CN110567916A - 光纤分布式环境湿度传感器及其制作方法 - Google Patents

光纤分布式环境湿度传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

光纤分布式环境湿度传感器及其制作方法，涉及光纤测量领域，目的是为了解决现有光纤环境湿度传感器不能实现长距离、连续分布测量的问题。本发明所述的传感器包括传感光纤和传感光纤双折射分布测量装置；传感光纤由裸光纤及包裹在其外部的环境湿度敏感聚合物涂覆层构成；传感光纤双折射分布测量装置用于测量布置在待测环境中的传感光纤的双折射分布情况，进而得到待测环境的湿度情况。该传感器的制作方法为：步骤一、制备传感光纤；步骤二、搭建传感光纤双折射分布测量装置；步骤三、测量所述传感器的基准值；步骤四、对所述传感器进行灵敏度系数标定；步骤五、干燥传感光纤。上述传感器适用于对长距离、大范围环境湿度的连续变化监测。

Description

光纤分布式环境湿度传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤湿度传感器，属于光纤测量领域。
背景技术
人类生存与环境湿度密切相关。湿度传感广泛应用于气象、科研部门等。传统上，点式湿度传感器可以满足大多数有限空间湿度均匀分布探测需求。然而，日益增长的实际应用需求不断揭示点式湿度传感器的不足。所谓“民以食为天”，防止储备粮霉变，安全健康储存，需要保证粮仓的温湿度分布稳定。国内粮库的仓型大多采用高大平房仓，在储藏过程中一般采用外部机械通风。然而目前仓储粮堆中湿度场分布没有规律性，不能对粮堆内部湿度进行高效精准的预测与检测，一旦粮堆局部含水量过高，加快粮食新陈代谢，局部粮温升高，就会引发粮食霉变。建筑保温性是关系人民温饱另一重要条件。现阶段提供的材料导热系数都是干燥情况下测定的。而当建筑采用保温材料后，墙体内外温度场会发生变化，内部温度升高，外部温度降低，墙体各点的饱和水蒸气分压力随局部温度变化而变化。这一现象最终会导致局部水蒸气凝结成水，墙体内湿度的增加会极大地影响材料导热系数。因此，监控建筑保温系统需要对建筑不同位置的局部湿度变化进行检测，判断真实的保温性能，准确计算建筑能耗，提升建筑节能设计。与此同时，混凝土结构的湿度场是分析混凝土结构和耐久性的关键因素。如混凝土内部局部水分损失会导致混凝土产生自干燥收缩，局部混凝土内、外湿度差异梯度的不协调会造成混凝土干缩变形，导致应力产生，这是混凝土结构早期开裂的主要原因。混凝土结构开裂形成裂缝，严重影响土木结构安全，直接威胁国民生命财产安全。以上三个典型的应用实例都告诉我们，以往采用的点式湿度传感器虽然技术成熟、经验丰富，但是已经不能满足现阶段的重要应用需求，研究一种可以实现中长距离、连续分布式环境湿度传感器，有效获得空间内湿度场分布整体信息刻不容缓。
发明内容
本发明是为了解决现有光纤环境湿度传感器不能实现长距离、连续分布测量的问题，现提供一种光纤分布式环境湿度传感器及其制作方法。
本发明所述的光纤分布式环境湿度传感器包括传感光纤和传感光纤双折射分布测量装置；
所述传感光纤由裸光纤及包裹在其外部的环境湿度敏感聚合物涂覆层构成；
所述传感光纤双折射分布测量装置用于测量布置在待测环境中的传感光纤的双折射分布情况，进而得到待测环境的湿度情况。
进一步地，所述的环境湿度敏感聚合物涂覆层为聚酰亚胺涂覆层、聚乙烯醇涂覆层、以及丙烯酸酯胺水凝胶涂覆层中的一种或多种。
进一步地，所述环境湿度敏感聚合物涂覆层的厚度为20μm～30μm。
进一步地，所述传感光纤双折射分布测量装置包括窄线宽稳频脉冲激光器、第一波长可变脉冲激光器、光纤偏振合束器、第二波长可变脉冲激光器、光电探测器、以及数据采集卡；
所述窄线宽稳频脉冲激光器用于向传感光纤提供频率为ν1的泵浦光；
所述第一波长可变脉冲激光器用于通过光纤偏振合束器向传感光纤提供频率为ν2的信号光；
所述第二波长可变脉冲激光器用于通过光纤偏振合束器向传感光纤提供脉冲频率为泵浦光脉冲频率的整数倍；
所述光电探测器用于测量从光纤偏振合束器返回的激光的频率及功率，所述返回的激光指第二波长可变脉冲激光器发出的、并经光纤偏振合束器返回的激光；
所述数据采集卡用于采集光电探测器输出的电信号。
上述光纤分布式环境湿度传感器的制作方法包括以下步骤：
步骤一、制备传感光纤；
步骤二、搭建传感光纤双折射分布测量装置；
步骤三、测量所述传感器的基准值；
步骤四、对所述传感器进行灵敏度系数标定；
步骤五、干燥传感光纤。
进一步地，步骤一制备传感光纤的方法为：采用光纤涂覆机、旋涂法、或拉涂法将环境湿度聚合物材料涂覆在裸光纤外面。
进一步地，步骤一中，环境湿度聚合物材料涂覆的厚度为20μm～30μm。
进一步地，步骤三测量所述传感器的基准值的方法为：将传感光纤放置在干燥箱中进行风干，然后在干燥箱中静置一段时间，最后测量此时传感光纤的双折射分布值，该双折射分布值即为所述传感器的基准值。
进一步地，步骤四对所述传感器进行灵敏度系数标定的方法为：将传感光纤放在可控恒湿箱中，控制可控恒湿箱内的湿度，使传感光纤处于不同已知湿度的环境中，测量不同已知环境湿度下传感光纤的双折射变化，将每次测量的双折射值与步骤三得到的基准值做差，获得多组不同已知湿度条件下传感光纤双折射变化差值，从而计算环境湿度变化量与传感光纤双折射变化量之间的定量线性关系；计算传感器的误差范围，结合所述的定量线性关系获得传感器的测量灵敏度系数。
进一步地，步骤五干燥传感光纤的方法为：将标定完灵敏度系数的传感光纤置于高温鼓风干燥箱内进行烘干，单次烘干时间不短于20分钟，每次烘干结束后测量一次传感光纤的双折射值，直到传感光纤的双折射值不再发生变化为止。
本发明所述的光纤分布式环境湿度传感器具有以下有益效果：
1、具有分布测量周围环境湿度变化的优点，可以对长距离、大范围的被测环境进行连续湿度变化监测；
2、对环境中湿度的变化具有极高的灵敏性，可以实现高精度的周围环境湿度测量；
3、可以通过改变第二波长可变脉冲激光器的脉冲宽度和输出光强来改变传感器的空间分辨率和有效测量距离，满足不同领域和实际需求。
本发明所述的传感器适用于对长距离、大范围环境湿度的连续变化监测。
附图说明
图1为具体实施方式中传感光纤的结构示意图，其中，A表示首端，B表示末端；
图2为具体实施方式中第一种、第二种、以及第三种传感光纤双折射分布测量装置的结构示意图；
图3为具体实施方式中第四种传感光纤双折射分布测量装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的光纤分布式环境湿度传感器主要分为两大主体结构：
(1)传感光纤
该传感光纤为保偏光纤，具有环境湿度敏感聚合物材料涂覆层，且聚合物材料的体积会随环境湿度变化而变化；
(2)传感光纤双折射分布测量装置
该测量装置可以获得传感光纤双折射值的分布，测量出传感光纤上任意位置双折射的变化。
上述传感器测量湿度的原理如下：
带环境湿度敏感聚合物涂覆层的传感光纤是本实施方式提供的传感器的直接传感元件。使用时，将该传感光纤置于待测环境内，环境湿度敏感聚合物对环境湿度极为敏感，其体积会随周围环境湿度变化而变化，且涂覆层体积的变化量与环境湿度的变化量成正比。环境湿度敏感聚合物涂覆层体积变大(或减小)会对涂覆层包裹的裸光纤产生挤压(或牵拉)效果，改变聚合物涂覆层包裹的裸光纤受到的径向力，最终改变了裸光纤自身的双折射；
传感光纤双折射分布测量装置是本实施方式提供的传感器的后续数据处理单元。传感光纤双折射分布测量装置的作用是定量的测量聚合物涂覆层挤压(或牵拉)裸光纤造成的裸光纤双折射变化。由于该装置可以实现对双折射的分布式测量，因此可以通过分布地测量传感光纤双折射变化实现环境湿度的分布式测量。
本实施方式提供的第一种传感光纤双折射分布测量装置的结构如图1和图2所示，光纤分布式环境湿度传感器包括两大主体结构：带环境湿度敏感聚合物材料聚酰亚胺涂覆层的传感光纤，以及传感光纤双折射分布测量装置。
该传感光纤包括厚度为25μm的环境湿度敏感聚合物聚酰亚胺涂覆层101和不带涂覆层的裸光纤102。
聚酰亚胺涂覆层101过薄会降低传感器灵敏度；过厚则需要更长的作用时间，延长传感器响应时间。为了既能够保证足够的测量灵敏性，又缩短响应时间，环境湿度敏感聚合物聚酰亚胺涂覆层101在20μm～30μm为最佳选择。
传感光纤双折射分布测量装置包括窄线宽稳频脉冲激光器201、光学锁频模块202、第一波长可变脉冲激光器203、传感光纤首端连接法兰304、传感光纤末端连接法兰205、光纤偏振合束器206、保偏光纤环形器207、光电探测器208、高速数据采集卡209、以及第二波长可变脉冲激光器211，此外，还需要配合使用上位机210。
窄线宽稳频脉冲激光器201输出频率为ν1的脉冲激光，该脉冲激光是沿传感光纤慢轴振动的线偏振光。窄线宽稳频脉冲激光器201输出端通过传感光纤首端连接法兰204与传感光纤首端连接。
第一波长可变脉冲激光器203输出频率为ν2的脉冲激光，该脉冲激光同样为沿保偏光纤慢轴振动的线偏振光，第一波长可变脉冲激光器203的输出端与光纤偏振合束器206的慢轴输入端口相连。
光学锁频模块202连接窄线宽稳频脉冲激光器201和第一波长可变脉冲激光器203，通过控制光学锁频模块202加载在窄线宽稳频脉冲激光器201和第一波长可变脉冲激光器203上的电压来控制这两台激光器，使这两台激光器输出激光之间的频率差值Δν稳定，Δν＝ν1-ν2。
其中ν1与ν2的差值Δν与传感光纤的布里渊频移相等。
第二波长可变脉冲激光器211输出频率为ν3的脉冲激光，该脉冲激光为沿保偏光纤快轴振动的线偏振光。第二波长可变脉冲激光器211的输出端与保偏光纤环形器207的输入1端口相连；可以通过改变第二波长可变脉冲激光器211的脉冲宽度和输出光强来改变传感器的空间分辨率和有效测量距离，以满足不同需求。
保偏光纤环形器207的输出2端口与光纤偏振合束器206的快轴输入端口相连，保偏光纤环形器207的输出3端口与光电探测器208的光输入端口相连。
光纤偏振合束器206的合束输出端口通过传感光纤末端连接法兰205与传感光纤末端连接。
光电探测器208的微波电信号输出端口与高速数据采集卡209相连，高速数据采集卡209的信号输出端口与上位机210连接。
上位机210的作用是：1、保存高速数据采集卡209采集的电学信号；2、通过改变加载在第二波长可变脉冲激光器211上的调制电流来改变第二波长可变脉冲激光器211输出激光的频率；3、产生周期性方波信号，作为第二波长可变脉冲激光器211输出脉冲激光的触发信号，使第二波长可变脉冲激光器211输出的脉冲频率与第一波长可变脉冲激光器203的脉冲频率相同(或者是其整数倍)。
本实施方式提供的第二种传感光纤双折射分布测量装置的结构如图1和图2所示。其中，传感光纤的环境湿度聚合物涂覆层为聚乙烯醇涂覆层，涂覆层厚度同样为20μm～30μm最佳。其他均与第一种光纤分布式环境湿度传感器相同。
本实施方式提供的第三种传感光纤双折射分布测量装置的结构如图1和图2所示。其中，传感光纤的环境湿度聚合物涂覆层为丙烯酸酯胺水凝胶涂覆层，涂覆层厚度同样为20μm～30μm最佳。其他均与第一种及第二种光纤分布式环境湿度传感器相同。
本实施方式提供的第四种传感光纤双折射分布测量装置的结构如图1和图3所示。与前三种光纤分布式环境湿度传感器不同的是，窄线宽稳频脉冲激光器和第一波长可变脉冲激光器可以采用一台窄线宽稳频脉冲激光器代替，采用微波调制光频率技术改变窄线宽稳频脉冲激光器的输出频率，频率变化量为Δν，变化后的频率ν2满足ν2＝ν1-Δν，ν1为变化前的频率。
所述第四种传感光纤双折射分布测量装置包括窄线宽稳频脉冲激光器201、微波调制光频率模块212、传感光纤首端连接法兰304、传感光纤末端连接法兰205、光纤偏振合束器206、保偏光纤环形器207、光电探测器208、高速数据采集卡209、上位机210、第二波长可变脉冲激光器211。
窄线宽稳频脉冲激光器201输出频率为ν1的脉冲激光，输出脉冲激光是沿保偏光纤慢轴振动的线偏振光，该线偏振光分成两束，一束通过传感光纤首端连接法兰304进入传感光纤首端；
另一束经过微波调制光频率模块212调制后频率变化为ν2，频率变化量为Δν满足ν1-Δν＝ν2。
经过微波调制光频率模块212改变频率后的脉冲激光同样为沿保偏光纤慢轴振动的线偏振光，该偏振光进入光纤偏振合束器206的慢轴输入端口。
其中频率变化量为Δν与传感光纤的布里渊频移相等。
第二波长可变脉冲激光器211输出频率为ν3的脉冲激光，输出脉冲激光为沿保偏光纤快轴振动的线偏振光。第二波长可变脉冲激光器211输出端与保偏光纤环形器207的输入1端口相连。
保偏光纤环形器207的输出2端口与光纤偏振合束器206的快轴输入端口相连，保偏光纤环形器207的输出3端口与光电探测器208光输入端口相连；
光纤偏振合束器206的合束输出端口与传感光纤末端连接法兰205的一侧相连，传感光纤末端连接法兰205的另一侧与传感光纤末端相连；
光电探测器208的微波电信号输出端口与高速数据采集卡209相连，高速数据采集卡209的信号输出端口与上位机210连接。
上位机210的作用是：1、保存高速数据采集卡209采集的电学信号；2、通过改变加载在第二波长可变脉冲激光器211上的调制电流来改变第二波长可变脉冲激光器211输出的激光频率；3、产生周期性方波信号，作为第二波长可变脉冲激光器211输出脉冲激光的触发信号，使第二波长可变脉冲激光器211的脉冲频率与窄线宽稳频脉冲激光器201的脉冲频率相同(或者是其整数倍)；4、产生调制电压信号，加载到微波调制光频率模块212，使其改变窄线宽稳频脉冲激光器201输出激光的频率。
采用本实施方式提出的光纤分布式环境湿度传感器测量环境湿度的方法为：将传感光纤布置在被测环境中，静置二十分钟，然后利用传感光纤双折射分布测量装置获得被测环境的湿度。
具体实施方式二：本实施方式提供了实施方式一所述的光纤分布式环境湿度传感器的制作方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、制备传感光纤：
在裸光纤外表涂覆环境湿度敏感聚合物涂覆层，涂覆过程可以采用商用光纤涂覆机进行涂覆，也可以采用旋涂法或者拉涂法进行涂覆，涂覆厚度在20μm～30μm之间，以25μm为最佳。
步骤二、搭建传感光纤双折射分布测量装置。需要注意的是，光纤的双折射分布具有非对称性和随机性，为了减少测量误差和减少传感器更换时间，使用传感光纤测量环境湿度之前，需要规定传感光纤的首端与末端，并且在所有后续测量过程中不改变传感光纤的首端与末端。
步骤三、测量所述传感器的基准值
将传感光纤放置在干燥箱中，25℃条件下利用干燥风干燥传感光纤，然后使传感光纤静置在干燥箱内二十分钟，并测量此时传感光纤的双折射分布。将这一充分干燥后的传感光纤双折射分布值作为传感器后续测量的基准值。
步骤四、对所述传感器进行灵敏度标定
由于裸光纤的尺寸结构、环境湿度敏感聚合物的种类、以及涂覆层厚度都会对传感器的灵敏度产生影响，因此需要对该传感器进行灵敏度标定。具体标定方法是：将确定了基准值的传感光纤放在可控恒湿箱中，控制可控恒湿箱内的湿度，使传感光纤处于不同已知湿度的环境中，测量不同已知环境湿度下传感光纤的双折射变化，将每次测量的双折射值与步骤三得到的基准值做差，获得多组不同已知湿度条件下的传感光纤双折射变化差值，从而计算得到环境湿度变化量与传感光纤双折射变化量之间的定量线性关系；然后利用现有理论计算传感器的误差范围，结合前面得到的定量线性关系获得传感器的灵敏度系数。需要注意的是，每次改变可控恒湿箱内的湿度后，需要使传感光纤在该环境中静置20分钟，以确保传感光纤与被测环境水分完全作用。
步骤五、干燥传感光纤
标定完测量灵敏度的传感器会粘有大量的水气，如果直接用这个传感器测量被测环境湿度，会由于多余水分影响造成传感器测量结果偏大，因此需要对标定完灵敏度的传感器进行高温鼓风烘干。具体方法是：将标定完灵敏度的传感光纤置于高温鼓风干燥箱内，将温度调节到60℃，利用热风对传感光纤进行烘干，单次烘干时间不短于20分钟。在每次烘干结束后，利用双折射分布测量装置测量一次传感光纤的双折射值，如果测得的双折射值与上一次烘干后测得的双折射值不同，则重新烘干，直到传感光纤的双折射值不再发生变化为止。

Claims (10)

1.光纤分布式环境湿度传感器，其特征在于，包括传感光纤和传感光纤双折射分布测量装置；
所述传感光纤由裸光纤及包裹在其外部的环境湿度敏感聚合物涂覆层构成；
所述传感光纤双折射分布测量装置用于测量布置在待测环境中的传感光纤的双折射分布情况，进而得到待测环境的湿度情况。
2.根据权利要求1所述的一种光纤分布式环境湿度传感器，其特征在于，所述的环境湿度敏感聚合物涂覆层为聚酰亚胺涂覆层、聚乙烯醇涂覆层、以及丙烯酸酯胺水凝胶涂覆层中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的光纤分布式环境湿度传感器，其特征在于，所述环境湿度敏感聚合物涂覆层的厚度为20μm～30μm。
4.根据权利要求1或2所述的光纤分布式环境湿度传感器，其特征在于，所述传感光纤双折射分布测量装置包括窄线宽稳频脉冲激光器、第一波长可变脉冲激光器、光纤偏振合束器、第二波长可变脉冲激光器、光电探测器、以及数据采集卡；
所述窄线宽稳频脉冲激光器用于向传感光纤提供频率为ν1的泵浦光；
所述第一波长可变脉冲激光器用于通过光纤偏振合束器向传感光纤提供频率为ν2的信号光；
所述第二波长可变脉冲激光器用于通过光纤偏振合束器向传感光纤提供脉冲频率为泵浦光脉冲频率的整数倍；
所述光电探测器用于测量从光纤偏振合束器返回的激光的频率及功率，所述返回的激光指第二波长可变脉冲激光器发出的、并经光纤偏振合束器返回的激光；
所述数据采集卡用于采集光电探测器输出的电信号。
5.权利要求1所述的光纤分布式环境湿度传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备传感光纤；
步骤二、搭建传感光纤双折射分布测量装置；
步骤三、测量所述传感器的基准值；
步骤四、对所述传感器进行灵敏度系数标定；
步骤五、干燥传感光纤。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤一制备传感光纤的方法为：采用光纤涂覆机、旋涂法、或拉涂法将环境湿度聚合物材料涂覆在裸光纤外面。
7.根据权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于，步骤一中，环境湿度聚合物材料涂覆的厚度为20μm～30μm。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤三测量所述传感器的基准值的方法为：将传感光纤放置在干燥箱中进行风干，然后在干燥箱中静置一段时间，最后测量此时传感光纤的双折射分布值，该双折射分布值即为所述传感器的基准值。
9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤四对所述传感器进行灵敏度系数标定的方法为：将传感光纤放在可控恒湿箱中，控制可控恒湿箱内的湿度，使传感光纤处于不同已知湿度的环境中，测量不同已知环境湿度下传感光纤的双折射变化，将每次测量的双折射值与步骤三得到的基准值做差，获得多组不同已知湿度条件下传感光纤双折射变化差值，从而计算环境湿度变化量与传感光纤双折射变化量之间的定量线性关系；计算传感器的误差范围，结合所述的定量线性关系获得传感器的测量灵敏度系数。
10.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤五干燥传感光纤的方法为：将标定完灵敏度系数的传感光纤置于高温鼓风干燥箱内进行烘干，单次烘干时间不短于20分钟，每次烘干结束后测量一次传感光纤的双折射值，直到传感光纤的双折射值不再发生变化为止。
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