CN106596466A - 一种光纤传感器湿度测量标定装置及方法 - Google Patents

一种光纤传感器湿度测量标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤传感器湿度测量标定装置及方法，装置包括被标定的光纤传感器湿度测量主机、恒温恒湿箱和光学耦合器室，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析电脑，分析电脑用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室带有光纤准直器和PIN光电二极管，两者设置在一个水平导轨上，保证准直器与二极管同轴，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与准直器的距离，所述光学耦合器室设置在恒温恒湿箱中，一个光纤线连接测量主机和准直器。本发明采用改变气室距离的方式，等效改变湿度，实现TDLAS湿度传感器的快速、稳定的标定。

Description

一种光纤传感器湿度测量标定装置及方法
技术领域
本发明属于传感器检测标定，特别涉及一种光纤传感器湿度测量标定装置及方法，是一种利用TDLAS技术的传感器测量湿度标定装置及方法。
背景技术
湿度标定一般通过湿度发生器提供稳定的湿度环境，然后改变不同温度、不同湿度点，改变发生器内湿度环境，用于提供湿度传感器湿度标定、校准。该方法仅适用于10℃~20℃的常温常湿湿度标定，而当用于低温环境、高温环境则湿度环境不稳定性增大、甚至无法实现环境稳定。此外，即使在常温常湿范围内标定，温度稳定需要1小时，湿度稳定时间至少30分钟，若5点标定，至少需要3个小时，时间长，标定效率低。
发明内容
本发明的目的是提出一种光纤传感器湿度测量标定装置及方法，是一种利用TDLAS技术的传感器测量湿度标定装置及方法，根据TDLAS湿度测量方法特点，采用改变气室距离的方式，等效改变湿度，实现湿度传感器测量的快速、稳定的标定。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种光纤传感器湿度测量标定装置，包括被标定的光纤传感器湿度测量主机、恒温恒湿箱和光学耦合器室，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析电脑，分析电脑用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室带有光纤准直器和PIN光电二极管，PIN光电二极管设置在一个水平导轨上，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与光纤准直器的距离，其中，所述光学耦合器室设置在恒温恒湿箱中，一个光纤线连接光纤传感器湿度测量主机和光学耦合器室的光纤准直器，PIN光电二极管的电信号连接至光纤传感器湿度测量主机。
方案进一步是：所述恒温恒湿箱内设置有一个密封腔体，所述光学耦合器室设置在所述密封腔体内。
方案进一步是：所述光学耦合器室距腔体内底端的距离是3cm至5cm。
方案进一步是：在所述密封腔体内设置有抽气管，一个露点仪连接所述抽气管。
方案进一步是：所述分析电脑连接所述控制器，分析电脑通过控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动调节PIN光电二极管与准直器的距离。
一种基于光纤传感器湿度测量标定装置的标定方法，所述装置包括被标定的光纤传感器湿度测量主机、恒温恒湿箱和光学耦合器室，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析计算机，分析计算机用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室带有光纤准直器和PIN光电二极管，PIN光电二极管设置在一个水平导轨上，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与光纤准直器的距离，所述光学耦合器室设置在恒温恒湿箱中，一个光纤线连接光纤传感器湿度测量主机和光学耦合器室的光纤准直器，PIN光电二极管的电信号连接至光纤传感器湿度测量主机；其中，光纤传感器湿度测量标定方法是：
第一步：根据郎伯比尔定律公式建立一个PIN光电二极管与光纤准直器之间距离等效不同湿度的关系函数；
第二步：调节恒温恒湿箱稳定一个相对湿度和温度；
第三步：根据所要标定的湿度值由所述表格的数据调节PIN光电二极管与准直器之间距离；
第四步：从光学耦合器室测量获取标定湿度值，当测量显示湿度与标定湿度不一致时，调节湿度补偿参数使光纤传感器湿度测量主机测量的湿度标定湿度一致；
第五步：存储湿度补偿参数，标定结束。
方案进一步是：所述郎伯比尔定律公式是：，其中是初始光强，是吸收后的光强，是吸收系数，C是测量气体的浓度， L是距离，所述关系函数是由公式得出的关系式：，即满足乘积一定的情况下，可以通过改变L，等效变换C的浓度。
方案进一步是：所述方法进一步包括对所述湿度补偿参数进行线性处理。
方案进一步是：所述线性处理的方法是：对获取的多个不同标定湿度的补偿参数取平均值。
方案进一步是：所述线性处理的方法是：根据不同标定湿度的响应值与标定湿度值建立最小二乘法拟合直线，该直线的系数即是补偿参数。
本发明的有益效果是：采用改变气室距离的方式，等效改变湿度，实现TDLAS湿度传感器的快速、稳定的标定。
下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。
附图说明
图1 为本发明装置结构示意图；
图2为光学耦合器室示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种光纤传感器湿度测量标定装置，如图1和图2所示，所述装置包括被标定的光纤传感器湿度测量主机1、恒温恒湿箱2和光学耦合器室3，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析电脑4，分析电脑用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室是一个现有技术，光学耦合器室通常带有光纤准直器301和PIN光电二极管302，PIN光电二极管设置在一个水平导轨303上，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，光纤准直器和PIN光电二极管设置在一个水平导轨上，保证准直器与二极管同轴；一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与光纤准直器的距离，在恒温恒湿箱中设置有一个恒温液体槽201，恒温液体槽中设置有一个密封腔体202，所述光学耦合器室设置在所述密封腔体内；一个光纤线5连接光纤传感器湿度测量主机和光学耦合器室的光纤准直器，PIN光电二极管的电信号连接至光纤传感器湿度测量主机。
其中：为了营造恒温恒湿环境，一个高压干燥洁净气源6通过饱和器组7向密封腔体内送入干燥气，气源中产生气体送入饱和器组，在饱和器组中达到所需的温湿度后由底端传入腔体中，使腔体中得到所需的温湿度环境。由于密封和气体输入位置等原因，腔体内温湿度并非绝对稳定且一致，所以本装置采用露点仪同步测量，以取得气室所在位置的实际温湿度。因此，在所述密封腔体内设置有抽气管9，一个露点仪10连接所述抽气管，并且为了避免探头发热等因素对环境产生影响，此露点仪为泵吸式露点仪。腔体的上端设置有密封盖8：是将塑料海绵切割成与腔体上端口等大的薄片，厚度约1cm，并掏出小孔以便抽气管和气室可以通过。在其上覆盖一层玻璃棉以隔绝外界空气，由此组成密封盖。
由于密封等因素影响，腔体中的环境并非严格稳定，经测量，腔体下端3-5cm处是环境最稳定部位，因此将传感器气室和露点仪抽气管置于此处进行测试，同时，所述光学耦合器室距腔体内底端的距离是3cmm至5cmm。
实施例中：所述分析电脑连接所述控制器，分析电脑通过控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动调节PIN光电二极管与准直器的距离。
传感器主机中置有光源及光电转换装置，光通过光纤线传入气室中，打到气室下端的反射镜上再返回，以增加光程。再由光纤传回主机，经光电转换后读取数据，并传入电脑中。
水平导轨位移平台是高精度光纤尺微米级位移平台，一端固定准直器，移动端固定光电二极管，准直器出射光与PIN光电二极管在一条水平线，当移动时，同时保持准直器出射光入射到光电二极管上。
实施例2：
一种基于实施例1光纤传感器湿度测量标定装置的标定方法，实施例1中的内容也应被理解为是本实施例中的内容，因此，所述装置包括被标定的光纤传感器湿度测量主机、恒温恒湿箱和光学耦合器室，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析电脑，分析电脑用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室带有光纤准直器和PIN光电二极管，PIN光电二极管设置在一个水平导轨上，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与光纤准直器的距离，所述光学耦合器室设置在恒温恒湿箱中，一个光纤线连接光纤传感器湿度测量主机和光学耦合器室的光纤准直器，PIN光电二极管的电信号连接至光纤传感器湿度测量主机；其中，光纤传感器湿度测量标定方法是：
第一步：根据郎伯比尔定律公式建立一个PIN光电二极管与光纤准直器之间距离等效不同湿度的关系函数；
第二步：调节恒温恒湿箱稳定一个相对湿度和温度；
第三步：根据所要标定的湿度值由所述表格的数据调节PIN光电二极管与光纤准直器之间距离；
第四步：从光学耦合器室测量获取标定湿度值，当测量显示湿度与标定湿度不一致时，调节湿度补偿参数使光纤传感器湿度测量主机测量的湿度与标定湿度一致；
第五步：存储湿度补偿参数，标定结束。
方案进一步是：所述郎伯比尔定律公式是：，其中是初始光强，是吸收后的光强，是吸收系数，C是测量气体的浓度， L是距离，所述关系函数是由公式得出的关系式：，即满足乘积一定的情况下，可以通过改变L，等效变换C的浓度，其中L0和C0分别是初始距离和初始浓度，Lt和Ct是变换距离和变换距离后的浓度。
其中：所述方法进一步包括对所述湿度补偿参数进行线性处理。
其中：所述线性处理的方法是：对获取的多个不同标定湿度的补偿参数取平均值；或者根据不同标定湿度的响应值与标定湿度值建立最小二乘法拟合直线，该直线的系数即是补偿参数。
湿度标定一般通过湿度发生器提供稳定的湿度环境，然后改变不同温度、不同湿度点，改变发生器内湿度环境，用于提供湿度传感器湿度标定、校准。
通常方法的问题是仅用于常温常湿湿度标定（10℃~20℃），用于低温环境、高温环境则湿度环境不稳定性增大、甚至无法实现环境稳定。此外，即使在常温常湿范围内标定，温度稳定需要1小时，湿度稳定时间至少30分钟，若5点标定，至少需要3个小时，时间长，标定效率低。
本方法根据TDLAS湿度测量方法特点，设计了一种能快速、稳定的标定、校准TDLAS湿度传感器方法，采用改变气室距离的方式，等效改变湿度，实现TDLAS湿度传感器的快速检测标定。
利用实施例1所述使用双压法湿度发生器或分流法湿度发生器或低霜点湿度发生器或温湿度试验箱产生稳定的温湿度环境，最好的设计点是10℃，20%RH，其绝对湿度是2437ppmV。
在湿度发生器腔体内，内置光电探测气室（光学耦合器室），气室的结构是：光电气室为准直器和PIN光电二极管，发射端为准直器，接收端为PIN光电二极管；气室为开放式气室，其中准直器固定在高精度位移平台的一端，光电二极管固定在高精度位移平台的另一端，并且准直器和二极管保持在一条水平线上。通过软件控制位移平台移动，改变准直器和二极管的间距，进而等效改变内部湿度。唯一平台的唯一精度为±1um。
根据郎伯比尔定律，
其中是初始光强，是吸收后的光强，是吸收系数，C是测量气体的浓度， L是距离。公式中存在，即满足乘积一定的情况下，可以通过改变L，等效变换C的浓度：。
但是PIN光电二极管内部存在封装时带入的水气，经测定，一般的含量是200ppmV，二极管内部造成的吸收光程是1mm。因为系统测定的是平均水气浓度，因此修正后的初始水气浓度是：
2437ppmV*1um+200ppmV*1mm=2.02*10-1ppmV*m
当初始绝对湿度是2437ppmV时，初始L是1um，然后L调整至20cm时，等效水气浓度从2437ppmV变为1.01ppmV。其修订可以通过电脑实现。
但是1ppmV对应-75℃霜点，常规的湿度发生器无法准确、稳定的模拟。通过此方法，移动改变气室距离，迅速改变等效水气浓度，实现快速、稳定的湿度发生、标定。

Claims (10)

1.一种光纤传感器湿度测量标定装置，包括被标定的光纤传感器湿度测量主机、恒温恒湿箱和光学耦合器室，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析电脑，分析电脑用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室带有光纤准直器和PIN光电二极管，PIN光电二极管设置在一个水平导轨上，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与光纤准直器的距离，其特征在于，所述光学耦合器室设置在恒温恒湿箱中，一个光纤线连接光纤传感器湿度测量主机和光学耦合器室的光纤准直器，PIN光电二极管的电信号连接至光纤传感器湿度测量主机。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器湿度测量标定装置，其特征在于，所述恒温恒湿箱内设置有一个密封腔体，所述光学耦合器室设置在所述密封腔体内。
3.根据权利要求2所述的光纤传感器湿度测量标定装置，其特征在于，所述光学耦合器室距腔体内底端的距离是3cm至5cm。
4.根据权利要求2或3所述的光纤传感器湿度测量标定装置，其特征在于，在所述密封腔体内设置有抽气管，一个露点仪连接所述抽气管。
5.根据权利要求1所述的光纤传感器湿度测量标定装置，其特征在于，所述分析电脑连接所述控制器，分析电脑通过控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动调节PIN光电二极管与准直器的距离。
6.一种基于光纤传感器湿度测量标定装置的标定方法，所述装置包括被标定的光纤传感器湿度测量主机、恒温恒湿箱和光学耦合器室，光纤传感器湿度测量主机连接一个分析计算机，分析计算机用于标定光纤传感器湿度测量主机的湿度补偿参数，光学耦合器室带有光纤准直器和PIN光电二极管，PIN光电二极管设置在一个水平导轨上，光纤准直器发射光，PIN光电二极管接收光并转换为电信号，一个控制器控制PIN光电二极管在水平导轨水平移动进而调节PIN光电二极管与光纤准直器的距离，所述光学耦合器室设置在恒温恒湿箱中，一个光纤线连接光纤传感器湿度测量主机和光学耦合器室的光纤准直器，PIN光电二极管的电信号连接至光纤传感器湿度测量主机；其特征在于，光纤传感器湿度测量标定方法是：
第一步：根据郎伯比尔定律公式建立一个PIN光电二极管与光纤准直器之间距离等效不同湿度的关系函数；
第二步：调节恒温恒湿箱稳定一个相对湿度和温度；
第三步：根据所要标定的湿度值由所述表格的数据调节PIN光电二极管与准直器之间距离；
第四步：从光学耦合器室测量获取标定湿度值，当测量显示湿度与标定湿度不一致时，调节湿度补偿参数使光纤传感器湿度测量主机测量的湿度标定湿度一致；
第五步：存储湿度补偿参数，标定结束。
7.根据权利要求 6 所述的方法，其特征在于，所述郎伯比尔定律公式是：，其中是初始光强，是吸收后的光强，是吸收系数，C是测量气体的浓度， L是距离，所述关系函数是由公式得出的关系式：，即满足乘积一定的情况下，可以通过改变L，等效变换C的浓度。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括对所述湿度补偿参数进行线性处理。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述线性处理的方法是：对获取的多个不同标定湿度的补偿参数取平均值。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述线性处理的方法是：根据不同标定湿度的响应值与标定湿度值建立最小二乘法拟合直线，该直线的系数即是补偿参数。
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Denomination of invention: Optical fiber sensor humidity measurement calibration device and optical fiber sensor humidity measurement calibration method

Effective date of registration: 20191111

Granted publication date: 20190108

Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd.

Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2019990000503

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Date of cancellation: 20211012

Granted publication date: 20190108

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Denomination of invention: A calibration device and method for humidity measurement of optical fiber sensor

Effective date of registration: 20211012

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Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2021990000950

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Date of cancellation: 20220923

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Registration number: Y2021990000950

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Denomination of invention: A device and method for humidity measurement and calibration of optical fiber sensor

Effective date of registration: 20220923

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Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2022990000667

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Address after: Building 24, 18th Courtyard, Kechuang 13th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing, 100176

Patentee after: Beijing Aerospace Tianhong Intelligent Equipment Technology Co.,Ltd.

Address before: Building 24, yard 18, Kechuang 13th Street, Daxing Economic and Technological Development Zone, Beijing 100176

Patentee before: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

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Date of cancellation: 20230919

Granted publication date: 20190108

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Pledgor: BEIJING AEROSPACE YILIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2022990000667

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Denomination of invention: A calibration device and method for humidity measurement of fiber optic sensors

Effective date of registration: 20230919

Granted publication date: 20190108

Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd.

Pledgor: Beijing Aerospace Tianhong Intelligent Equipment Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2023990000460