CN111141691A - 一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统及其应用方法，包括顺次连接的光源、波分复用器、FBG湿度传感器，还包括接入波分复用器的解调设备，其特征在于，所述光源的输出光功率范围在100mW～2W之间且输出光的波长与解调设备内光源的输出波长错开，所述光源及所述解调设备按照各自输出光的波段分别连接在所述波分复用器的两个不同的波长通道上，所述波分复用器的公共端通过一段传输光纤与FBG湿度传感器相连，本发明能大幅度提升湿度传感器的响应速度，具有抗电磁干扰、安全的特性，适用于易燃易爆，强电磁干扰的特殊环境下的快速湿度测量，并能进行大规模组网，在长距离下也能够达到快速响应的效果。

Description

一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统及其应用 方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，涉及一种快速响应的光纤布拉格光栅(FBG)湿度传感器系统。

背景技术

随着科学技术的进步以及工农业的迅猛发展，湿度的测量变得越来越重要。而在石油化工、电力行业、武器弹药库等存在强电磁干扰及易燃易爆的场合下，现有的电学式湿度传感器容易失效，甚至会引发安全事故，造成无法挽回的巨大损失。

光纤湿度传感器通过检测光波的强度、相位、波长等参量的变化实现对环境湿度的传感，具备本质安全(电无源)、不受电磁干扰的特点。而光纤布拉格光栅型(简称FBG)湿度传感器作为光纤传感器家族的一员，有体积小、重量轻、便于批量刻制的特点。且其基于波长检测的传感特点，更具备不受距离影响，对功率不敏感，组网手段丰富的优势，可以进行远距离、大规模准分布式传感。因此具有较高的工程化应用价值。

FBG湿度传感器的核心部分由FBG及聚合物湿敏薄膜组成，湿敏薄膜受到环境相对湿度影响，会吸湿(膨胀)，脱湿(收缩)，然后通过一定的封装方式将湿敏薄膜的应变传递到FBG上，利用FBG中心波长对应变的敏感特性实现对环境相对湿度的传感。根据封装方式的不同，现有的FBG型湿度传感器主要分为两种：一种是将聚合物湿敏薄膜直接涂覆或覆盖于FBG表面，另一种是利用一定的机械结构，将聚合物湿敏薄膜的应变传递到FBG轴向方向上，实现应变与相对湿度的传递的。但是，无论哪种封装方式，FBG湿度传感器的响应速度都离不开湿敏薄膜吸湿/脱湿的速度。虽然在工艺上，可以通过减小薄膜厚度，或者改善聚酰亚胺材料的性能来减小湿敏薄膜与环境中水分子的反应时间，但通过这些方式提高响应速度的程度有限，并且这些方法都是靠改变光纤及湿敏涂层的物理、化学参数来获得相应速度的提升，实现手段较为单一。

此外，一味地减小湿敏薄膜的厚度，会降低FBG湿度传感器的湿度灵敏度。因此，一般的FBG湿度传感器的静态响应时间都在数分钟，甚至数十分钟以上，很难满足湿度环境的动态监测需求。

综上，急需要采用一种新的手段，进一步大幅度地提升FBG湿度传感器的响应速度，使得FBG湿度传感器的整体响应速度满足各种动态、静态湿度环境监测的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统及其应用方法，可以大幅度提升其响应速度。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，包括顺次连接的光源1、波分复用器3、FBG湿度传感器5，还包括接入波分复用器3的解调设备2，其特征在于，所述光源1的输出光功率范围在100mW～2W之间且输出光的波长与解调设备2内光源的输出波长错开，所述光源1及所述解调设备2按照各自输出光的波段分别连接在所述波分复用器3的两个不同的波长通道上，所述波分复用器3的公共端与FBG湿度传感器5相连。

进一步的，所述FBG湿度传感器5结构为光纤上紧邻地刻制两个FBG分别作为温度FBG和湿度FBG，所述温度FBG表面去除涂覆层以进行温度补偿，所述湿度FBG表面涂覆湿敏薄膜。

进一步的，所述湿度FBG表面涂覆湿敏薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。

进一步的，所述光源1为980nm泵浦光源或1480nm拉曼泵浦光源。

进一步的，所述解调设备2为光纤光栅波长解调仪或由ASE光源、光纤耦合器、光谱分析仪组合而成的FBG波长解调系统。

进一步的，所述波分复用器3与FBG湿度传感器5之间通过传输光纤4进行连接，所述传输光纤4为长距离传输光纤且长度为1km～10km。

进一步的，所述波分复用器3为光纤波分复用器，所述光纤波分复用器为1480nm/1550nm波分复用器或980nm/1550nm波分复用器。

一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：调节光源1输出的光功率，所述光源1输出的加热光从所述波分复用器3的一端入射，同时，所述解调设备2输出的信号光从所述波分复用器3的另一端端入射，所述光源1的加热光和所述解调设备2的信号光合并后从所述波分复用器3的COM端输出后进入FBG湿度传感器5；

步骤2：将所述FBG湿度传感器5放置于不同的温湿度环境中，并在其中放置一个经过计量的标准温湿度计，通过比对温度FBG及湿度FBG的中心波长与标准温湿度计输出的温、湿度值，进行拟合计算后得到所述FBG湿度传感器5的温度、湿度灵敏度系数及温度-湿度计算方程，再利用所述温度、湿度灵敏度系数将从解调设备中得到的FBG波长数据转换为环境湿度值。特定的FBG对温度、湿度的灵敏度系数和温度-湿度计算方程为本领域的公知常识，在此不再赘述。

进一步的，所述步骤1中，所述光源的输出光功率范围为100mW至2W；所述光源1输出加热光的工作波长范围与所述解调设备2输出的宽带信号光的工作波长范围错开，所述所述光源1的加热光和所述解调设备2的信号光合并后从所述波分复用器3的COM端输出后通过传输光纤4进入FBG湿度传感器5，所述传输光纤4的长度L为1～10km且FBG湿度传感器中的湿度FBG及温度FBG的中心波长的变化范围应包含在解调设备输出的信号宽带光的波长范围内。

进一步的，所述步骤1中，由传输光纤4及FBG温湿度传感器5组成光纤阵列，所述加热光通过传输光纤4后对FBG湿度传感器中的湿度FBG及温度FBG进行加热，所述信号光通过传输光纤4后在光纤阵列上的各个FBG上产生反射形成反射光波，所述反射光波分别经过传输光纤4、波分复用器3后从波分复用器3再次进入解调设备2中，利用解调设备2完成对光纤阵列上各个FBG的中心波长解调。

本发明可带来以下有益效果：

现有的FBG湿度传感器主要通过降低湿敏薄膜的涂覆厚度来提高其响应速度的，这种方式提高响应速度的程度十分有限，本发明在能够此基础上大幅度地提升湿度传感器的响应速度。本发明器件全光化，具有抗电磁干扰，本质安全的特性。适用于易燃易爆，强电磁干扰的特殊环境下的快速湿度测量。此外，本发明能够方便地对FBG湿度传感器进行大规模组网，并且在长距离下也能够达到快速响应的效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的快速响应FBG湿度传感器系统示意图

图2是本发明系统的实施例具体实现方式的系统示意图

图3是现有技术与本发明测试装置下FBG湿度传感器的中心波长归一化响应曲线

图1及图2中，1、光源；2、解调设备；21、宽带光源；22、光谱仪；23、光纤耦合器3、波分复用器；4、传输光纤；5、FBG湿度传感器；51、湿度FBG；52、温度FBG。

具体实施方式

为进一步阐述本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统及其应用方法具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，包括顺次连接的光源1、波分复用器3、传输光纤4、FBG湿度传感器5，还包括接入波分复用器3的解调设备2，光源1为1480nm拉曼泵浦光源且输出光的波长与解调设备2内光源的输出波长错开，光源1及解调设备2按照各自输出光的波段分别连接在波分复用器3的两个不同的波长通道上，波分复用器3的公共端通过一段传输光纤4与FBG湿度传感器5相连，FBG湿度传感器5结构为光纤上紧邻地刻制两个FBG分别作为温度FBG和湿度FBG，温度FBG表面去除涂覆层以进行温度补偿，湿度FBG表面涂覆聚酰亚胺材料。解调设备2为光纤光栅波长解调仪。传输光纤4为长距离，本实施例中，传输光纤且长度为1km。波分复用器3为光纤波分复用器，光纤波分复用器为1480nm/1550nm波分复用器。

光源1发出高功率激光，用于对FBG湿度传感器进行纤芯加热；解调设备2，用于对FBG湿度传感器的中心波长进行解调，通过标定函数换算出相对湿度值，解调设备输出的信号光的波段应与所述的光源输出加热光的波段区别开来，是为了避免影响返回的FBG中心波长信号；波分复用器用于隔离传输信号光及光源输出的加热光；FBG湿度传感器采用温度参考FBG的方法，即：在一根光纤(包层直径为80～125μm)上紧邻地刻制两个FBG(物理间距≤1cm，中心波长间隔≥3nm)，分别作为温度FBG和湿度FBG。其中温度FBG表面去除涂覆层，用于对传感器进行温度补偿；湿度FBG表面涂覆一层聚酰亚胺(PI)薄膜，涂覆厚度为10～25μm。

实施例1的应用方式：按照如图2(图1与图2都是本发明装置，只是其中的解调设备2可以是图1中单独的光纤光栅波长解调仪，也可以是由图2中所示光谱仪、宽谱光源及耦合器组成的)所示连接系统，调节1480nm光源1输出的光功率至180mW，输出光从波分复用器3的A端入射，从COM端输出，经过传输光纤4后进入FBG湿度传感器5，采用温度参考FBG的方法，纤芯直径：80～125μm，PI涂覆厚度：10～25μm，高功率激光在湿度FBG的纤芯中传输发热，热量传导至涂覆在其表面的聚酰亚胺湿敏薄膜，加速聚酰亚胺湿敏薄膜与空气中水分子的吸附/脱附作用，以此提升了FBG湿度传感器的响应速度。

与此同时，C波段ASE光源2输出光通过光纤耦合器后再通过波分复用器的B端，经过一段长约5km的光纤后入射FBG湿度传感器后，反射信号光谱被调制，分别经过波分复用器3及光纤耦合器23后进入光谱分析仪22，对反射回来的光谱信号进行分析，得到温度FBG52及湿度FBG 51的中心波长值。将FBG湿度传感器放置于不同的温湿度环境中，并在其中放置一个经过计量的标准温湿度计。通过比对温度FBG及湿度FBG的中心波长与标准温湿度计输出的温湿度值，进行拟合处理后得到FBG湿度传感器的标定函数。利用该标定函数即可将光谱分析仪中实时得到的FBG波长数据转换为本传感系统所测得环境的湿度值。

分别采用本发明中的快速响应装置及传统的测试装置测量FBG湿度传感器的响应时间，测试方法如下：将湿度传感器放入低湿点盐罐(40％RH)中静置一段时间，待其波长值稳定后迅速取出放入高湿点盐罐(90％RH)，观察其响应曲线并分别测试其升湿响应时间及降湿响应时间(T63)。

如图3为两种测试装置下FBG湿度传感器的中心波长归一化响应曲线，使用传统的测试装置测得的升湿响应时间为120秒，降湿响应时间为162秒；使用本发明的快速响应装置测得的升湿响应时间为65秒，降湿响应时间为81秒，响应速度提升约一倍。

将快速响应装置中1480nm光源的加热功率提高至350mW。重复上述实验获得FBG湿度传感器的中心波长归一化响应曲线，如图3所示，得到FBG湿度传感器的升湿和降湿响应时间都为45秒。可见，提高光源的输出功率可以进一步提升FBG湿度传感器的响应速度。

实施例2

在实施例1的基础上，将光源1替换为980nm泵浦光源。湿敏薄膜采用PMMA聚甲基丙烯酸甲酯材料。解调设备2替换为ASE光源、光纤耦合器、光谱分析仪组合而成的FBG波长解调系统。传输光纤4为长距离传输光纤且长度为10km。波分复用器3为980nm/1550nm波分复用器。

经实际实验应用测试，相较于实施例1的方案，可以达到相近的测量及使用效果，能够满足易燃易爆、强电磁干扰等恶劣环境中湿度实时测量的要求。

上述实验表明：本发明所提供的快速响应的FBG湿度传感器系统，能够大幅度提高现有FBG湿度传感器的响应速度。并且该快速响应系统为全光系统，可以满足易燃易爆、强电磁干扰等恶劣环境中湿度实时测量的要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，包括顺次连接的光源(1)、波分复用器(3)、FBG湿度传感器(5)，还包括接入波分复用器(3)的解调设备(2)，其特征在于，所述光源(1)的输出光功率范围在100mW～2W之间且输出光的波长与解调设备(2)内光源的输出波长错开，所述光源(1)及所述解调设备(2)按照各自输出光的波段分别连接在所述波分复用器(3)的两个不同的波长通道上，所述波分复用器(3)的公共端与FBG湿度传感器(5)相连。

2.根据权利要求1所述的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，其特征在于，所述FBG湿度传感器(5)结构为光纤上紧邻地刻制两个FBG分别作为温度FBG和湿度FBG，所述温度FBG表面去除涂覆层以进行温度补偿，所述湿度FBG表面涂覆湿敏薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，其特征在于：所述湿度FBG表面涂覆湿敏薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，其特征在于：所述光源(1)为980nm泵浦光源或1480nm拉曼泵浦光源。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，其特征在于：所述解调设备(2)为光纤光栅波长解调仪或由ASE光源、光纤耦合器、光谱分析仪组合而成的FBG波长解调系统。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，其特征在于：所述波分复用器(3)与FBG湿度传感器(5)之间通过传输光纤(4)进行连接，所述传输光纤(4)为长距离传输光纤且长度为1km～10km。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统，其特征在于：所述波分复用器(3)为光纤波分复用器，所述光纤波分复用器为1480nm/1550nm波分复用器或980nm/1550nm波分复用器。

8.一种如权利要求1-7所述快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：调节光源(1)输出的光功率，所述光源(1)输出的加热光从所述波分复用器(3)的一端入射，同时，所述解调设备(2)输出的信号光从所述波分复用器(3)的另一端端入射，所述光源(1)的加热光和所述解调设备(2)的信号光合并后从所述波分复用器(3)的COM端输出后进入FBG湿度传感器(5)；

步骤2：将所述FBG湿度传感器(5)放置于不同的温湿度环境中，并在其中放置一个经过计量的标准温湿度计，通过比对温度FBG及湿度FBG的中心波长与标准温湿度计输出的温、湿度值，进行拟合计算后得到所述FBG湿度传感器(5)的温度、湿度灵敏度系数及温度-湿度计算方程，再利用所述温度、湿度灵敏度系数将从解调设备中得到的FBG波长数据转换为环境湿度值。

9.一种如权利要求8所述的快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统应用方法，其特征在于：所述步骤1中，所述光源的输出光功率范围为100mW至2W；所述光源(1)输出加热光的工作波长范围与所述解调设备(2)输出的宽带信号光的工作波长范围错开，所述所述光源(1)的加热光和所述解调设备(2)的信号光合并后从所述波分复用器(3)的COM端输出后通过传输光纤(4)进入FBG湿度传感器(5)，所述传输光纤(4)的长度L为1～10km且FBG湿度传感器中的湿度FBG及温度FBG的中心波长的变化范围应包含在解调设备输出的信号宽带光的波长范围内。

10.一种如权利要求9所述的快速响应式光纤布拉格光栅湿度传感器系统应用方法，其特征在于：所述步骤1中，由传输光纤(4)及FBG温湿度传感器(5)组成光纤阵列，所述加热光通过传输光纤(4)后对FBG湿度传感器中的湿度FBG及温度FBG进行加热，所述信号光通过传输光纤(4)后在光纤阵列上的各个FBG上产生反射形成反射光波，所述反射光波分别经过传输光纤(4)、波分复用器(3)后从波分复用器(3)再次进入解调设备(2)中，利用解调设备(2)完成对光纤阵列上各个FBG的中心波长解调。

Images