CN107064011B - 一种光纤光栅湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种光纤光栅湿度传感器，包括湿度传感器支架和湿度传感器。湿度传感器支架包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，宽槽段上开有宽槽，窄槽段上开有窄槽，宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向的设置有用于湿度传感器标定的螺纹孔；窄槽段的侧面还设置有安装T形胶垫的光孔；湿度传感器包括薄膜、轻质连接片和刻有光栅的光纤。本发明采用的薄膜大幅提升了传感器的动态范围及对湿度的响应范围，且本发明传感器避免薄膜应力不均或边缘翘曲引起的光栅啁啾效应，提高传感器探测精度。

Description

一种光纤光栅湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅湿度传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
湿度是生产生活中重要的环境物理参数，直接影响工程材料的特性功能及重要物资的安全保障。各种类型的湿度传感器被广泛地应用于众多环境监测领域，如工业控制、医药生产、农业种植、气象探测以及食品存储等。在这些领域实现对湿度的快速、准确的测量具有重要意义。为了满足这些应用需求，市场上已有很多成熟的电子式湿度传感器产品，如电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。虽然电子式湿度传感器具有测量精度高、响应速度快等优点，但其长期稳定性及互换性较差，并且在某些特殊应用场合(例如强电磁环境、油气检测环境)中会失效，甚至引发安全事故。
光纤光栅湿度传感器是一种新型无源传感装置，通过高灵敏光纤光栅传感器与聚合物薄膜湿敏功能材料的结合，将湿度参量变化转变为光纤光栅的应力变化，从而实现光纤光栅传感器对湿度变化的测量。与传统电子式湿度传感器相比，光纤光栅湿度传感器具有体积小、重量轻、电无源、电磁免疫等优势，能够本质上解决易燃易爆等电磁危险环境中的湿度测量难题。
基于光纤光栅和聚合物湿敏材料的湿度传感技术目前主要采用栅区涂覆以及制膜覆盖的方式，将功能材料直接作用于光纤光栅并实现湿度参量的感知与传递。上述方式提升了光纤光栅对湿度变化的响应，但该类传感器仍存在有待解决的问题包括：传感器动态范围过小湿度响应范围有限；受限于光纤直径，材料涂覆层厚度过厚制约了传感器的响应速度；材料应力不均及边缘翘曲引起光栅的啁啾效应，影响传感器监测精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对实际应用克服现有技术的不足，提供了一种光纤光栅湿度传感器，采用20mm×50mm聚合物材料薄膜大幅提升了传感器的动态范围及对湿度的响应范围；湿敏薄膜厚度减至30μm大幅提高传感器响应速度；采用膜栅分离的形式避免薄膜应力不均或边缘翘曲引起的光栅啁啾效应，提高传感器探测精度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：
一种光纤光栅湿度传感器，包括湿度传感器支架和湿度传感器；
所述湿度传感器支架长度为90mm-110mm，宽度不小于22mm，高度为6mm-9mm，包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，宽槽段、窄槽段长度均为10-15mm，凹陷段长度60-90mm，总体高度不超过6mm；宽槽段上开有宽槽，窄槽段上开有窄槽均作为固定使用，宽槽的表面以及窄槽段表面均为粗糙面；宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向的设置有用于湿度传感器标定的螺纹孔；窄槽段的侧面还设置有安装T形胶垫的光孔用于免应力固定及减震；凹陷段上设置有通风孔用于加强气体对流和减重孔用于减小结构热容避免热迟滞。
湿度传感器包括薄膜、轻质连接片和刻有光栅的光纤；
所述薄膜采用湿敏聚合物材料，其长度为45mm-65mm，宽度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜宽度与宽槽净宽匹配。
所述轻质连接片采用的是表面喷砂的三角形薄铝片，铝片厚度小于0.5mm，宽度为20mm-22mm与薄膜宽度匹配。
所述刻有光栅的光纤为直径125μm丙烯酸酯涂层标准单模光纤，光栅长度为6-10mm，其与窄槽、轻质连接片的粘接区域均为裸纤粘接。
薄膜的一端粘接在宽槽上，另一端通过轻质连接片与带有光栅的光纤连接，光纤的另一端粘接在窄槽内。聚合物材料薄膜在环境湿度变化时会膨胀或收缩引起应力变化，并通过轻质连接片传递至光纤光栅引起其中心波长的变化实现光栅对环境湿度变化的感知。特制轻质连接片将光纤光栅与薄膜点线连接，确保薄膜产生的应力真实、准确地传递至光栅。光纤光栅在受轴向应力作用的情况下，栅格结构产生伸缩导致光栅周期变化最终反映为中心波长的变化。利用光栅中心波长与相对湿度的映射关系，解调获取待测环境的相对湿度值。
所述薄膜与宽槽之间、光纤与窄槽之间、薄膜与连接片之间、连接片与刻有光栅的光纤之间均通过紫外固化胶粘接。
与现有技术相比，根据本发明的光纤光栅湿度传感器具有有益的技术效果：
(1)采用聚合物材料薄膜大幅提升了传感器的动态范围及对湿度的响应范围；
(2)通过湿敏薄膜减薄大幅提高传感器的响应速度；
(3)采用膜栅分离的形式避免薄膜应力不均或边缘翘曲引起的光栅啁啾效应，提高传感器探测精度。
附图说明
图1为根据本发明的光纤光栅湿度传感器结构示意图；
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的光纤光栅湿度传感器结构及其封装装置做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提出的传感器包括湿度传感器支架11和湿度传感器12；
所述湿度传感器支架11包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段。宽槽段上开有宽槽111，窄槽段上开有窄槽112，宽槽段与窄槽段上表面为粗糙面，便于紫外胶固化粘接，防止胶体、薄膜、构件分层剥离失效。宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向设置有定位螺纹孔113，用于湿度传感器12的标定；窄槽段的侧面设置有光孔114，用于安装侧向免应力和减震的T形胶垫。支架凹陷段设置有通风孔115和减重孔116，分别用于加速气体对流以及减小结构热容，以提高传感器的热响应速率。支架结构整体选用导热率、强度均较高的金属材料，在预置应力作用下降低热滞对传感器稳定性的影响。
湿度传感器12包括薄膜121、轻质连接片123和刻有光栅的光纤122；
薄膜121的一端粘接在宽槽111的粗糙面上，大面积薄胶层粘接保证了其牢固性；薄膜另一端通过轻质连接片123与刻有光栅的光纤122裸纤段粘接，确保应变通过连接片真实、准确地传递至光纤光栅；光纤122的另一端裸纤段粘接在窄槽112内，保证传感器在加载预置恒定应力时没有滑动松脱。
所述薄膜121与宽槽111之间、光纤122与窄槽112之间、薄膜121与连接片123之间、连接片123与带有光栅的光纤122之间均通过紫外固化胶粘接。紫外胶兼具良好的力学强度和防潮特性，保证了传感器性能的长期稳定。
聚合物材料薄膜在环境湿度变化时会膨胀或收缩引起应力变化，并通过轻质连接片传递至光纤光栅引起其中心波长的变化实现光栅对环境湿度变化的感知。特制轻质连接片将光纤光栅与薄膜点线连接，确保薄膜产生的应力真实、准确地传递至光栅。光纤光栅在受轴向应力作用的情况下，栅格结构产生伸缩导致光栅周期变化最终反映为中心波长的变化。利用光栅中心波长与相对湿度的映射关系，解调获取待测环境的相对湿度值。
第三部分：实施例：
本发明带有光栅的光纤直径为125μm，栅区长度为6mm-10mm。
薄膜121采用聚合物湿敏材料。
宽槽111的表面以及窄槽段表面均为粗糙面。
湿度传感器支架11长度为90mm-110mm，宽度不小于22mm，高度为6mm-9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，均不大于6mm，宽槽段和窄槽段长度相同，均为10mm-20mm。
薄膜121的长度45mm-65mm，宽度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜121与宽槽111匹配。
本发明的一个实例为：
本发明选用直径125μm刻有光栅的单模光纤，光栅栅区长度为10mm。
薄膜121采用聚合物湿敏材料。
宽槽111、窄槽112以及轻质连接片表面均为粗糙面。
湿度传感器支架11长度为90mm，宽度为22mm，高度为9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，均为6mm，宽槽段和窄槽段长度相同，均为20mm。
薄膜121的长度为45mm，宽度为20mm，厚度30μm，且薄膜121与宽槽111匹配。
本发明提出了一种光纤光栅湿度传感器，湿度测量精度约为±3％RH，湿度响应速率小于1min，是一种全光无源电磁安全的湿度传感装置。

Claims (6)

1.一种光纤光栅湿度传感器,其特征在于包括湿度传感器支架(11)和湿度传感器(12)；
所述湿度传感器支架(11)包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，宽槽段上开有宽槽(111)，窄槽段上开有窄槽(112)，宽槽段和窄槽段的端面上沿槽向的设置有用于湿度传感器(12)标定的螺纹孔(113)；窄槽段的侧面还设置有安装T形胶垫的光孔(114)；
湿度传感器(12)包括薄膜(121)、连接片(123)和刻有光栅的光纤(122)；
薄膜(121)的一端粘接在宽槽(111)上，另一端通过连接片(123)与光纤(122)连接，光纤(122)的另一端粘接在窄槽(112)内；
所述光纤(122)为直径125μm丙烯酸酯涂层标准单模光纤，光栅长度为6-10mm，其与窄槽(112)、连接片(123)的粘接区域均为裸纤粘接；
所述薄膜(121)的长度45mm-65mm，宽度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜(121)尺寸与宽槽(111)匹配；
薄膜(121)的一端粘接在宽槽(111)的粗糙面上；薄膜另一端通过连接片(123)与光纤(122)裸纤段粘接，确保应变通过连接片传递至光纤光栅；光纤(122)的另一端裸纤段粘接在窄槽(112)内，保证传感器在加载预置恒定应力时没有滑动松脱；
所述薄膜(121)与宽槽(111)之间、光纤(122)与窄槽(112)之间、薄膜(121)与连接片(123)之间、连接片(123)与光纤(122)之间均通过紫外固化胶粘接。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器，其特征在于：支架凹陷段上设置有通风孔(115)和减重孔(116)。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述薄膜(121)采用聚合物湿敏薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器，其特征在于：宽槽(111)的表面以及窄槽(112)表面均为粗糙面。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器，其特征在于：所述湿度传感器支架(11)长度为90mm-110mm，宽度不小于22mm，高度为6mm-9mm，宽槽段和窄槽段高度相同，宽槽段和窄槽段长度相同，均为10mm-15mm。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅湿度传感器，其特征在于：湿度传感器支架(11)采用铝合金材料。
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