CN108896488A - 光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置 - Google Patents

光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置。该光纤湿度传感器包括：光纤，以及与所述光纤连接的布拉格光栅，划分有裸露区和涂覆区，所述涂覆区涂覆有聚酰亚胺涂覆层，使得所述涂覆区能响应温度和湿度的变化，其中，所述裸露区只能响应温度的变化。通过在布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，使其能响应温度和湿度的变化，而没有涂覆聚酰亚胺涂覆层的部分只能响应温度的变化，由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，实现了湿度测量过程中温度的自适应补偿，彻底消除了温度对湿度的干扰，提高了传感器的测量精度及长期稳定性。

Description

光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置。
背景技术
在信息技术和工业技术高度发展的今天，烟草行业、武器炸药存储、电力行业、土木工程、化工行业等对湿度传感器的要求越来越高。传统的电容或电阻式湿度传感器响应速度快、测量精度高，但长期稳定性、抗电磁干扰能力差，不适合在易燃易爆等恶劣环境下使用。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置，以有效地改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种光纤湿度传感器，包括：光纤；以及与所述光纤连接的布拉格光栅，划分有裸露区和涂覆区，所述涂覆区涂覆有聚酰亚胺涂覆层，使得所述涂覆区能响应温度和湿度的变化，其中，所述裸露区只能响应温度的变化。通过在布拉格光栅的涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层，使其能响应温度和湿度的变化，而没有涂覆聚酰亚胺涂覆层的部分只能响应温度的变化，由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，实现了湿度测量过程中温度的自适应补偿，彻底消除了温度对湿度的干扰，提高了传感器的测量精度及长期稳定性。
结合第一方面，在本发明可选的实施例中，所述光纤为单模光纤，所述布拉格光栅为C波段光纤布拉格光栅。
结合第一方面，在本发明可选的实施例中，所述布拉格光栅的光栅长度介于10mm－12mm之间。
结合第一方面，在本发明可选的实施例中，所述涂覆区为光栅长度的一半。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤湿度传感器的制作方法，包括：提供一布拉格光栅；在所述布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，使得所述一部分能响应温度和湿度的变化，其中，未涂覆有所述聚酰亚胺涂覆层的光栅部分只能响应温度的变化。通过在布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，使其能响应温度和湿度的变化，而没有涂覆聚酰亚胺涂覆层的部分只能响应温度的变化，由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，实现了湿度测量过程中温度的自适应补偿，彻底消除了温度对湿度的干扰，提高了传感器的测量精度及长期稳定性。
结合第二方面，在本发明可选的实施例中，在所述布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，包括：在所述布拉格光栅上划分裸露区和涂覆区；在所述涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层。
结合第二方面，在本发明可选的实施例中，在所述涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层之前，还包括：对所述布拉格光栅的裸露区进行封装保护。避免涂覆过程溶液侵入该光栅段。
第三方面，本发明实施例还提供了一种数据处理方法，包括：接收上述第一方面实施例提供的所述的光纤湿度传感器采集的信号；根据预设算法对所述光纤湿度传感器采集的信号进行预处理，得到待测环境的湿度值。由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，在湿度测量过程中，以裸光栅反射光谱信号为基准，涂覆聚酰亚胺溶液光栅反射光谱信号为湿度引入的变量，通过计算两者的差值，就可以得到相对湿度，从而建立光谱变化差值和湿度的对应函数关系，实现对环境湿度的精确测量。
结合三方面，在本发明可选的实施例中，所述预设算法为中心波长差值法、3db带宽法和图形面积法中的至少一种。
第四方面，本发明实施例还提供了一种采集装置，包括：光纤解调仪和上述第一方面实施例提供的所述光纤湿度传感器，所述光纤湿度传感器与所述光纤解调仪连接；所述光纤解调仪用于根据预设算法对所述光纤湿度传感器传输的信号进行预处理，得到待测环境的湿度值，其中，所述预设算法为中心波长差值法、3db带宽法和图形面积法中的至少一种。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1示出了本发明实施例提供的一种光纤湿度传感器的结构示意图。
图2示出了本发明实施例提供的一种光纤湿度传感器的制作方法的流程图。
图3示出了本发明实施例提供的对光纤湿度传感器进行封装时的结构示意图。
图4示出了本发明实施例提供的一种数据处理方法的流程图。
图5示出了本发明实施例提供的光纤湿度传感器的光栅峰值曲线示意图。
图6示出了本发明实施例提供的波长差与环境湿度值的函数关系曲线示意图。
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、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
光纤湿度传感器是一种新型无源传感装置，相比传统的电子类湿度传感器，光纤传感器不仅具有响应速度快、体积小、测量范围宽、防水、防火、耐腐蚀、抗电磁干扰等独特优势，而且可以实现非接触式无损检测及分布式测量，能够从本质上解决易燃易爆及强电磁环境下湿度测量的难题。
由于光栅本身对温度的敏感性，因此，目前的光纤湿度传感器在制作过程中一般会选取一只额外的光栅作为温度补偿光栅(即包括两个光栅)，由于两光栅系数的差异及光栅感温的非同步性，导致温度补偿效果欠佳，湿度测量精度不高。
针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤湿度传感器，如图1所示。该光纤湿度传感器包括：光纤，以及与所述光纤连接的布拉格光栅。所述布拉格光栅划分有裸露区和涂覆区，所述涂覆区涂覆有聚酰亚胺涂覆层，使得所述涂覆区能响应温度和湿度的变化，其中，所述裸露区只能响应温度的变化。
其中，由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，实现了湿度测量过程中温度的自适应补偿，彻底消除了温度对湿度的干扰，提高了传感器的测量精度及长期稳定性。
其中，作为一种可选的实施方式，所述光纤为单模光纤，所述布拉格光栅为C波段光纤布拉格光栅。作为一种可选的实施方式，所述布拉格光栅的光栅长度介于10mm－12mm之间。例如，该C波段光纤布拉格光栅的光栅长度介于10mm－12mm之间，如，10mm、10.1mm、10.2mm、10.3mm、10.4mm、10.5mm、10.6mm、10.7mm、10.8mm、10.9mm、11mm、11.1mm、11.2mm、11.3mm、11.4mm、11.5mm、11.6mm、11.7mm、11.8mm、11.9mm、12mm等数值。
其中，需要说明的是，上述的布拉格光栅还可以为其他波段的光纤布拉格光栅，例如，L波段光纤布拉格光栅。
其中，作为一种可选的实施方式，所述涂覆区为光栅长度的一半。例如，该涂覆区的长度介于5mm－6mm之间。
本发明实施例还提供了一种光纤湿度传感器的制作方法，如图2所示。下面将结合图2所示的步骤对这一过程进行说明。
步骤S101：提供一布拉格光栅。
步骤S102：在所述布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，使得所述一部分能响应温度和湿度的变化，其中，未涂覆有所述聚酰亚胺涂覆层的光栅部分只能响应温度的变化。
其中，作为一种可选的实施方式，在所述布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，包括：在所述布拉格光栅上划分裸露区和涂覆区；在所述涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层。
为了避免涂覆过程溶液侵入该光栅的裸露区，作为一种可选的实施方式，在所述涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层之前，还包括：对所述布拉格光栅的裸露区进行封装保护。例如，采用壳体(如细钢管)对一半的光栅(裸露区)进行封装保护，其示意图如图3所示。然后对未采用钢管保护的光栅部分涂覆聚酰亚胺涂覆层。
其中，也可根据光栅尺寸、所需灵敏度(灵敏度较低)等要求采用提拉镀膜的方法进行聚酰亚胺涂覆层的涂覆，镀膜前预先计算光栅长度及预涂覆长度，设定涂覆设备参数，可实现光栅尺寸的精确涂覆。此外，针对高灵敏度的需求，可采用物理涂覆聚酰亚胺溶液的方法，增加光栅镀膜厚度，以提高传感器灵敏度，最后高温固化、封装，形成涂覆层。
本发明实施例还提供了一种数据处理方法，如图4所示。下面将结合图4所示的步骤对这一过程进行说明。
步骤S201：接收光纤湿度传感器采集的信号。
接收上述的光纤湿度传感器采集的信号。
步骤S202：根据预设算法对所述光纤湿度传感器采集的信号进行预处理，得到待测环境的湿度值。
由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，在湿度测量过程中，以裸光栅反射光谱信号为基准，涂覆聚酰亚胺溶液光栅反射光谱信号为湿度引入的变量，通过计算两者的差值，就可以得到相对湿度，从而建立光谱变化差值和湿度的对应函数关系，实现对环境湿度的精确测量。
采用在光栅表层涂覆聚酰亚胺溶液的方式实现湿度的增敏测量，聚酰亚胺涂覆层仅涂覆光栅长度的一半，以此响应温度及湿度的变化；光栅另一半为裸光栅，仅响应温度的变化，作为温度参考。由于温度与湿度的感应都采用同一光栅，光栅系数一致且感温同步，湿度测量过程中温度的变化导致光栅两部分反射峰整体正向移动或整体负向移动。理想状态，在一定温湿度环境下，若湿度值为零，由湿度引起的光栅波长变化为零，则光栅两部分由温度变化引起的反射峰保持重合，即λa＝λb；若湿度值不为零，裸光栅仅响应温度的变化，反射峰与之前保持不变，带涂覆层的光栅表面聚酰亚胺吸水膨胀，涂覆段光栅在感应温度基础上受聚酰亚胺带来的拉力，反射峰右移，如图5所示，因此，通过测量二者反射峰中心波长的相对变化量与环境湿度的对应关系，即实现了对湿度测量过程温度的自适应补偿。
其中，所述预设算法为中心波长差值法、3db带宽法和图形面积法中的至少一种。对相对湿度的计算方法按测量精度由低到高分别可采用心波长差值法、3db带宽法、图形面积法三种形式。
其中，所述中心波长差值法计算湿度值为：设未涂覆的光栅部分反射中心波长为λa，涂覆后的光栅部分反射中心波长为λb，则湿度值H的计算公式为：H＝k1·(λb-λa)+d1，其中k1为两光栅中心波长差值随环境湿度变化曲线的斜率，d1为截距。
其中，所述3db带宽法计算湿度值为：设未涂覆与已涂覆光栅反射中心波长功率值较小者为w，函数y＝w－3与光栅峰值曲线两侧交点的横坐标分别为λn、λm则湿度值H的计算公式为：H＝k2·(λm-λn)+d2，其中k2为光栅3db带宽随环境湿度变化曲线的斜率，d2为截距。
其中，所述图形面积法计算湿度值为：设未涂覆与已涂覆光栅反射光栅峰值曲线与函数y＝w0围成的图形面积为S，其中w0的选取原则为图形面积为S包含两光栅完整的光谱峰值信号，则湿度值H的计算公式为：H＝k3·S+d3，其中k3为光栅峰值曲线与函数y＝w0围成的图形面积S随环境湿度变化曲线的斜率，d3为截距。
其中，图6示出了采用中心波长差值法计算湿度值的实例，设环境温度为T0、相对湿度为H0状态下，未涂覆的光栅反射中心波长为λa，涂覆后的光栅部分反射中心波长为λb，两者的差值Δλ＝λb-λa，依次改变相对湿度值，建立相对湿度与两光栅波长差序列(H0，Δλ0)……(Hi，Δλi)，以两光栅波长差值Δλ为横坐标，湿度值H为纵坐标建立两者的函数关系曲线，其中k1＝0.5023、d1＝－5.3765。
其中，所述3db带宽法与图形面积法计算湿度值的方法与中心波长差值法类似，二者分别以未涂覆的光栅与涂覆后的光栅反射峰中心波长的3db带宽与面积S为横坐标，相对湿度值为纵坐标，建立二者的函数关系曲线，由此确定相关的斜率k及截距d的值。
本发明实施例还提供了一种采集装置，包括：光纤解调仪和上述光纤湿度传感器。所述光纤湿度传感器与所述光纤解调仪连接。所述光纤解调仪用于根据预设算法对所述光纤湿度传感器传输的信号进行预处理，得到待测环境的湿度值，其中，所述预设算法为中心波长差值法、3db带宽法和图形面积法中的至少一种。
其中，所述光纤解调仪包括处理器，处理器用于根据预设算法对所述光纤湿度传感器传输的信号进行预处理，得到待测环境的湿度值。
其中，上述的处理器为一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。于本实施例中，优选地，该处理器可以是STM32系列的处理器，例如STM32F103C8T6、STM32F103VET6等型号。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
其中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤湿度传感器，其特征在于，包括：
光纤；
以及与所述光纤连接的布拉格光栅，划分有裸露区和涂覆区，所述涂覆区涂覆有聚酰亚胺涂覆层，使得所述涂覆区能响应温度和湿度的变化，其中，所述裸露区只能响应温度的变化。
2.根据权利要求1所述的光纤湿度传感器，其特征在于，所述光纤为单模光纤，所述布拉格光栅为C波段光纤布拉格光栅。
3.根据权利要求2所述的光纤湿度传感器，其特征在于，所述布拉格光栅的光栅长度介于10mm－12mm之间。
4.根据权利要求1－3任一项所述的光纤湿度传感器，其特征在于，所述涂覆区为光栅长度的一半。
5.一种光纤湿度传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一布拉格光栅；
在所述布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，使得所述一部分能响应温度和湿度的变化，其中，未涂覆有所述聚酰亚胺涂覆层的光栅部分只能响应温度的变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述布拉格光栅的一部分涂覆聚酰亚胺涂覆层，包括：
在所述布拉格光栅上划分裸露区和涂覆区；
在所述涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述涂覆区涂覆聚酰亚胺涂覆层之前，还包括：
对所述布拉格光栅的裸露区进行封装保护。
8.一种数据处理方法，其特征在于，包括：
接收如权利要求1－4任一项所述的光纤湿度传感器采集的信号；
根据预设算法对所述光纤湿度传感器采集的信号进行预处理，得到待测环境的湿度值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设算法为中心波长差值法、3db带宽法和图形面积法中的至少一种。
10.一种采集装置，其特征在于，包括：光纤解调仪和如权利要求1－4任一项所述光纤湿度传感器，所述光纤湿度传感器与所述光纤解调仪连接；
所述光纤解调仪用于根据预设算法对所述光纤湿度传感器传输信号进行预处理，得到待测环境的湿度值，其中，所述预设算法为中心波长差值法、3db带宽法和图形面积法中的至少一种。
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