CN111198048A - 一种湿度fbg探头、温湿度fbg探头及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湿度FBG探头、温湿度FBG探头及测量系统，包括基座、碳纤维条和从内到外依次卷绕成卷尺状的湿敏金属游丝，所述基座用于实现支撑。所述湿敏金属游丝处于内圈的一端与基座固定，湿敏金属游丝处于外圈的一端为活动端，所述湿敏金属游丝在不同湿度下的应力不同，以使得湿敏金属游丝沿卷绕方向发生形变。碳纤维条，所述碳纤维条的一端与基座固定，另一端相对于基座悬空，所述碳纤维条上固设有挠变FBG，所述挠变FBG能够随碳纤维条发生同步形变；所述湿敏金属游丝的活动端与碳纤维条悬空的一端连接，以使得湿敏金属游丝能够将自身因湿度变化产生的形变传递给碳纤维条，所述挠变FBG能够随碳纤维条发生同步形变，以改变输入挠变FBG中激光的波长。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种湿度FBG探头、温湿度FBG探头及测量系统。
背景技术
在现今市场，电子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，电子传感器存在互换性差和长期稳定性不足等缺点，很难应用于电工电力、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。
发明人了解到，目前光纤传感器作为温度和湿度敏感元件，再利用干湿法组成温度和相对湿度传感探头，可以做到敏感元件全光纤化，但探头后期维护繁琐，需加水制造湿部环境。有部分技术方案中光纤光栅或多模光纤外部涂覆湿敏材料，也可以对湿度进行测量。但工艺上对涂覆层的材料和厚度有着严格的要求。生产湿敏传感器会造成产品合格率低，成本比较高。采用多模光纤方式的湿敏传感器同时也无法长距离地进行湿度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种湿度FBG探头、温湿度FBG探头及测量系统，能够解决现有湿敏传感器、温湿敏传感器的维护繁琐、合格率低等问题。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种湿度FBG探头，包括基座、碳纤维条和从内到外依次卷绕成卷尺状的湿敏金属游丝，所述基座用于实现支撑。
所述湿敏金属游丝处于内圈的一端与基座固定，湿敏金属游丝处于外圈的一端为活动端，所述湿敏金属游丝在不同湿度下的应力不同，以使得湿敏金属游丝沿卷绕方向发生形变。
所述碳纤维条的一端与基座固定，另一端相对于基座悬空，所述碳纤维条上固设有挠变FBG，所述挠变FBG能够随碳纤维条发生同步形变；所述湿敏金属游丝的活动端与碳纤维条悬空的一端连接，以使得湿敏金属游丝能够将自身因湿度变化产生的形变传递给碳纤维条，所述挠变FBG能够随碳纤维条发生同步形变，以改变输入挠变FBG中激光的波长。
作为本发明第一方面的进一步限定，所述挠变FBG两端不具有光栅的区域为连接段，所述连接段用于连接碳纤维条。
作为本发明第一方面的进一步限定，所述碳纤维条的延伸方向与挠变FBG的延伸方向相同，所述湿敏金属游丝设置在碳纤维条相对于基座悬空的一侧。
本发明的第二方面提供一种温湿度FBG探头，包括所述的湿度FBG探头，还包括温补FBG，所述温补FBG通过基座支撑，所述温补FBG能够在温度变化时产生沿温补FBG延伸方向的形变，以改变通过温补FBG的激光波长；
所述温补FBG与挠变FBG串联在同一光纤中。
本发明的第三方面提供一种温湿度测量系统，包括所述的温湿度FBG探头，所述光纤的一端连接有激光发生装置，另一端连接有激光信号处理设备，所述激光信号处理设备能够根据激光波长的变化，得出基座处温度和湿度的信息。
以上一个或多个技术方案的有益效果为：
(1)利用已刻蚀在光纤上的光栅为敏感元件的光纤光栅温度、湿度FBG器组成传感探头，可以实现无源化、全光化的传感终端，在电磁敏感场合使用具有安全可靠的优势。
(2)利用光纤光栅温度传感器的波长区分特性可以实现波分复用功能，多个温湿度传感探头所用光纤光栅的中心波长不同，可串联在同一根光纤上实现波分复用。
(3)探头内集成两只相同规格经温敏封装的光纤光栅温度传感器，一只光纤光栅温度传感器作为干端传感器置于空气中用于测量环境温度值，另一只光纤光栅传感器置于挠变的碳纤维条上，湿敏金属游丝作为挠变动力件，当环境相对湿度发生变化时，温度传感器测得的温度值与湿度传感器测得的挠变引起光波长变化，该值大小与空气中相对湿度成比例关系，通过对该比例关系的换算可以得到环境中的相对湿度值。
(4)光纤光栅温湿度传感探头所感测到的温湿度信息以其中心波长的变化来体现，该波长变化可转化为远端光源输入到探头的激光的波长变化，通过传输光纤可将携带温湿度信息的激光远距离回传至远端信号处理设备进行温湿度数据解算。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例2中整体结构示意图；
图中：1、基座；2、湿敏金属游丝；3、挠变FBG；4、温补FBG；5、碳纤维条；6、防尘套。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1中部分结构所示，本实施例提供一种湿度FBG探头，包括基座1、碳纤维条5和从内到外依次卷绕成卷尺状的湿敏金属游丝2，所述基座1用于实现支撑。所述湿敏金属游丝2处于内圈的一端与基座1固定，湿敏金属游丝2处于外圈的一端为活动端，所述湿敏金属游丝2在不同湿度下的应力不同，以使得湿敏金属游丝2发生形变。
所述碳纤维条5的一端与基座1固定，另一端相对于基座1悬空，所述碳纤维条5上固设有挠变FBG3，所述挠变FBG3能够随碳纤维条5发生同步形变；所述湿敏金属游丝2的活动端与碳纤维条5悬空的一端连接，以使得湿敏金属游丝2能够将自身因湿度变化产生的形变传递给碳纤维条5，所述挠变FBG3能够随碳纤维条5发生同步形变，以改变输入挠变FBG3中激光的波长。
所述挠变FBG3两端不具有光栅的区域为连接段，所述连接段用于连接碳纤维条5。所述碳纤维条5的延伸方向与挠变FBG3的延伸方向相同，所述湿敏金属游丝2设置在碳纤维条5相对于基座1悬空的一侧。
所述基座1的外部套设有防尘套6，所述防尘套6用于实现湿敏金属游丝2及挠变FBG3的防尘。所述基座1的两端设有用于光纤通过的通孔，所述挠变FBG3串联在光纤中，所述光纤的一端用于连接远端光源，另一端用于连接激光信号处理设备。
所述湿敏金属游丝2中活动端的运动方向与活动端处切线方向相同。
具体的，湿敏金属游丝2为市场上使用的机械湿度计的游丝，其湿度变化使得湿敏金属游丝2驱动指针角度变化。本发明中采用此类湿敏金属游丝2，假设环境湿度值为RH，湿敏金属游丝2产生的切向力为F，湿敏金属游丝2湿度变化单位应力量。湿敏金属游丝2是采用铍铜膜和湿敏纸构成，金属铍铜的弹性模量为E3,膜厚为h2,湿敏金属游丝2的铍铜宽度b2,绕成阿基米德螺旋，内径为2r1,外径为2r2，圈数为n。在全量程范围时，内径驱动指针旋转角度为α。
则
设K值如下式：
受到牵引的碳纤维条5长宽厚分别为l1,b,h；碳纤维的弹性模量为E1；光纤的半径为r,贴附在碳纤维条5上的固定长度为l2，光纤的弹性模量为E2；
则碳纤维条5的受力F1，受到应变为ε1如下
光纤的受力为F2,光纤光栅受到应变为ε2,光纤光栅固定两点长度为l2；
则根据力学平衡可得
F·l1＝F1·l1+F2·l2
同时光纤的应变量与碳纤维的应变量应该相同，则ε1＝ε2＝ε，所以
所以湿度值RH与应变量ε如下式显线性关系
光纤光栅单位应变量ε与光纤光栅返回波长值λ和其漂移量Δλ相关，光纤的弹性系数为p，则
则光纤光栅系统测量得波长漂移量Δλ与湿度值如下式显线性关系
以下以具体的数据来提供本申请的一个实施例：湿敏金属游丝2外径为12mm,内径为2mm，圈数为4，金属铍铜膜厚度为0.05mm，宽度为2mm，金属铍铜弹性模量为1.31×1011N/m2,满量程指针变化量为3π/2。则可计算
则K值为0.133N/100％.
碳纤维条5的长度为50mm,宽度为3mm,厚度为0.1mm，其弹性模量为1.7×1011N/m2，整体为悬臂梁受力结构，因而碳纤维条5受到的力F1与其产生的微应变ε关系如下：
光纤光栅的固定长度为30mm,直径为0.125mm，其弹性模量为0.7×1011N/m2，因而光纤光栅受到的力F2与其产生的应变ε关系如下：
光纤光栅采用中心波长为1550nm的光栅，光纤光栅泊松比为0.2，弹光系数p11＝0.121,p12＝0.27，有效折射率为1.457，则有效弹光系数为：
光纤光栅的波长漂移量则为
Δλ＝(1-p)ε·λ＝0.00127nm/με
湿度值RH与应变量ε如下式显线性关系
线性斜率为0.68％/pm。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种温湿度FBG探头，包括实施例1中述的湿度FBG探头，还包括温补FBG4，所述温补FBG4通过基座1支撑，所述温补FBG4能够在温度变化时产生沿温补FBG4延伸方向的形变，以改变通过温补FBG4的激光波长；所述温补FBG4与挠变FBG3串联在同一光纤中。
所述温补FBG4与基座1的相对位置被设置为：温补FBG4不影响湿敏金属游丝2及碳纤维条5的形变。所述基座1上设有凹槽，所述温补FBG4设置在凹槽中。
制作过程：
1)先将挠变FBG(3)施加一定的拉力后放置在碳纤维条上，通过加热盘对挠变FBG和碳纤维条一起加热，在挠变FBG两端点上343ND胶，使其加热固化。这里的拉力可以通过光纤光栅解调仪进行测量拉力，拉力使挠变FBG的中心波长漂移0.5nm左右。点胶固定的距离为30mm，并且光纤光栅不要被胶粘上。
2)热固化完成后，将挠变FBG和碳纤维条从热盘上取下，固定在基座上，使碳纤维条长度为50mm，并使碳纤维条呈现悬臂状态。
3)将温度FBG通过点353ND胶，在热盘上加热使温度FBG固定在基座的槽内。要求温度FBG不影响湿敏金属游丝和碳纤维条的机械运动。
4)再将湿敏金属游丝固定在基座上，位置紧靠着碳纤维条的活动。通过凯夫拉软绳将湿敏金属游丝的活动端与碳纤维条的活动端相连接。湿敏金属游丝的中心处固定基座上，外部活动端与凯夫拉绳连接。
5)湿敏金属游丝、FBG、碳纤维条各参数如上实施方案设计所示。
6)把防尘套安装在器件上，主要防止由灰尘污染湿敏金属游丝而换效。
7)将器件中的两根FBG光纤引出,再通过光纤光栅解调仪对FBG进行解调。
实施例3
本实施例提供一种温湿度测量系统，利用了实施例2中所述的温湿度FBG探头，所述光纤的一端连接有激光发生装置，另一端连接有激光信号处理设备，所述激光信号处理设备能够根据激光波长的变化，得出基座处温度和湿度的信息。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种湿度FBG探头，其特征在于，包括，
基座，所述基座用于实现支撑；
从内到外依次卷绕成卷尺状的湿敏金属游丝，所述湿敏金属游丝处于内圈的一端与基座固定，湿敏金属游丝处于外圈的一端为活动端，所述湿敏金属游丝在不同湿度下的应力不同，以使得湿敏金属游丝沿卷绕方向发生形变；
碳纤维条，所述碳纤维条的一端与基座固定，另一端相对于基座悬空，所述碳纤维条上固设有挠变FBG，所述挠变FBG能够随碳纤维条发生同步形变；
所述湿敏金属游丝的活动端与碳纤维条悬空的一端连接，以使得湿敏金属游丝能够将自身因湿度变化产生的形变传递给碳纤维条，所述挠变FBG能够随碳纤维条发生同步形变，以改变输入挠变FBG中激光的波长。
2.根据权利要求1所述的湿度FBG探头，其特征在于，所述挠变FBG两端不具有光栅的区域为连接段，所述连接段用于连接碳纤维条。
3.根据权利要求1所述的湿度FBG探头，其特征在于，所述碳纤维条的延伸方向与挠变FBG的延伸方向相同，所述湿敏金属游丝设置在碳纤维条相对于基座悬空的一侧。
4.根据权利要求1所述的湿度FBG探头，其特征在于，所述基座的外部套设有防尘套，所述防尘套用于实现湿敏金属游丝及挠变FBG的防尘。
5.根据权利要求1所述的湿度FBG探头，其特征在于，所述基座的两端设有用于光纤通过的通孔，所述挠变FBG串联在光纤中，所述光纤的一端用于连接远端光源，另一端用于连接激光信号处理设备。
6.根据权利要求1所述的湿度FBG探头，其特征在于，所述湿敏金属游丝中活动端的运动方向与活动端处切线方向相同。
7.一种温湿度FBG探头，包括权利要求1-6中任意一项所述的湿度FBG探头，其特征在于，还包括温补FBG，所述温补FBG通过基座支撑，所述温补FBG能够在温度变化时产生沿温补FBG延伸方向的形变，以改变通过温补FBG的激光波长；
所述温补FBG与挠变FBG串联在同一光纤中。
8.根据权利要求7所述的温湿度FBG探头，其特征在于，所述温补FBG与基座的相对位置被设置为：温补FBG不影响湿敏金属游丝及碳纤维条的形变。
9.根据权利要求7所述的温湿度FBG探头，其特征在于，所述基座上设有凹槽，所述温补FBG设置在凹槽中。
10.一种温湿度测量系统，利用了权利要求7-9中任意一项所述的温湿度FBG探头，其特征在于，所述光纤的一端连接有激光发生装置，另一端连接有激光信号处理设备，所述激光信号处理设备能够根据激光波长的变化，得出基座处温度和湿度的信息。
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| CN202010099368.3A Pending CN111198048A (zh) | 2020-02-18 | 2020-02-18 | 一种湿度fbg探头、温湿度fbg探头及测量系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111198048A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114061663A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 南京理工大学 | 一种耐高压双余度温湿度传感器 |
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2020
- 2020-02-18 CN CN202010099368.3A patent/CN111198048A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114061663A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 南京理工大学 | 一种耐高压双余度温湿度传感器 |
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