CN108844655A - 一种光纤光栅温湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种光纤光栅温湿度传感器，包括：封装基片(1)和封装在所述封装基片(1)上的级联光纤光栅(2)；其中，所述封装基片(1)沿长度方向设置有贯通孔(11)和开口槽(12)，且所述贯通孔(11)和所述开口槽(12)连通；所述级联光纤光栅(2)分为两段，一段为温度光纤光栅(21)，另一段为加工成D型的湿度光纤光栅(22)，所述温度光纤光栅(21)设置在所述贯通孔(11)中，所述湿度光纤光栅(22)设置在所述开口槽(12)中且所述湿度光纤光栅(22)的平面朝上设置。既能通过封装基片增强温湿度传感器的整体机械性能，也能增加传感器光纤光栅的与被测物质的接触面积，使传感器灵敏度高，响应速度快。

Description

一种光纤光栅温湿度传感器
技术领域
本发明实施例涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种光纤光栅温湿度传感器。
背景技术
光纤光栅传感器已被应用到土木、石油、铁路等各个领域，其具有精度高、体积小、重量轻、损耗低、传输距离远、抗电磁干扰等多个优势，但由于光纤光栅本身较脆弱、且存在多个物理量交叉敏感的问题。
如图1所示，现有的温湿度传感器外封装结构一般为金属圆管结构，在其管身上开有小孔，这样会导致敏感元件不能与被测物质完全充分接触，使其接触面积小，响应速度较慢，灵敏度低等缺陷。而接触面积较大的封装结构传感器，一般只进行过简单的封装——加湿敏膜、尾纤保护套等，没有对湿度传感单元进行很好的保护，这样的传感器灵敏度较大，响应速度快，但是机械性能较差，传感器布设的存活率较低，无法达到工业应用的性能要求。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光纤光栅温湿度传感器。
本发明实施例提供了一种光纤光栅温湿度传感器，包括：封装基片1和封装在所述封装基片1上的级联光纤光栅2；其中，
所述封装基片1沿长度方向设置有贯通孔11和开口槽12，且所述贯通孔11和所述开口槽12连通；
所述级联光纤光栅2分为两段，一段为温度光纤光栅21，另一段为加工成D型的湿度光纤光栅22，所述温度光纤光栅21设置在所述贯通孔11中，所述湿度光纤光栅22设置在所述开口槽12中且所述湿度光纤光栅22的平面朝上设置。
进一步地，所述湿度光纤光栅22的平面上镀有介质膜。
进一步地，还包括两条尾纤3和对应的两个尾纤保护套4，所述两条尾纤3分别与所述级联光纤光栅2的两端连接，且每条尾纤3穿装于一个尾纤保护套4中。
进一步地，所述封装基片1上还设置有两个卡线槽13，所述两个尾纤保护套4分别固定于所述两个卡线槽13中。
进一步地，所述封装基片1上还设置有两个点焊槽14。
进一步地，所述封装基片1由304不锈钢制成。
本发明实施例提供的一种光纤光栅温湿度传感器，通过将温度光纤光栅和D型的湿度光纤光栅级联后封装在封装基片上，使得湿度光纤光栅裸露在空气中，既能通过封装基片增强温湿度传感器的整体机械性能，也能增加传感器光纤光栅的与被测物质的接触面积，是传感器灵敏度高，响应速度快。
附图说明
图1为现有技术中光纤光栅传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤光栅温湿度传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例中封装基板的结构示意图；
图4为本发明实施例中级联光纤光栅封装后的结构示意图；
图5为本发明实施例中级联光纤光栅的结构示意图；
图6为本发明实施例中D型的湿度光纤光栅的截面图；
附图标记：
1-封装基片； 2-级联光纤光栅；
3-尾纤； 4-尾纤保护套；
11-贯通孔； 12-开口槽；
13-卡线槽； 14-点焊槽；
21-温度光纤光栅； 22-湿度光纤光栅；
221-纤芯； 222-光纤包层；
223-光纤涂覆层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实施例提供的一种光纤光栅温湿度传感器，如图2所示，所述传感器包括：封装基片1和封装在所述封装基片1上的级联光纤光栅2。其中，所述封装基片1沿长度方向设置有贯通孔11和开口槽12，且所述贯通孔11和所述开口槽12连通；所述级联光纤光栅2分为两段，一段为温度光纤光栅21，另一段为加工成D型的湿度光纤光栅22，所述温度光纤光栅21设置在所述贯通孔11中，所述湿度光纤光栅22设置在所述开口槽12中且所述湿度光纤光栅22的平面朝上设置。
其中，如图3所示，封装基片1为传感器的封装结构，用于增强传感器的机械性能，同时也是实现传感器功能性的基础。级联光栅2封装在封装基片1上，可以保证光栅具有较强的机械性能的同时，级联光栅2的温度光纤光栅21设置在贯通孔11内部，湿度光纤光栅设置在开口槽12中，即温度光纤光栅21不裸露在空气中，而湿度光纤光栅22裸露在空气中，实现温湿度的测量。
优选地，封装基片1最大外尺寸为55mm*10mm*2mm，贯通孔11的直径略大于光纤直径，便于级联光纤光栅2穿过；贯通孔11的长度为15mm，直径为用于封闭温度光纤光栅21，另一端开口槽(12)的长度为15mm，用于裸露湿度光纤光栅22。
如图4所示，级联光纤光栅2分为两段，其中一段经特殊研磨工艺加工成D型，当级联光纤光栅封装完成后，D型的光纤光栅裸露于空气中，即湿度光纤光栅传感器裸露于空气中。如图5-6所示，级联光纤光栅2结构示意图如图5所示，两个级联光栅周期分别为Λ1和Λ2，对应中心波长分别为λ1和λ2；级联光栅2中D型的光纤光栅的截面如图6所示，包括纤芯221、光纤包层222及光纤涂覆层223，一般地，纤芯221的直径可设置为9μm，光纤包层222的直径可设置为125μm。
级联光纤光栅其制作方法为：普通单模光纤涂覆层223去除，用光纤侧抛研磨机抛去单模光纤包层222至纤芯221即将露出为止(或用一定浓度的HF溶液进行腐蚀)，D型光纤长度为10～12mm；将研磨好的D型光纤架在光纤光栅刻制台上刻制光纤光栅FBG2，然后平移光纤，刻制光纤光栅FBG1。
优选地，级联光纤光栅2的直径为250μm，通过紫外曝光技术，在同一根光纤上刻有两个不同波长的光纤光栅。温度光纤光栅21的长度为9mm，湿度光纤光栅经过特殊研磨工艺加工成D型，长度为9mm，两个光纤光栅中间间隔为6mm。当级联光纤光栅2穿过贯通孔11时，温度光纤光栅21正好被被置于一端的贯穿孔11中，封闭在管内；湿度光纤光栅22正好被置于另一端的开口槽12中，裸露于空气中。
本发明实施例提供的一种光纤光栅温湿度传感器，通过将温度光纤光栅和D型的湿度光纤光栅级联后封装在封装基片上，使得湿度光纤光栅于裸露在空气中，既能通过封装基片增强温湿度传感器的整体机械性能，也能增加传感器光纤光栅的与被测物质的接触面积，是传感器灵敏度高，响应速度快。
基于上述实施例，所述湿度光纤光栅22的平面上镀有介质膜。
具体地，光纤光栅刻制完成后，可在D型光纤光栅上镀上一层介质膜，增加光纤光栅湿度灵敏度。所述涂覆材料有多种，根据光纤光栅的不同用途，镀上不同材料的介质膜。
基于上述实施例，所述传感器还包括两条尾纤3和对应的两个尾纤保护套4，所述两条尾纤3分别与所述级联光纤光栅2的两端连接，且每条尾纤3穿装于一个尾纤保护套4中。
再次参考图1，尾纤3为裸光纤，非常脆弱，它是用于传感器信号的传输，尾纤护套4是用于保护传感器的尾端光纤的，为玻璃纤维材料制成。
基于上述实施例，所述封装基片1上还设置有两个卡线槽13，所述两个尾纤保护套4分别固定于所述两个卡线槽13中。
再次参考图2，卡线槽13用于固定尾纤护套4。优选地，卡线槽13长度可设置为7mm。
基于上述实施例，所述封装基片1上还设置有两个点焊槽14。
具体地，点焊槽14用于将封装基片1固定在被测结构上，更具体的是用脉冲点焊接将封装基片1上的点焊槽部位焊接在钢结构的表面进行固定安装。
基于上述实施例，所述封装基片1由304不锈钢制成。
具体地，为了保证封装基片1的机械性能，封装基片1可采用304不锈钢制造。
基于上述实施例，所述光纤光栅温湿度传感器的封装方法为：将封装基片置于光学平台上并固定，带介质膜和涂覆层的光纤光栅穿过基片的槽和孔，并用可旋转的光纤夹具将两端尾纤夹住，将光纤光栅尾纤一端接到宽带光源上，另一尾纤接到光谱仪上，对传感器封装进行实时监测；此处所说的实时监测是指在微调光纤光栅和封装基片的过程中，以及点胶过程和晾胶过程中对光纤光栅光谱特性进行实时监测。值得注意的是，在用玻璃胶进行封装时，需用显微镜观察并调整可旋光纤夹具，使得D型光纤的平面部分与基片平行且朝上。
将封装玻璃胶分别滴在光纤光栅两端，使光纤固定在不锈钢基片上，将贯穿孔端孔封上使液体或气体无法进入到贯通孔内；最后安装尾纤保护套，对尾纤进行保护，完成封装。
所述光纤光栅温湿度传感器是这样实现的：封装前，将光纤光栅上涂覆上聚酰亚胺湿敏膜后再进行封装，使得封装在开口槽12内的光纤光栅对湿度和温度敏感，而封装在贯通孔11内的光纤光栅隔绝空气或水，只对温度敏感，通过固定的光纤光栅对温度、湿度的灵敏度和温度-湿度计算方程。其中，固定的光纤光栅对温度、湿度的灵敏度和温度-湿度计算方程为本领域的公知常识，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种光纤光栅温湿度传感器，其特征在于，包括：封装基片(1)和封装在所述封装基片(1)上的级联光纤光栅(2)；其中，
所述封装基片(1)沿长度方向设置有贯通孔(11)和开口槽(12)，且所述贯通孔(11)和所述开口槽(12)连通；
所述级联光纤光栅(2)分为两段，一段为温度光纤光栅(21)，另一段为加工成D型的湿度光纤光栅(22)，所述温度光纤光栅(21)设置在所述贯通孔(11)中，所述湿度光纤光栅(22)设置在所述开口槽(12)中且所述湿度光纤光栅(22)的平面朝上设置。
2.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述湿度光纤光栅(22)的平面上镀有介质膜。
3.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，还包括两条尾纤(3)和对应的两个尾纤保护套(4)，所述两条尾纤(3)分别与所述级联光纤光栅(2)的两端连接，且每条尾纤(3)穿装于一个尾纤保护套(4)中。
4.根据权利要求3所述传感器，其特征在于，所述封装基片(1)上还设置有两个卡线槽(13)，所述两个尾纤保护套(4)分别固定于所述两个卡线槽(13)中。
5.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述封装基片(1)上还设置有两个点焊槽(14)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述传感器，其特征在于，所述封装基片(1)由304不锈钢制成。
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