0.2mm。

本发明采用涂有聚酰亚胺膜湿度螺旋游丝，当被检测环境的湿度时可以实时检测其变化值，相对稳定性高，而且整个湿度传感器光学传输部分均采用单模光纤，可实现远距离监控及传输。

附图说明

图1A为本发明的结构全剖示意图；

图1B为本发明的机构半剖示意图；

图2为光发射接收单元的结构示意图；

图中：1-螺旋游丝敏感元件，2--光强度探测器，3--光发射接收单元，4-腔体，5-芯轴，6-游丝，7-镜头座，8-后盖，9--准直器座，10-反光镜，11--准直器，12--密封圈，13-光纤，14-光源，15-隔离器，16-耦合器，17-光源检测器。

具体实施方式

参见图1A、图1B，本发明是一种基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，包括用于敏感湿度的螺旋游丝敏感元件1、将转动式敏感元件的移动距离转换为相应光信号的光强度探测器2、向光强度探测器2提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元3、将光发射接收单元3接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；

螺旋游丝敏感元件1包括腔体4、设置在腔体4内的芯轴5、螺旋方式绕在芯轴上的游丝6，腔体两端分别设置有镜头座7和后盖8，其中镜头座7与腔体4的前端同轴连接，镜头座7与在腔体4后端设置的后盖8中心孔同轴，是用于保证芯轴5做水平前后移动；游丝6的一端固定在腔体4上，其另一端固定在芯轴5上。

光强度探测器2包括设置在镜头座7外端的准直器座9、固定在芯轴5端面的反光镜10、设置在准直器座9内的准直器11，反光镜10设置于芯轴5延伸至腔体4外的端头内且与芯轴5同轴，其反射面朝外；准直器11是固定于准直器座9中心，并设置于镜头座7的前端，中心与反光镜10中心对齐；准直器座9和镜头座7将反光镜10完全密封在内；准直器11通过光纤13与光发射接收单元3相连；一般准直器座9和镜头座7是通过密封圈12密封连接。

一般在螺旋湿度游丝6的外面涂有聚酰亚胺膜，聚酰亚胺膜厚度控制在0.1-0.2mm为佳。当被检测环境的湿度发生变化时，涂有聚酰亚胺膜的湿度游丝6会发生旋转，从而带动芯轴5前后平动，引起反光镜10与准直器11间的距离发生变化，从而引起输出光强发生变化，以用于检测湿度的实时变化值。

根据G-lens准直器的间距耦合损耗公式：

$\mathrm{Lx}=-10\log \left[\frac{4[1+{\left(\frac{{n_0}^2{g}^2{{\mathrm{\πx\ω}}_0}^2}{\mathrm{\λ}}\right)}^2]}{{[2+{\left(\frac{{n_0}^2{g}^2{{\mathrm{\πx\ω}}_0}^2}{\mathrm{\λ}}\right)}^2]}^2}\right]$

其中：n₀：G-lens中心折射率

g：G-lens折射率分布常数

x：间距(全反射片与准直器端面距离)

ω₀：准直器束腰半径

λ：工作波长

当被检测环境湿度发生变化时，由于湿度游丝6的旋转，带动芯轴5前后平动，从而引起反光镜10到准直器11端面的距离x发生变化，从而使得从耦合器16输出光强发生变化，从光强的值即可反应被检测环境的湿度值。在干燥的环境下反光镜10距离准直器11的距离是最远，在调整架上将准直器11和反光镜10之间的损耗值调整到合适的损耗值，当湿度值增大时芯轴伸长，反光镜10与准直器11间的距离缩短，输出光强将会变大，从输出光强的变化即可反映出所测环境湿度的变化，从而可以实时检测到环境湿度。

见图2，光发射接收单元3包括光源14、隔离器15、耦合器16、探测器、光源检测器17；光源14的输出端连接隔离器15的输入端；耦合器16的输入端分别与隔离器15的输出端以及探测器的输入端相连；耦合器16的输出端分别与光源检测器17及准直器11相连。一般从光源14发出光经过光隔离器15后再经过耦合器16分成两路，一路接光源检测器17，作为光源14的参考光讯号，另一路与准直器11连接，反射光经耦合器16(光耦合器)再分成两路输出，一路返回光源端，光隔离将回光隔离，以保护光源的稳定，另一路光探测器相连；返回的光强经过光电转换单元后变成电信号，并进行光电转换系统处理后就显示对应的湿度值。

当被检测环境的湿度发生变化时，涂有聚酰亚胺膜的湿度游丝会发生旋转，从而带动芯轴前后平动，引起反光镜10与准直器11间的距离发生变化，从而引起输出光强发生变化，以用于检测湿度的实时变化值，整个湿度传感器光学传输部分均采用单模光纤，可实现远距离监控及传输。

Claims (4)

1.一种基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，其特征在于：包括用于敏感湿度的螺旋游丝敏感元件、将转动式敏感元件的移动距离转换为相应光信号的光强度探测器、向光强度探测器提供光信号并接收其输出光信号的光发射接收单元、将光发射接收单元接收的光信号转换为相应电信号的光电转换单元；

所述螺旋游丝敏感元件包括腔体、设置在腔体内的芯轴、螺旋方式绕在芯轴上的游丝，所述腔体两端分别设置有镜头座和后盖，所述芯轴的两端分别向外伸出镜头座和后盖，所述芯轴可在镜头座和后盖内沿轴线运动；所述游丝的一端固定在腔体上，其另一端固定在芯轴上；

所述光强度探测器包括设置在镜头座外端的准直器座、固定在芯轴端面的反光镜、设置在准直器座内的准直器，所述准直器与反光镜同轴设置，所述准直器座和镜头座将反光镜完全密封在内；所述准直器通过光纤与光发射接收单元相连。

2.根据权利要求1所述的基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，其特征在于：所述光发射接收单元包括光源、隔离器、耦合器、探测器、光源检测器；所述光源的输出端连接隔离器的输入端；所述耦合器的输入端分别与隔离器的输出端以及探测器的输入端相连；所述耦合器的输出端分别与光源检测器及准直器相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，其特征在于：所述螺旋游丝为单面涂有聚酰亚胺膜的弹性铜皮。

4.根据权利要求3所述的基于螺旋游丝的光纤湿度传感器，其特征在于：所述聚酰亚胺膜的厚度是0.1～0.2mm。

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