CN103487088A - 一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括调节螺钉、支架、固定螺丝、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、毛发束、毛发钩、连接体；其中等强度悬臂梁固定端通过固定螺丝固定在支架内侧，等强度悬臂梁自由端通过连接体与毛发束的一端相连，毛发束另一端通过连接体固定在毛发钩上，毛发钩与支架的底座连成一体，通过支架底部设有的调节螺钉对毛发束的受力进行调节，粘贴在等强度悬臂梁上、下表面对称中心线上同一型号的光纤Bragg光栅与信号处理装置连接。本发明实现了对湿度和温度同时测量；抗干扰能力强；本安特性好。

Description

一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
环境的干湿程度称为“湿度”，航空航天、发电变电、纺织、食品、医药和仓储等行业对湿度的要求都非常严格，对湿度参量进行有效实时监测和控制是进行正常生产、生活的前提。湿度大小常用绝对湿度、相对湿度等物理量来衡量。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，它的极限是饱和状态下的最高湿度，绝对湿度与热力学温度成反比；相对湿度是绝对湿度与最高湿度的比值，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度，温度每变化1℃将产生5％RH的湿度变化。因此在对湿度进行监测时也要同时对温度进行监测。
与本发明最为接近的湿度传感器是“气体湿度传感器”（参见文献：徐定杰，“气体湿度传感器”，实用新型专利说明书，1998年8月26日，授权公告号：CN2289238Y，专利号：96206614.1）。该技术利用湿度变化引起毛发伸缩使金属片与涡流传感器的间隙发生变化来对湿度进行监测。由于采用了涡流传感器，该湿度传感器在易燃、易爆等场合的使用受到限制，且该传感器没有涉及对温度的同时测量。
发明内容
本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法，以用于解决传感器在易燃、易爆等场合的使用受到限制、环境温湿度的同时在线监测问题。
本发明的技术方案是：一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器，包括调节螺钉1、支架2、固定螺丝3、光纤Bragg光栅4、等强度悬臂梁5、毛发束6、毛发钩7、连接体8；其中等强度悬臂梁5固定端通过固定螺丝3固定在支架2内侧，等强度悬臂梁5自由端通过连接体8与毛发束6的一端相连，毛发束6另一端通过连接体8固定在毛发钩7上，毛发钩7与支架2的底座连成一体，通过支架2底部设有的调节螺钉1对毛发束6的受力进行调节，粘贴在等强度悬臂梁5上、下表面对称中心线上同一型号的光纤Bragg光栅4与信号处理装置连接。
所述毛发束6一端穿过连接体8上的毛发孔后沿顺时针方向缠绕在连接体8上并用粘结剂固定。 
一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器的使用方法，首先根据信号处理装置分析光纤Bragg光栅4反射的波长的移位，再通过光纤Bragg光栅4的波长移位量与温度变化量的关系式                                               
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE002
计算出环境的温度并通过光纤Bragg光栅4的波长移位量与相对湿度的关系式
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE004
计算出环境的相对湿度；式中：
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE008
分别为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位，S T 为温度敏感系数，
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE010
为中心波长；
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE012
为应变敏感系数，h为等强度悬臂梁5的厚度，L 0为等强度悬臂梁5的长度，n为毛发束6中毛发的根数，E 1为毛发的弹性模量，r为单根毛发的半径，L为毛发束6中毛发的长度，E 2为等强度悬臂梁5的弹性模量，b 0为等强度悬臂梁5固定端的宽度，
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位差值。
本发明的工作原理是：
将对环境湿度的监测转化为对光纤Bragg光栅4的波长调制，并采用差动式温度补偿法来消除温度对湿度测量结果的影响，从而实现对环境温、湿度的测量：
基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器使用方法的测量原理是：当环境湿度降低时毛发束6收缩△L，毛发束6由于收缩而产生弹性拉力，毛发束6在受弹性拉力产生弹性伸长量△x的同时也将力传递到等强度悬臂梁5的自由端，等强度悬臂梁5的自由端受力产生大小为△d的挠度变化，带动粘贴在等强度悬臂梁5表面的光纤Bragg光栅4发生波长移位。相对湿度RH与毛发收缩量△L的关系为：
                                               （1）
式中：L为毛发束6中毛发的长度。
毛发束6的弹性伸长量△x与其受到的弹性拉力F 1的关系为：
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE018
                                                （2）
式中：n为毛发束6中毛发的根数，E 1为毛发的弹性模量，r为单根毛发的半径，L为毛发束6中毛发的长度。
等强度悬臂梁5自由端的挠度变化△d与毛发束6的收缩量△L和毛发束6的弹性伸长量△x的关系为
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE020
                                                       （3）
等强度悬臂梁5自由端受力F 2与其自由端的移位△d的关系为
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE022
                                                  （4）
式中：E 2为等强度悬臂梁5的弹性模量，b 0为等强度悬臂梁5固定端的宽度，h为等强度悬臂梁5的厚度，L 0为等强度悬臂梁5的长度。
等强度悬臂梁5自由端的移位△d与等强度悬臂梁5轴向应变
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE024
的关系为
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE026
                                                      （5）
由平衡条件知，毛发束6的受力大小等于等强度悬臂梁5自由端的受力，即
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE028
                                                           （6）
光纤Bragg光栅4随等强度悬臂梁5形变，若测量过程中温度变化了△T，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE030
为：
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE032
                                             （7）
式中：
Figure 338413DEST_PATH_IMAGE012
为应变敏感系数，S T 为温度敏感系数，
Figure 262376DEST_PATH_IMAGE024
为轴向应变变化量，△T为温度变化量，
Figure 785761DEST_PATH_IMAGE010
为中心波长。
将等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位相减，消除环境温度的影响：
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE034
                                      （8）
式中：
Figure 153288DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位差值；
Figure 581864DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 794671DEST_PATH_IMAGE008
分别为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位。
将等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位相加，得出温度的变化量：
Figure 438142DEST_PATH_IMAGE002
                                                   （9）
将式（4）和式（5）代入式（8），则光纤Bragg光栅4的Bragg波长移位与等强度悬臂梁5自由端所受应力F 2的关系为：
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE036
                                               （10）
将式（1）、（2）、（3）、（5）、（6）、（7）代入（10）得：
Figure 960259DEST_PATH_IMAGE004
     （11）                                                                                                              
式（9）表明了环境温度变化量△T与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出环境的温度变化。
式（11）表明了环境相对湿度RH与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出环境的相对湿度。
本发明的有益效果是：
1、实现了对湿度的实时监测：等强度悬臂梁上、下表面分别粘贴有同一型号的光纤Bragg光栅，将等强度悬臂梁自由端和毛发束一端相连，通过把湿度变化引起的毛发束伸缩转换成光纤Bragg光栅的中心波长移位来实现对湿度的实时监测。
2、对湿度和温度同时测量：利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅对温度和应力响应的差异性，可实现对湿度和温度的同时测量。
3、抗干扰能力强：由于光纤Bragg光栅是电绝缘材料，因此具有抗电磁干扰能力（EMI），该传感器可用于电磁干扰环境下的温湿度监测。
4、本安特性好：采用毛发作为湿度敏感元件，以光纤Bragg光栅作为传感元件，完全避免了电的引入，适用于易燃、易爆场所。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中毛发连接的局部示意图；
图3为本发明的毛发固定连接剖视图；
图中各标号：1为调节螺钉、2为支架、3为固定螺丝、4为光纤Bragg光栅、5为等强度悬臂梁、6为毛发束、7为毛发钩、8为连接体。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器，包括调节螺钉1、支架2、固定螺丝3、光纤Bragg光栅4、等强度悬臂梁5、毛发束6、毛发钩7、连接体8；其中等强度悬臂梁5固定端通过固定螺丝3固定在支架2内侧，等强度悬臂梁5自由端通过连接体8与毛发束6的一端相连，毛发束6另一端通过连接体8固定在毛发钩7上，毛发钩7与支架2的底座连成一体，通过支架2底部设有的调节螺钉1对毛发束6的受力进行调节，粘贴在等强度悬臂梁5上、下表面对称中心线上同一型号的光纤Bragg光栅4与信号处理装置连接。所述毛发束6一端穿过连接体8上的毛发孔后沿顺时针方向缠绕在连接体8上并用粘结剂固定。 
一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器的使用方法，首先根据信号处理装置分析光纤Bragg光栅4反射的波长的移位，再通过光纤Bragg光栅4的波长移位量与温度变化量的关系式
Figure 626864DEST_PATH_IMAGE002
计算出环境的温度并通过光纤Bragg光栅4的波长移位量与相对湿度的关系式计算出环境的相对湿度；式中：
Figure 390606DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 162253DEST_PATH_IMAGE008
分别为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位，S T 为温度敏感系数，
Figure 50575DEST_PATH_IMAGE010
为中心波长；
Figure 933080DEST_PATH_IMAGE012
为应变敏感系数，h为等强度悬臂梁5的厚度，L 0为等强度悬臂梁5的长度，n为毛发束6中毛发的根数，E 1为毛发的弹性模量，r为单根毛发的半径，L为毛发束6中毛发的长度，E 2为等强度悬臂梁5的弹性模量，b 0为等强度悬臂梁5固定端的宽度，
Figure 472515DEST_PATH_IMAGE014
为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位差值。
实施例2：如图1-3所示，一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器，包括调节螺钉1、支架2、固定螺丝3、光纤Bragg光栅4、等强度悬臂梁5、毛发束6、毛发钩7、连接体8；其中等强度悬臂梁5固定端通过固定螺丝3固定在支架2内侧，等强度悬臂梁5自由端通过连接体8与毛发束6的一端相连，毛发束6另一端通过连接体8固定在毛发钩7上，毛发钩7与支架2的底座连成一体，通过支架2底部设有的调节螺钉1对毛发束6的受力进行调节（在支架2底部拧有调节螺钉1，调节螺钉1作用在毛发钩7上可以实现对毛发束6的受力进行微调），粘贴在等强度悬臂梁5上、下表面对称中心线上同一型号的光纤Bragg光栅4与信号处理装置（如：光纤Bragg光栅解调仪）连接。所述毛发束6一端穿过连接体8上的毛发孔后沿顺时针方向缠绕在连接体8上并用粘结剂固定（以防止毛发束6受力时与连接体8发生相对滑动）。
将对环境湿度的监测转化为对光纤Bragg光栅4的波长调制，并采用差动式温度补偿法来消除温度对湿度测量结果的影响，从而实现对环境温、湿度的测量：
具体参数为：
1、等强度悬臂梁，尺寸参数为：L 0=100 mm，h=1.225mm，b 0=20 mm；
2、等强度悬臂梁，材料参数为：45#钢的Young’s模量为E 2=200 GPa； 
3、毛发束：毛发的Young’s模量为E 1=3.3 GPa，毛发的根数n=10，毛发的半径r=40
Figure 2013104205580100002DEST_PATH_IMAGE038
，毛发的长度L=100mm；
4、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE040
=1550 nm，应变敏感系数
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，温度敏感系数；
5、按附图1配置实验；
6、用光纤Bragg光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
7、根据式（11）及灵敏度的定义，得出该毛发温湿度传感器的湿度灵敏度范围为1.1435pm/RH~12.5pm/RH；当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1pm时，该传感器的湿度分辨力为0.8745% RH；湿度测量范围为0%RH~100%RH。
根据式（9），光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对温度变化量△T的响应灵敏度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
  
Figure DEST_PATH_IMAGE048
                                            （12）
将已知量代入式（12），理论计算表明，该温湿度传感器的温度灵敏度为18.6pm/℃；当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1pm时，该传感器的温度分辨力为0.05376℃。
结果表明，该温湿度传感器适合对环境的湿度和温度进行同时测量。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器，其特征在于：包括调节螺钉（1）、支架（2）、固定螺丝（3）、光纤Bragg光栅（4）、等强度悬臂梁（5）、毛发束（6）、毛发钩（7）、连接体（8）；其中等强度悬臂梁（5）固定端通过固定螺丝（3）固定在支架（2）内侧，等强度悬臂梁（5）自由端通过连接体（8）与毛发束（6）的一端相连，毛发束（6）另一端通过连接体（8）固定在毛发钩（7）上，毛发钩（7）与支架（2）的底座连成一体，通过支架（2）底部设有的调节螺钉（1）对毛发束（6）的受力进行调节，粘贴在等强度悬臂梁（5）上、下表面对称中心线上同一型号的光纤Bragg光栅（4）与信号处理装置连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器，其特征在于：所述毛发束（6）一端穿过连接体（8）上的毛发孔后沿顺时针方向缠绕在连接体（8）上并用粘结剂固定。
3.一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器的使用方法，其特征在于：首先根据信号处理装置分析光纤Bragg光栅（4）反射的波长的移位，再通过光纤Bragg光栅（4）的波长移位量与温度变化量的关系式                                                
Figure 115200DEST_PATH_IMAGE001
计算出环境的温度并通过光纤Bragg光栅（4）的波长移位量与相对湿度的关系式
Figure 867256DEST_PATH_IMAGE002
计算出环境的相对湿度；式中：
Figure 876669DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 81385DEST_PATH_IMAGE004
分别为等强度悬臂梁（5）上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅（4）的波长移位，S T 为温度敏感系数，
Figure 280285DEST_PATH_IMAGE005
为中心波长；
Figure 136115DEST_PATH_IMAGE006
为应变敏感系数，h为等强度悬臂梁（5）的厚度，L 0为等强度悬臂梁（5）的长度，n为毛发束（6）中毛发的根数，E 1为毛发的弹性模量，r为单根毛发的半径，L为毛发束（6）中毛发的长度，E 2为等强度悬臂梁（5）的弹性模量，b 0为等强度悬臂梁（5）固定端的宽度，
Figure 129479DEST_PATH_IMAGE007
为等强度悬臂梁（5）上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅（4）的波长移位差值。
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