CN107860408A - 一种基于fbg技术的可拆卸式湿度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，包括支架、外罩、光纤引线、光纤跳线、FBG、光纤套管、供水盒、吸水性材料；所述光纤引线、光纤跳线、FBG串联安装有支架上，FBG在光纤套管内；所述支架在外罩内，外罩表面均匀布满气孔，用于与外界通风；所述FBG的栅区部分以松弛状态置于纤套管内部以剔除应变的影响；所述光纤套管的下端和上端均利用环氧树脂固定密封；所述光纤套管有一对，分别为第一光纤套管与第二光纤套管；本发明集体积小、耐高温、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高、使用方便为一体，采用FBG技术进行环境的监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广。
Description
技术领域
本发明述于环境湿度监测领域，特别是涉及一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计。
背景技术
随着采矿、医药、食品、农业等行业对湿度测量的需求越来越大；航空航天、工业管道、高温试验箱、高温发酵试验箱等场所对湿度传感器的耐高温性能要求越来越高；石化、电力、武器炸药储存、冶金矿山等作业环境对湿度传感器的抗电磁干扰、易燃易爆性能的要求越来越严格，湿度传感测量技术也在不断得到发展，但迄今为止针对湿度测量的研究一直未像温度那样完善。目前，湿度测量通常指的是环境相对湿度(用％RH)的测量，测量方法按传感器工作原理主要划分为伸缩式、蒸发式、露点式、电子式及光电式。
传统的湿度传感器(伸缩式、蒸发式、露点式)原理简单，但由于存在体积大、与电子控制设备不兼容等问题而逐渐被电子式湿度传感器替代；电子式湿度传感器在自动化监测领域有着突出的优势，但由于其传感元件是接触式测量，其耐久性和抗污染能力差，常需每年或两年重新标定后才可重新使用，另外，电子式的感湿元件在高温高湿环境反复测量后，重复稳定性变差、容易漂移，严重时会丧失湿度感测能力。值得注意的是，蒸发式的干湿球法稳定性好、成本低廉，特别适合高温环境的湿度测量，且长期以来一直作为检定其它湿度计的标准。
近年来，随着光纤技术与光集成技术的发展，光学湿度传感器受到国内外的关注和重视。由于光纤传感元件具有体积小、耐高温、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高等优点，使其在极端或恶劣环境下的湿度测量具有不可比拟的优势。一些学者基于倏逝波原理，通过拉锥、抛磨或腐蚀等方法将光纤包层变薄并将湿敏材料(石墨烯、聚乙烯醇等)涂覆在光纤包层变薄处，湿度变化使得光纤输出光的强度发生变化从而测量湿度，但在这些传感器中光纤只起到传输的作用，无法实现分布式测量。还有一些学者将湿敏材料(聚酰亚胺、有机二氧化硅、聚碳酸酯等)涂在FBG表面，湿度变化引起湿敏材料尺寸的变化，湿敏材料尺寸变化会引起FBG的应变，从而导致反射中心波长变化，但通过在光纤上涂覆湿敏材料同样面临在高温条件下的稳定性问题，需要进行温度补偿，且实现大范围的湿度测量需要复杂的生产工序。
如中国专利201320039414.6公开了“基于弹簧辅助支持的光纤布拉格光栅湿度传感装置”，该专利将可膨胀的湿敏材料灌注于小弹簧中心，并且将弹簧两端与FBG的两端用焊锡焊接固定，构成湿度传感装置。工作时，湿敏材料膨胀带动小弹簧轴向运动，并带动FBG轴向伸展，通过检测反射波长的变化，实现湿度传感。该发明虽然利用了光纤感测技术，但是由于采用了湿敏材料，其不可避免的会存在湿敏材料的老化问题，其敏感度会随着使用时间的增加而降低。
如何克服现有技术所存在的不足已成为当今环境湿度监测技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，提供一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计。本发明具有结构简单、易于安装、适用范围广、灵敏度高、可靠性强、抗电磁干扰、安全性能好等突出的优点。
为了解决上述技术问题，本发明技术方案是，一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，包括支架、外罩、光纤引线、光纤跳线、FBG、光纤套管、供水盒、吸水性材料；所述光纤引线、光纤跳线、FBG串联安装有支架上，FBG在光纤套管内；所述支架在外罩内，外罩表面均匀布满气孔，用于与外界通风；所述FBG的栅区部分以松弛状态置于纤套管内部以剔除应变的影响；所述光纤套管的下端和上端均利用环氧树脂固定密封；
所述光纤套管有一对，分别为第一光纤套管与第二光纤套管；所述第一光纤套管位于支架一侧；所述第二光纤套管位于支架另一侧；所述第一光纤套管相对第二光纤套管表面包有吸水性材料；所述吸水性材料下端一直延伸到供水盒底部。所述供水盒位于第一光纤套管正下方，并且供水盒顶部距离第一光纤套管底部一定距离；所述供水盒在湿度计工作时应确保其中有蒸馏水。
另设有支架底座、铁质连接头、强力磁铁、供水盒、吸水性材料；所述支架竖直固定于支架底座中央；所述支架底座为正方形，其上有一个正方形凹槽，用于与外罩相连接；所述外罩为一个五面的长方体，其表面均匀布满气孔，用于与外界通风；所述支架左右两边支架柄下分别固定一个圆形强力磁铁；所述强力磁铁上有一个长方形的磁铁缺口，磁铁缺口服务用于光纤走线；所述支架架体上设置有与光纤引线粗细相适应的光纤槽，将光纤引线固定。
所述铁质连接头为一铁质的圆柱形空心管，直径略大于光纤套管，与强力磁铁直径相适应；所述连接头通过磁力与强力磁铁相连接，为可拆卸式结构；
所述连接头为一铁质的圆柱形空心管，所述光纤套管插入连接头圆柱形空心管一定深度，两者之间通过环氧树脂填充固定。
所述FBG的栅区部分以松弛状态置于光纤套管内部；所述光纤套管的下端和上端均利用环氧树脂固定密封；所述FBG的下端与光纤跳线连接；所述FBG的上端通过光纤引线与另一个光纤套管内的FBG上端连接。
在一条长距离的独立光纤上，以菊花链的形式连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。
所述第一光纤套管位于支架左侧；所述第二光纤套管位于支架右侧；所述第一光纤套管相对第二光纤套管表面包有吸水性材料；所述吸水性材料下端一直延伸到供水盒底部；所述供水盒位于第一光纤套管正下方，并且供水盒顶部距离第一光纤套管底部一定距离；所述供水盒在湿度计工作时应确保其中有蒸馏水，且供水盒水位高度位于供水盒高度的1/3与4/5之间。
本发明的实现原理是：光纤布拉格光栅(FBG)技术是一种准分布式光纤监测技术，它通过复用技术可将多个FBG串在同一根光纤上，可形成监测网络。FBG感测原理是利用光纤中反射光波长变化量和光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现传感，该关系可以表示为：
式中，Δλ为FBG波长变化量，ε为光纤轴向应变，ΔT为温度变化，Pe为光纤的弹光系数，α为光纤热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。由上式可知，当光纤呈无应力的松弛状态时，其波长变化量与温度呈线性关系。
第二光纤套管中的FBG用于测量环境温度，其测量值用t表示；第一光纤套管用吸水性材料包裹并与供水盒相连，由于材料套上水分蒸发需吸热，使其温度降低，其值用tw表示。当空气中的相对湿度发生变化时，t与tw就会产生差值，从而就可以测定空气中的相对湿度。其原理与干湿球湿度计相似，相对湿度的计算公式为：
式中：U表示相对湿度(％RH)，e为实际水汽压(MPa)，ew(t)、ew(tw)分别为干球温度t和湿球温度tw所对应的纯水平面饱和水汽压(MPa)，A为干湿球系数(℃-1)，取决于通风速度和温度表感应球部的形状，P为气压(MPa)，(t-tw)为干湿球温度差(℃)。
根据中国国家标准化管理委员会发布的《环境试验用相对湿度查算表》(GB/T6999-2010)，纯水平面饱和水汽压ew的计算公式如下：
式中：T1＝273.16K(水的三相点温度；K，绝对温度)，T＝273.15+t。
在使用上述公式计算湿度时，只考虑在不结冰(0～50℃)的温度范围内。在结冰时，ew(t)要改用冰面饱和水汽压计算公式ei(t)。饱和水汽压的计算公式是一切湿度计算的基础，但实际应用起来并不方便，根据钱同生的研究，提出饱和水汽压的公式的一个近似公式，与标准公式相比，在0～50℃范围里误差<0.1％，在0～40℃范围里误差<0.01％。此近似公式的表达式为：
lgew(t)＝43066-1790/(t+238)
因此通过本发明中的FBG技术就可以进行环境湿度的监测。
由于光纤布拉格光栅可以被植入不同的特定反射波长，所以可以利用它来实现良好的波分复用(wdm)技术。在一条长距离的独立光纤上，以菊花链的形式连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。波分复用技术在可用的光学广谱中为每一个FBG传感器分配了一个特定的波长范围供其使用。由于光纤布拉格光栅固有的波长特性，就算在传输过程中由于光纤介质的弯曲和传输造成了光强的损耗和衰减，传感器测得的结果也仍然能够保持准确。每一个独立的光纤布拉格光栅传感器的工作波长范围和波长探询器可探询的总波长范围决定了在一条单独的光纤上可以挂接的传感器的数量。
有益效果：本发明通过分别记录第一光纤套管与第二光纤套管内的FBG监测的温度t与tw，根据相关公式就可以算出实时的环境湿度。本发明集体积小、耐高温、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高、使用方便为一体，采用FBG技术进行环境的监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广。
本发明与现有技术相比其显著优点还在于，
第一，本发明是一种体积小、耐高温、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高、使用方便为一体的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计，填补了现有技术的空白。第二，本发明采用FBG技术进行环境的监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广。第三，多个本发明装置可以通过光纤引线相连，进行一定程度的准分布式测量。第四，本发明各个部件之间连接简单，可随意拆卸，便携性好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的总体结构示意图。
图2是本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的支架的仰视图。
图3是本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的支架的结构示意图。
图4是本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的支架底座的俯视图。
图5是本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的两类光纤套管结构示意图。
图6是本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的总体外观图。
其中：101-外罩；102-支架；103-支架底座；104-供水盒；105-供水盒水位；1061-第一光纤套管；1062-第二光纤套管；107-光纤跳线；108-连接头；109-强力磁铁；110-光纤跳线；111-吸水性材料；112-FBG；201-光纤槽；202-磁铁缺口；301-支架柄；302-支架柱；401-凹槽；601-气孔。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
结合图1-6，本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计，包括支架(102)、支架底座(103)、外罩(101)、光纤引线(110)、光纤跳线(107)、FBG(112)、连接头(108)、强力磁铁(109)、供水盒(104)、吸水性材料(111)；所述支架(102)竖直固定于支架底座(103)中央；所述支架底座(103)为正方形，其上有一个正方形凹槽(401)，用于与外罩(101)相连接；所述外罩(101)为一个五面的长方体，其表面均匀布满气孔(601)，用于与外界通风；所述支架左右两边支架柄(301)下分别固定一个圆形强力磁铁(109)；所述强力磁铁(109)上有一个长方形的磁铁缺口(202)，便于光纤走线；所述支架(102)架体上设置有与光纤引线(110)粗细相适应的光纤槽(201)，可将光纤引线(110)固定；
所述连接头(108)为一铁质的圆柱形空心管，直径略大于光纤套管(106)，与强力磁铁(109)直径相适应；所述连接头(108)通过磁力与强力磁铁(109)相连接，为可拆卸式结构；所述光纤套管(106)插入连接头(108)一定深度，两者之间通过环氧树脂填充固定；所述光纤套管(106)内部插有FBG(112)的栅区部分；所述FBG(112)的栅区部分以松弛状态置于纤套管内部以剔除应变的影响，保证FBG(112)的波长变化只受温度的影响；所述光纤套管(106)的前端和后端都利用环氧树脂固定密封；所述FBG(112)的下端与光纤跳线(107)连接；所述FBG(112)的上端通过光纤引线(110)与另一个光纤套管(106)内的FBG(112)上端连接；
所述光纤套管(106)有两类，分别为第一光纤套管(1061)与第二光纤套管(1062)；所述第一光纤套管(1061)位于支架(102)左侧；所述第二光纤套管(1062)位于支架(102)右侧；所述第一光纤套管(1061)相对第二光纤套管(1062)表面包有吸水性材料(111)；所述吸水性材料(111)下端一直延伸到供水盒(104)底部；所述供水盒(104)位于第一光纤套管(1061)正下方，并且供水盒(104)顶部距离第一光纤套管(1061)底部一定距离；所述供水盒(104)在湿度计工作时应确保其中有蒸馏水，且供水盒水位(105)高度位于供水盒高度的1/3与4/5之间；
本实施例的具体操作步骤如下：
步骤一，组装仪器：具体的，首先将两个连接头(108)通过磁力固定在强力磁铁(109)上，同时把两个连接头(108)间的光纤引线(110)置入光纤槽(201)中，然后在第二光纤套管(1062)下安放供水盒(104)，并将第二光纤套管(1062)上包裹吸水性材料(111)，保持吸水性材料(111)底端位于供水盒(104)底部，并在供水盒(104)中注入蒸馏水，保持供水盒水位(105)高度位于供水盒高度的1/3与4/5之间，最后将外罩(101)通过支架底座(103)上的凹槽(401)与支架底座(103)相连接；
步骤二，连接装置：将本发明提出的一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计的光纤跳线(107)与FBG解调仪相连接，通过FBG解调仪进行FBG(112)的温度监测；
步骤三，检测装置状态：保证各部件之间连接良好，光纤引线(110)之间无打结，检查光纤跳线(107)与FBG解调仪间连接状态。
步骤四，进行监测：开启FBG解调仪进行实时监测，并分别记录第一光纤套管(1061)与第二光纤套管(1062)内的FBG(112)监测的温度t与tw，根据下列公式就可以算出实时的湿度。
其中：
lgew(t)＝43066-1790/(t+238)
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明述于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
本发明提供了一种基于FBG技术的可拆卸式新型湿度计，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，包括支架、外罩、光纤引线、光纤跳线、FBG、光纤套管、供水盒、吸水性材料；所述光纤引线、光纤跳线、FBG串联安装有支架上，FBG在光纤套管内；所述支架在外罩内，外罩表面均匀布满气孔，用于与外界通风；所述FBG的栅区部分以松弛状态置于纤套管内部以剔除应变的影响；所述光纤套管的下端和上端均利用环氧树脂固定密封；
所述光纤套管有一对，分别为第一光纤套管与第二光纤套管；所述第一光纤套管位于支架一侧；所述第二光纤套管位于支架另一侧；所述第一光纤套管相对第二光纤套管表面包有吸水性材料；所述吸水性材料下端一直延伸到供水盒底部。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于另设有支架底座、铁质连接头、强力磁铁、供水盒、吸水性材料；所述支架竖直固定于支架底座中央；所述支架底座为正方形，其上有一个正方形凹槽，用于与外罩相连接；所述外罩为一个五面的长方体，其表面均匀布满气孔，用于与外界通风；所述支架左右两边支架柄下分别固定一个圆形强力磁铁；所述强力磁铁上有一个长方形的磁铁缺口，磁铁缺口服务用于光纤走线；所述支架架体上设置有与光纤引线粗细相适应的光纤槽，将光纤引线固定。
3.根据权利要求2所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于，所述铁质连接头为一铁质的圆柱形空心管，直径略大于光纤套管，与强力磁铁直径相适应；所述连接头通过磁力与强力磁铁相连接，为可拆卸式结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于，所述连接头为一铁质的圆柱形空心管，所述光纤套管插入连接头圆柱形空心管一定深度，两者之间通过环氧树脂填充固定。
5.根据权利要求4所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于，所述FBG的栅区部分以松弛状态置于光纤套管内部；所述光纤套管的下端和上端均利用环氧树脂固定密封；所述FBG的下端与光纤跳线连接；所述FBG的上端通过光纤引线与另一个光纤套管内的FBG上端连接。
6.根据权利要求1-3之一所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于，在一条长距离的独立光纤上，以菊花链的形式连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。
7.根据权利要求6所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于，所述第一光纤套管位于支架左侧；所述第二光纤套管位于支架右侧；所述第一光纤套管相对第二光纤套管表面包有吸水性材料；所述吸水性材料下端一直延伸到供水盒底部；所述供水盒位于第一光纤套管正下方，并且供水盒顶部距离第一光纤套管底部一定距离；所述供水盒在湿度计工作时应确保其中有蒸馏水，且供水盒水位高度位于供水盒高度的1/3与4/5之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于FBG技术的可拆卸式湿度计，其特征在于所述供水盒位于第一光纤套管正下方，并且供水盒顶部距离第一光纤套管底部一定距离；所述供水盒在湿度计工作时应确保其中有蒸馏水。
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