CN108168586A - 一种光纤光栅温湿度一体传感器 - Google Patents

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李明
闫海涛
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Abstract

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅温湿度一体传感器。一种光纤光栅温湿度一体传感器，包括湿度传感原件区、温度传感原件区和光纤，所述的湿度传感原件区和温度传感原件区设置于同一光纤上，光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。本发明更加精确、有效地解决温湿度一体传感器的温湿度交叉敏感问题。实现了光纤光栅温湿度一体传感器的工程化制作。

Description

一种光纤光栅温湿度一体传感器
技术领域
本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅温湿度一体传感器。
背景技术
对温度和湿度的监测在气象、仓储、土木工程等领域都有很重要的地位，随着科学技术的进步以及工业化需求，对温湿度传感器在环境适应性，测量精度、测量范围等方面提出了越来越高的要求。目前，电学式温湿度传感器以其低成本、响应速度快、信号便于处理等优点，在市场上仍处于主导地位。然而，电学式传感器存在互换性差和长期稳定性不足等缺点，且不适合应用于电工电力、石油化工等存在易燃易爆恶劣环境的领域。
光纤光栅式温湿度传感器是随着光纤通讯技术发展起来的一种新型温湿度传感器，与传统电学式温湿度传感器相比，具有抗电磁干扰，电绝缘性好、动态范围大等优点，并且传感部分质量轻，体积小，结构和几何形状多样化，易于复用组网实现实时、在线、分布式传感。
目前光纤光栅式温湿度一体化传感器主要采用的是双光栅结构，在其中一个栅区涂覆湿敏材料进行湿度传感，而裸露另一个栅区进行温度测量及补偿。这种方式从一定程度上实现了温湿度双参量的测量，然而也存在着许多问题：在涂覆湿敏材料时可能会存在粘附不均及边缘翘曲的问题，引起光栅的啁啾现象；所涂覆的湿敏材料厚度及长度不易控制，造成批量制作的温湿度传感器灵敏度不一致；涂覆湿敏材料的光栅其中心波长偏移主要受制于温度变化和湿敏材料对栅区产生的轴向应力，而湿敏材料产生的轴向形变是由湿度和温度的变化共同引起的，裸露的温补光栅中心波长的漂移仅受制于环境温度的变化，现有的温补方式忽略了由温度引起的湿敏材料产生的轴向应变，从而使测量结果产生误差，因此不能对温湿度交叉敏感进行精确的补偿。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种工程化高精度光纤光栅温湿度一体传感器，其有效解决了传感器的温湿度交叉敏感问题。实现了光纤光栅温湿度一体传感器的工程化制作。
本发明的技术方案是：
一种光纤光栅温湿度一体传感器，包括湿度传感原件区、温度传感原件区和光纤，所述的湿度传感原件区和温度传感原件区设置于同一光纤上，光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。
所述的湿度传感原件区对应的纤芯上设置有湿度传感原件区光栅，所述湿度传感原件区内的包层外部设置有由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管一，所述的湿敏材料套管一的两端部通过环氧树脂结构胶一固定在包层上。
所述的温度传感原件区对应的纤芯上设置有温度传感原件区光栅，所述温度传感原件区内的包层外部设置有由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管二，所述的湿敏材料套管二的两端部通过环氧树脂结构胶二固定在包层上，所述的湿敏材料套管二外镀覆有金属铝膜。
具体的，所述的湿度传感原件区光栅和温度传感原件区光栅的中心波长相差1nm以上，同时施加相同的0.37-1.49N的预应力。
具体的，所述的改性湿敏材料为含有氟基、苯基等疏水基的改性聚酰亚胺或聚乙烯醇等湿敏材料。
具体的，所述的金属铝膜厚度为150-300nm。
具体的，所述的湿敏材料套管一和湿敏材料套管二的内径都为0.3mm，壁厚相同都为0.03-0.08mm。
与现有技术相比，本发明所提供的光纤光栅温湿度一体传感器具有如下有益技术效果：1、采用含有疏水基的改性湿敏材料有效改善了光纤光栅式湿度传感器响应时间长、湿滞性严重的问题；2、采用湿敏材料套管环设在光栅区，并用环氧树脂结构胶将其固定在栅区，有效解决了传统方法涂覆湿敏薄膜时可能存在粘附不均及边缘翘曲，而引起光栅啁啾现象的问题；3、通过改变湿敏薄膜套管的长度和壁厚，并对光栅施加一定的预应力，可以在有限范围内调节湿度传感器的中心波长和灵敏度；4、在温度传感原件区内的包层外部设置和湿度传感原件区一样的由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管并在所述的湿敏材料套管外涂覆金属铝膜，更加精确、有效地解决温湿度一体传感器的温湿度交叉敏感问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
1纤芯、2包层、3涂覆层、4湿度传感原件区、41湿度传感原件区光栅、
42湿敏材料套管一、43环氧树脂结构胶一、5温度传感原件区、
51温度传感原件区光栅、52湿敏材料套管二、53环氧树脂结构胶二、
54金属铝膜。
具体实施方式
如图1所示为一种光纤光栅温湿度一体传感器的结构示意图，包括湿度传感原件区4、温度传感原件区5和光纤，所述的湿度传感原件区4和温度传感原件区5设置于同一光纤上，光纤由纤芯1、包层2和涂覆层3组成。
所述的湿度传感原件区4对应的纤芯1上设置有湿度传感原件区光栅41，所述的湿度传感原件区4的光纤剥去涂覆层3，所述湿度传感原件区4内的包层2外部设置有由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管一42，所述的湿敏材料套管一42的两端部通过环氧树脂结构胶一43固定在包层2上。
所述的温度传感原件区5对应的纤芯1上设置有温度传感原件区光栅51，所述的温度传感原件区5的光纤剥去涂覆层3，所述温度传感原件区5内的包层2外部设置有由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管二52，所述的湿敏材料套管二52的两端部通过环氧树脂结构胶二53固定在包层2上，所述的湿敏材料套管二52外镀覆有金属铝膜54，金属铝膜54厚度为150-300nm。
所述的湿度传感原件区光栅41和温度传感原件区光栅51的中心波长相差1nm以上，以避免实际测量中两个光栅中心波长出现交叉，，并施加相同的0.37-1.49N的预应力使两者的中心波长都偏移为0.5-2nm。湿敏材料套管一42和湿敏材料套管二52的内径都为0.3mm，壁厚相同都为0.03-0.08mm，以改变湿度传感部分的灵敏度，长度可根据栅区长度设定。所述制作湿敏材料套管一42和湿敏材料套管二52的改性湿敏材料为含有氟基、苯基等疏水基的改性聚酰亚胺或聚乙烯醇等湿敏材料，具有更好的吸湿和脱湿性能，能有效改善湿度传感器的响应时间和湿滞误差。
本发明的工作原理如下：在传感过程中，湿度传感原件区4的湿敏材料套管一42由于湿度和温度的变化会发生形变，对湿度传感原件区光栅41产生轴向的应变力，使湿度传感原件区光栅41的中心波长产生偏移。另外湿度传感原件区光栅41本身也受温度的影响会产生中心波长的漂移，即：
Δλ湿＝Δλ管湿+Δλ管温+Δλ0
式中，Δλ湿为湿度传感原件区光栅41中心波长产生的偏移量，Δλ管湿为湿敏材料套管一42由于湿度敏感性产生形变而使湿度传感原件区光栅41中心波长产生的偏移，Δλ管温为湿敏材料套管一42由于温度敏感性产生形变而使湿度传感原件区光栅41中心波长产生的偏移。Δλ0为湿度传感原件区光栅41本身由于温度敏感性而使光栅中心波长产生的偏移。
温度传感原件去5的湿敏材料套管二52由于金属铝薄膜54的保护，仅仅受温度的影响。即：
Δλ温＝Δλ管温+Δλ0
因此，在利用本发明的温湿度一体传感器进行测量时，由于湿度变化而引起湿度传感原件区光栅41中心波长的真实偏移量为Δλ湿-Δλ温，即进行了温度补偿。
最后，根据负责湿度测量的湿度传感原件区光栅41中心波长与湿度的对应关系计算出所测环境的湿度值，根据负责温度测量的温度传感原件区光栅51中心波长与温度的对应关系计算出所测环境的温度值。
具体实施方式1
本具体实施方式所用光纤为外直径0.25mm，包层直径0.125mm的单模光纤，栅区长为10mm。所选湿敏材料为含氟聚酰亚胺，所制成的套管42、52的内径为0.3mm，壁厚0.05mm，长度为28mm。湿度传感原件区4和温度传感原件区5的栅区裸纤长度为30mm，并依次用丙酮、酒精将裸纤清洗干净。
制作本发明提供的传感器时将含氟聚乙烯醇湿敏材料套管一42和湿敏材料套管二52分别固定在裸纤中间，两者的两端各留1mm裸纤，便于用点胶机滴涂环氧树脂结构胶一43和环氧树脂结构胶二53；然后分别给给湿度传感原件区光栅41和温度传感原件区光栅51施加0.75N的预应力，以便在有限范围内调节光栅的中心波长，提高传感器灵敏度。然后加热固化湿敏材料套管一42和湿敏材料套管二52两端的环氧树脂结构胶一43和环氧树脂结构胶二53，所用环氧树脂结构胶具有良好的力学强度，并且耐高温、耐腐蚀，保证了传感器的长期稳定性。
温度传感原件区5采用热蒸镀法镀覆金属铝薄膜54，金属铝膜54厚度为180nm。金属铝膜54的温度膨胀系数与湿敏材料的温度膨胀系数相近，并且厚度足够薄，不会影响湿敏材料套管二52的热膨胀性能，并且可以避免湿敏材料套管二52与外界环境接触。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种光纤光栅温湿度一体传感器，包括湿度传感原件区(4)、温度传感原件区(5)和光纤，所述的湿度传感原件区(4)和温度传感原件区(5)设置于同一光纤上，光纤由纤芯(1)、包层(2)和涂覆层(3)组成，其特征在于，
所述的湿度传感原件区(4)对应的纤芯(1)上设置有湿度传感原件区光栅(41)，所述湿度传感原件区(4)内的包层(2)外部设置有由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管一(42)，所述的湿敏材料套管一(42)的两端部通过环氧树脂结构胶一(43)固定在包层(2)上；
所述的温度传感原件区(5)对应的纤芯(1)上设置有温度传感原件区光栅(51)，所述温度传感原件区(5)内的包层(2)外部设置有由改性湿敏材料制作的湿敏材料套管二(52)，所述的湿敏材料套管二(52)的两端部通过环氧树脂结构胶二(53)固定在包层(2)上，所述的湿敏材料套管二(52)外镀覆有金属铝膜(54)。
2.根据权利要求1所述光纤光栅温湿度一体传感器，其特征在于，所述的湿度传感原件区光栅(41)和温度传感原件区光栅(51)的中心波长相差1nm以上，同时施加相同的0.37-1.49N的预应力。
3.根据权利要求1所述光纤光栅温湿度一体传感器，其特征在于，所述的改性湿敏材料为含有氟基、苯基等疏水基的改性聚酰亚胺或聚乙烯醇等湿敏材料。
4.根据权利要求1所述光纤光栅温湿度一体传感器，其特征在于，所述的金属铝膜(54)厚度为150-300nm。
5.根据权利要求1所述光纤光栅温湿度一体传感器，其特征在于，所述的湿敏材料套管一(42)和湿敏材料套管二(52)的内径都为0.3mm，壁厚相同，都为0.03-0.08mm。
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