CN102393359A - 一种光纤光栅湿度传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅湿度传感器，属于传感器技术领域。由光纤光栅、毛细钢管、夹持部件，吸水树脂、垫块、外壳组成。其特征在于当吸水树脂吸入水分时，将产生与吸水树脂特性有关的线性膨胀，膨胀对栅区两侧的夹持部件产生压力作用而使光纤光栅产生应变，进而根据光纤光栅的波长变化推断湿度值。本发明的效果和益处是，该湿度传感器将对湿度值的测量，借助一定的力学原理，转化为对光纤光栅应变的测量。吸水树脂通过毛细钢管与光纤光栅隔离，而直接作用在两端的夹持部件上，避免了复杂的化学涂覆工艺及可能产生的反射波长多峰值的不良影响。该湿度传感器制作工艺简单，成本低廉，具备光纤光栅传感元件灵敏度高、体积小、抗电磁辐射等优点。

Description

一种光纤光栅湿度传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种光纤光栅湿度传感器，是利用光纤光栅和吸水树脂并借助力学原理开发的湿度测量元件。

背景技术

湿度的测量在当今工农业及科学技术发展中显得越来越重要，而对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、测量精度及响应速度等指标的要求也越来越高。目前现有的湿度传感器，例如毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器，以及电容式、电阻式等电量湿度传感器，在气流速度、温湿度变化剧烈、电磁干扰等恶劣测量环境下，其测量精度及稳定性均受较大程度影响，应用范围非常有限。

光纤光栅是近几年发展迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着重要作用。以光纤光栅为传感元件研制的传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁辐射等特点，广泛用于应变、温度等物理量的测量。但由于光纤光栅的湿敏性较差，无法直接用于湿度的测量。

目前已有研究利用聚酰亚胺作为涂覆材料来增强光纤光栅的湿敏性，结合了聚酰亚胺湿膨胀线性度好及光纤光栅传感器精度高、小型化等特点，取得了较好的测量效果。但这种方法须采用化学镀膜的方式对光纤光栅进行涂覆，工艺十分复杂。且由于聚酰亚胺与光栅区域直接接触，易产生反射波长多峰值的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤光栅湿度传感器，该传感器具备光纤光栅传感元件的优点，且克服了化学涂覆工艺复杂等问题。

本发明的技术方案是：传感器由光纤光栅、毛细钢管、夹持部件，吸水树脂、垫块、外壳组成，其中毛细钢管、夹持部件、外壳的材料均为不锈钢。首先将光纤光栅的栅区部分穿入毛细钢管，使其与吸水树脂隔离；将夹持部件以胶结的方式固定在栅区两侧的光纤上；将以上部分放入下半外壳内，并在毛细钢管与外壳的空隙之间添加吸水树脂，同时在夹持部件与外壳端壁间填充硅胶等软材料；最后将上半外壳与下半外壳通过四角的栓孔连接。本发明利用光纤光栅对应变敏感的特点，在一定的湿度条件下，吸水树脂吸收外界水分，产生一定的线性膨胀，并对两端的夹持部件产生膨胀力。该膨胀作用使光纤光栅产生变形，由于光纤光栅波长变化与应变呈线性关系，可根据光纤光栅的波长变化推断湿度值。

设环境湿度为

假定在该湿度条件下，吸水树脂的体积膨胀量为ΔV与湿度呈线性关系，则

根据光纤光栅的工作原理，光纤光栅的波长变化Δλ与应变ε的关系为

Δλ＝k_εε    (2)

其中k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况，中心波长为1550nm附近的光纤光栅，k_ε≈1.2pm/με。

忽略夹持部件的变形，则当吸水树脂体积膨胀ΔV时，光纤光栅的应变变化可由下式计算

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{AL}}---\left(3\right)$

其中A为夹持部件的截面面积，L为毛细钢管保护部分的光纤长度，ΔL为膨胀后光纤的长度增量。

根据(1)～(3)式，可得光纤光栅的波长变化Δλ与湿度

的关系为

其中

为光纤光栅湿度传感器的灵敏度系数，

本发明的效果和益处是，该湿度传感器将对湿度值的测量，借助一定的力学原理，转化为对光纤光栅应变的测量。吸水树脂通过毛细钢管与光纤光栅隔离，而直接作用在两端的夹持部件上，避免了复杂的化学涂覆工艺及可能产生的反射波长多峰值的不良影响。该湿度传感器制作工艺简单，成本低廉，具备光纤光栅传感元件灵敏度高、体积小、抗电磁辐射等优点。此外，还可通过拆卸外壳并将吸水树脂替换为其它湿敏材料，实现对气体中其它化学成分含量的测量。

附图说明

附图是本光纤光栅湿度传感器侧向剖面示意图。

图中：1.光纤光栅；2.毛细钢管；3.夹持部件；4.吸水树脂；5.垫块；6.上外壳；7.下外壳。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

本发明提出的光纤光栅湿度传感器的侧向剖面示意图如附图所示。其具体制作方法是，首先将裸光纤光栅1穿入毛细钢管2，使栅区部分完全位于毛细钢管2内，使用环氧树脂胶将夹持部件3粘接在毛细钢管2两端的裸光纤部分，待环氧树脂固化后将以上部分放入下外壳7中，在毛细钢管2的外围填充吸水树脂4，同时在夹持部件3与下外壳7之间的空隙部分放置垫块5，最后将上外壳6与下外壳7螺栓连接。

毛细钢管2用于保护光纤光栅1的栅区部分，将栅区与外围的吸水树脂4隔离，避免了吸水树脂3与光纤光栅1的直接作用。吸水树脂4与夹持部件3的横截面完全接触，确保在吸入水分时夹持部件3受力均匀。垫块5使用质地较软硅胶，限制中间结构的整体平移，也不会影响吸水树脂4膨胀时夹持部件3向两端的移动。上外壳6与下外壳7的中间部分钻若干小孔，使吸水材料4能够与外部空气接触。上外壳6与下外壳7的四个角各钻一个栓孔，用于上外壳6与下外壳7的螺栓连接。

Claims (1)

1.一种光纤光栅湿度传感器，该传感器由光纤光栅、毛细钢管、夹持部件，吸水树脂、垫块、外壳组成；其特征在于：光纤光栅栅区部分由毛细钢管保护；栅区两端安装夹持部件，并在夹持部件间填充吸水树脂；在夹持部件两端和外部分别安装垫块和外壳，在与吸水树脂接触的外壳表面钻若干小孔；上下外壳通过螺栓连接，方法如下：首先将裸光纤光栅(1)穿入毛细钢管(2)，使栅区部分完全位于毛细钢管(2)内，使用环氧树脂胶将夹持部件(3)粘接在毛细钢管(2)两端的裸光纤部分，待环氧树脂固化后将以上部分放入下外壳(7)中，在毛细钢管(2)的外围填充吸水树脂(4)，同时在夹持部件(3)与下外壳(7)之间的空隙部分放置垫块(5)，最后将上外壳(6)与下外壳(7)螺栓连接。

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