CN104198395A - 一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，包括双层柱壳和光纤光栅，双层柱壳包括外壳、内壳和隔板，隔板固定在外壳内中部，隔板穿过内壳中部且将双层柱壳分成相等的第一腔体和第二腔体，外壳和内壳上均开有第一通孔，隔板两侧中部均固定有弹簧固定台，第一腔体和第二腔体内对称设有弹簧顶板，弹簧顶板由弹簧和顶板组成，弹簧设置在内壳内，顶板设置在内壳端部，弹簧两端分别与弹簧固定台和顶板连接，顶板上开有第二通孔，外壳、内壳和顶板形成的空间内紧密填充有吸湿膨胀块，顶板中心开有第一过孔，隔板中心开有第二过孔，光纤光栅穿过第一过孔和第二过孔且与顶板固连。本发明检测精度高，预应力加载方便，可对环境湿度逐点检测。

Description

一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，人们对自然界物理参量精确测量的需求也越来越紧迫。在此过程中，光纤传感技术也获得了全面的发展和广泛的应用，这其中就包括光纤光栅用于传感和测量的技术。众所周知，光纤光栅可以对温度、应力、应变、位移、加速度等进行精确的测量，而对环境湿度的测量则是一个最新发展起来的领域，同时面临很多亟待解决的科学与工程难题。传统的湿度传感器是利用功能材料对环境水分的吸收，改变自身的电阻、电容等电学参量进行湿度检测，而光纤光栅则是通过将环境中水分子含量的变化变为光波光学参量的变化来测量湿度，具有进行高精度测量的固有优势。前人大量的研究工作表明，利用光纤光栅进行湿度测量的一般方法是在光纤光栅的表面涂覆多层类似聚酰亚胺的合成塑料材料，利用这种材料的吸湿膨胀特性拉动光纤光栅中应力、应变的改变，通过光纤光栅波长的漂移进行湿度检测。这种方法的不足之处在于，为了保证吸湿材料的涂覆量，光纤光栅表面的聚酰亚胺经过多次涂覆后也只能在几十微米厚度左右，当被测环境湿度变化10％时，波长漂移不到0.1纳米。同时，由于光纤光栅长度的增加，使得采用这种方法做出的光纤光栅湿度传感器缺失逐点检测的能力。另一方面，这种湿度传感器的不足之处就是没能很好的解决光纤光栅的预应力加载问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其结构简单，生产方便，能够增大光纤光栅湿度传感器中吸湿材料的体积，提高吸湿材料的吸湿面积，进而提高检测精度，可以解决光纤光栅的预应力加载问题，从而实现对环境湿度的逐点检测，装置结构稳定性好，实用性强，便于推广使用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：包括双层柱壳和光纤光栅，所述双层柱壳包括外壳、内壳和隔板，所述外壳和内壳均两端开口，所述隔板固定在外壳内中部，所述隔板穿过内壳中部且将所述双层柱壳分成相等的第一腔体和第二腔体，所述隔板与内壳固定连接，所述外壳的两端均突出于内壳的两端，所述外壳和内壳上均开有多个第一通孔，所述隔板的两侧中部均固定有弹簧固定台，所述第一腔体和第二腔体内对称设置有弹簧顶板，所述弹簧顶板由弹簧和顶板组成，所述弹簧设置在内壳内且能够自由伸缩，所述顶板设置在内壳的端部且能够沿着外壳的内壁滑动，所述弹簧的一端与弹簧固定台连接，所述弹簧的另一端与顶板连接，所述顶板上开有多个第二通孔，所述外壳、内壳和顶板形成的空间内紧密填充有吸湿膨胀块，所述顶板的中心开有第一过孔，所述隔板的中心开有第二过孔，所述光纤光栅依次穿过第一腔体内顶板的第一过孔、第二过孔和第二腔体内顶板的第一过孔且能够在内壳内自由伸缩，所述光纤光栅与顶板固定连接。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述外壳的两端设置有套帽，所述套帽上开有多个第二通孔，所述外壳的端部外侧设置有外螺纹，所述套帽的内侧设置有内螺纹，所述外螺纹与内螺纹配合。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述光纤光栅的横截面形状为圆形，所述第一过孔和第二过孔均为圆孔。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述第一过孔的直径大于光纤光栅的直径。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述第二过孔的直径大于光纤光栅的直径，所述光纤光栅与顶板的连接方式为焊接。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述吸湿膨胀块为聚酰亚胺块。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述外壳开孔部分的长度与内壳开孔部分的长度相等。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：多个第一通孔均匀设置，多个第二通孔均匀设置，多个第二通孔均匀设置。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述弹簧固定台的形状为圆环形。

上述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述弹簧的外径等于弹簧固定台的内径。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用两个对称分布的弹簧顶板的压缩来对光纤光栅进行预应力的施加，有效解决了现有技术中光纤光栅预应力施加困难的问题；在吸湿膨胀块吸湿膨胀时，采用两块弹簧顶板双向牵拉光纤光栅，具有更高的牵拉效率，可进一步提高光纤光栅的内应力变化量及湿度检测精度。

2、本发明双层柱壳的外壳、内壳以及套帽和弹簧顶板的顶板均采用多孔结构设计，可最大限度地提高吸湿膨胀块与环境空气中水分子的接触面积，提高了吸湿膨胀块的吸湿效率，进而提高了检测精度。

3、本发明结构简单，相对现有技术中整根光纤光栅的光纤光栅湿度传感器而言尺寸较小，装配方便，稳定性高，并能实现对环境湿度的逐点检测。

4、本发明制造简单，装配方便，性能稳定。

综上所述，本发明双向牵拉结构提高了检测精度，能够解决光纤光栅的预应力加载问题和环境湿度的逐点检测问题，同时结构简单、尺寸较小、装配方便，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的半剖视图。

图2为本发明双层柱壳的半剖视图。

图3为本发明弹簧顶板的结构示意图。

图4为本发明套帽的结构示意图。

图5为本发明吸湿膨胀块的结构示意图。

附图标记说明:

1-1—内壳；           1-2—外壳；           1-3—隔板；

1-4—弹簧固定台；     2-1—弹簧；           2-2—顶板；

3—套帽；             4—吸湿膨胀块；       5—光纤光栅；

6—第一通孔；         7—第二通孔；         8—第一过孔；

9—第二过孔；         10—外螺纹；          11—内螺纹；

12—第二通孔。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明包括双层柱壳和光纤光栅5，所述双层柱壳包括外壳1-2、内壳1-1和隔板1-3，所述外壳1-2和内壳1-1均两端开口，所述隔板1-3固定在外壳1-2内中部，所述隔板1-3穿过内壳1-1中部且将所述双层柱壳分成相等的第一腔体和第二腔体，所述隔板1-3与内壳1-1固定连接，所述外壳1-2的两端均突出于内壳1-1的两端，所述外壳1-2和内壳1-1上均开有多个第一通孔6，所述隔板1-3的两侧中部均固定有弹簧固定台1-4，所述第一腔体和第二腔体内对称设置有弹簧顶板，所述弹簧顶板由弹簧2-1和顶板2-2组成，所述弹簧2-1设置在内壳1-1内且能够自由伸缩，所述顶板2-2设置在内壳1-1的端部且能够沿着外壳1-2的内壁滑动，所述弹簧2-1的一端与弹簧固定台1-4连接，所述弹簧2-1的另一端与顶板2-2连接，所述顶板2-2上开有多个第二通孔7，所述外壳1-2、内壳1-1和顶板2-2形成的空间内紧密填充有吸湿膨胀块4，所述顶板2-2的中心开有第一过孔8，所述隔板1-3的中心开有第二过孔9，所述光纤光栅5依次穿过第一腔体内顶板2-2的第一过孔8、第二过孔9和第二腔体内顶板2-2的第一过孔8且能够在内壳1-1内自由伸缩，所述光纤光栅5与顶板2-2固定连接。

如图1、图2和图4所示，所述外壳1-2的两端设置有套帽3，所述套帽3上开有多个第二通孔12，所述外壳1-2的端部外侧设置有外螺纹10，所述套帽3的内侧设置有内螺纹11，所述外螺纹10与内螺纹11配合。套帽3对湿度传感器起保护作用，防止大量灰尘进入第一腔体和第二腔体以影响检测精度，且环境中的水分子可通过第二通孔12进入吸湿膨胀块4，提高吸湿膨胀块的吸湿效率。

本实施例中，所述光纤光栅5的横截面形状为圆形，所述第一过孔8和第二过孔9均为圆孔。

本实施例中，所述第一过孔8的直径大于光纤光栅5的直径。

本实施例中，所述第二过孔9的直径大于光纤光栅5的直径，所述光纤光栅5与顶板2-2的连接方式为焊接，以确保连接可靠性。

本实施例中，所述吸湿膨胀块4为聚酰亚胺块。

本实施例中，所述外壳1-2开孔部分的长度与内壳1-1开孔部分的长度相等，以确保顶板2-2能够顺利沿着外壳1-2的内壁滑动。

如图1所示，多个第一通孔6均匀设置，多个第二通孔7均匀设置，多个第二通孔12均匀设置，吸湿膨胀块4吸湿均匀，进而提高了检测精度。

如图1所示，所述弹簧固定台1-4的形状为圆环形。

本实施例中，所述弹簧2-1的外径等于弹簧固定台1-4的内径，方便弹簧2-1与弹簧固定台1-4的连接。

本发明的安装使用过程为：在干燥空气环境下，将吸湿膨胀材料(以聚酰亚胺为例来进行说明)填充于外壳1-2与内壳1-1之间，固化后形成吸湿膨胀块4(如图5所示)，应多次填充和固化使得吸湿材料尽量充满外壳1-2与内壳1-1之间；将光纤光栅5经过表面金属化处理后，穿过隔板1-3一侧的弹簧顶板的第二过孔9，并与该侧弹簧顶板的顶板2-2固定连接；将该侧弹簧顶板的弹簧2-1的一端卡接在对应的弹簧固定台1-4内，光纤光栅5经过第一过孔8后从隔板1-3另一侧的弹簧顶板的第二过孔9穿出，微拉光纤光栅5使得弹簧顶板与顶板2-2与吸湿膨胀块4均紧密接触，并对光纤光栅5进行预应力的加载后，将光纤光栅5与该侧弹簧顶板的顶板2-2固定连接。环境中的水分子通过第一通孔6和第二通孔7进入吸湿膨胀块4，吸湿膨胀块4吸收水分后会膨胀，顶压顶板2-2，拉动光纤光栅5，即两个弹簧顶板双向牵拉光纤光栅5使光纤光栅5内部发生应力变化，利用光纤光栅5的波长漂移进行环境湿度的检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：包括双层柱壳和光纤光栅(5)，所述双层柱壳包括外壳(1-2)、内壳(1-1)和隔板(1-3)，所述外壳(1-2)和内壳(1-1)均两端开口，所述隔板(1-3)固定在外壳(1-2)内中部，所述隔板(1-3)穿过内壳(1-1)中部且将所述双层柱壳分成相等的第一腔体和第二腔体，所述隔板(1-3)与内壳(1-1)固定连接，所述外壳(1-2)的两端均突出于内壳(1-1)的两端，所述外壳(1-2)和内壳(1-1)上均开有多个第一通孔(6)，所述隔板(1-3)的两侧中部均固定有弹簧固定台(1-4)，所述第一腔体和第二腔体内对称设置有弹簧顶板，所述弹簧顶板由弹簧(2-1)和顶板(2-2)组成，所述弹簧(2-1)设置在内壳(1-1)内且能够自由伸缩，所述顶板(2-2)设置在内壳(1-1)的端部且能够沿着外壳(1-2)的内壁滑动，所述弹簧(2-1)的一端与弹簧固定台(1-4)连接，所述弹簧(2-1)的另一端与顶板(2-2)连接，所述顶板(2-2)上开有多个第二通孔(7)，所述外壳(1-2)、内壳(1-1)和顶板(2-2)形成的空间内紧密填充有吸湿膨胀块(4)，所述顶板(2-2)的中心开有第一过孔(8)，所述隔板(1-3)的中心开有第二过孔(9)，所述光纤光栅(5)依次穿过第一腔体内顶板(2-2)的第一过孔(8)、第二过孔(9)和第二腔体内顶板(2-2)的第一过孔(8)且能够在内壳(1-1)内自由伸缩，所述光纤光栅(5)与顶板(2-2)固定连接。

2.按照权利要求1所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述外壳(1-2)的两端设置有套帽(3)，所述套帽(3)上开有多个第二通孔(12)，所述外壳(1-2)的端部外侧设置有外螺纹(10)，所述套帽(3)的内侧设置有内螺纹(11)，所述外螺纹(10)与内螺纹(11)配合。

3.按照权利要求1所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述光纤光栅(5)的横截面形状为圆形，所述第一过孔(8)和第二过孔(9)均为圆孔。

4.按照权利要求3所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述第一过孔(8)的直径大于光纤光栅(5)的直径。

5.按照权利要求3所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述第二过孔(9)的直径大于光纤光栅(5)的直径，所述光纤光栅(5)与顶板(2-2)的连接方式为焊接。

6.按照权利要求1所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述吸湿膨胀块(4)为聚酰亚胺块。

7.按照权利要求1所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述外壳(1-2)开孔部分的长度与内壳(1-1)开孔部分的长度相等。

8.按照权利要求2所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：多个第一通孔(6)均匀设置，多个第二通孔(7)均匀设置，多个第二通孔(12)均匀设置。

9.按照权利要求1所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述弹簧固定台(1-4)的形状为圆环形。

10.按照权利要求9所述的一种双向牵拉光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述弹簧(2-1)的外径等于弹簧固定台(1-4)的内径。