CN1793843A - 基于光纤布拉格光栅的湿度分布式传感方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的湿度分布式传感方法及设备。目前常用的湿度测量方法很难实现分布式远距离的湿度测量。发明在光纤布拉格光栅上镀上一层厚20～50微米的聚酰亚胺，聚酰亚胺吸收空气中的水蒸气会发生膨胀，引起光纤布拉格光栅上轴向应力变化，光栅的反射峰位置发生波长漂移，通过确定反射峰波长位置可获得空气中湿度的信息。利用宽带光源、波分复用的一组串联的光纤布拉格光栅和光纤布拉格光栅解调系统，可实现多个湿度传感器的分布式测量。

Description

基于光纤布拉格光栅的湿度分布式传感方法及设备

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于光纤布拉格光栅的湿度分布式传感方法及设备。

背景技术

湿度的测量在工农业生产和日常生活中应用非常广泛，如农业生产的温室环境，烟草、茶叶、木材加工的干燥过程，制药车间、医院、手术室、细菌培养室等人工环境，博物馆、图书馆、档案室、实验室、机房等重要场所都需要进行湿度测量和控制。尤其在矿井环境中，水层对岩石的渗透容易引发坍塌，通过对环境湿度变化的监测，可有效地避免此类矿难的发生。

目前最常用的湿度测量仪器是干湿球湿度计，利用湿球水分蒸发吸收潜热大于干球，使得湿球附近温度低于干球附近温度，根据温度差获得相对湿度值。但为了正确地得到湿球温度，湿球附近空气应有足够的风速。同时该方法很难实现分布式远距离的湿度测量，无法满足很多生产生活的实际需要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种测量精度高，易于集成和封装的基于光纤布拉格光栅的湿度分布式传感方法，同时提供了实现该方法的设备。

本发明的方法包括以下步骤：

1、选择n个反射峰波长位置间隔大于2纳米的光纤布拉格光栅通过光纤进行串联，n≥3；

2、运用浸蘸镀膜法在每个光纤布拉格光栅表面镀上一层聚酰亚胺，聚酰亚胺吸收空气中的水蒸气会发生膨胀，从而使光纤布拉格光栅发生轴向应变，导致光纤布拉格光栅反射峰位置漂移；

3、将一个镀有聚酰亚胺的光栅置于不同的湿度环境中，用已经产品化的湿度计测出该光栅所在环境的湿度值；同时检测该光栅反射峰波长漂移量；

4、利用步骤3测得的数据对该光栅反射峰位置漂移与湿度的关系进行定标，用线性拟合的方法获得光栅反射峰位置漂移与湿度之间的线性关系：

Δλ＝αH，(1)

其中，Δλ为光栅反射峰波长漂移量，H为湿度值，α为比例系数；

5、重复步骤3和4，获得所有光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与湿度之间的线性关系；

6、将覆盖所有光纤布拉格光栅反射峰波长的宽带光源由①端口进入环型器，由②端口将光输入波分复用的一组串联的光纤布拉格光栅；包含对应各个光栅位置湿度信息的反射光信号，经环型器②端口和③端口进入光纤布拉格光栅波分复用解调系统解调，获得各个光栅的反射峰波长漂移量，根据公式(1)获得对应检测点的相对湿度。

实现该方法的设备包括：宽带光源与环型器①端口通过光纤连接，环型器②端口与n(n≥3)个串联的光纤布拉格光栅通过光纤连接，所述的各个光纤布拉格光栅表面镀有聚酰亚胺，聚酰亚胺层的厚度为20～50微米。环型器③端口与光纤布拉格光栅波分复用解调系统通过光纤连接。解调系统可以通过市场购买取得，例如英国SMARTFIBRES公司的W3系列光纤布拉格光栅波分复用解调系统。

本发明通过一组串联的镀有聚酰亚胺的光纤布拉格光栅进行湿度检测，可以实现分布式、远距离的测量。在室温环境下，一般空气中相对湿度每升高1％，光栅反射峰位置向长波方向移动5.6皮米(聚酰亚胺镀层厚度30微米时)，即系统灵敏度为0.18％每皮米，现有的光纤布拉格光栅波分复用解调系统分辨率可达0.2皮米，故本发明对湿度的测量精度高达0.036％。同时本发明还兼具抗电磁干扰能力强、结构简洁安装方便等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为相对湿度与光栅反射峰波长漂移量关系图。

具体实施方式

如图1，选择一组各个反射峰波长位置间隔3个纳米的光纤布拉格光栅4进行串联；运用浸蘸镀膜技术在每个光纤布拉格光栅4表面镀上一层30微米的聚酰亚胺3。聚酰亚胺3吸收空气中的水蒸气会发生膨胀，从而使光纤布拉格光栅4发生轴向应变，导致光纤布拉格光栅4反射峰位置漂移。覆盖所有光纤布拉格光栅反射峰波长的宽带光源1与环型器2的①端口通过光纤连接，环型器2的②端口与一组镀有聚酰亚胺3的光纤布拉格光栅4通过光纤连接，环型器2的③端口与光纤布拉格光栅波分复用解调系统5通过光纤连接。

如图2，对一个光栅反射峰位置漂移与相对湿度的关系进行定标：将镀有聚酰亚胺的光栅置于不同的湿度环境(室温为20摄氏度)中，用已经产品化的相对湿度计测出湿度值，同时测得光栅对应的反射峰波长漂移，定标数据见表1。

                                               表1

Δλ(pm)	0	47.94	121.53	193.55	216.47	250.90	323.80	417.25
									H(％)	22.5	30	43	55	60	67	80	97

对上述数据进行线性拟合，可获得波长漂移量Δλ(pm)与相对湿度H(％)的关系

Δλ＝0.556H

用相同方法测得其他光栅的波长漂移量Δλ(pm)与相对湿度H(％)的关系。

宽带光源和光栅波分复用解调系统安装在井上监测中心，将各个镀有聚酰亚胺的光纤布拉格光栅安装在煤矿巷道内的各个检测位置，宽带光由一根光纤传输至串联的光栅，各个光栅的反射光经环型器进入光栅波分复用解调系统，由该系统读出各个光栅的反射光波长位置，根据每个光栅的波长漂移量Δλ(pm)与相对湿度H(％)的关系，获得光栅对应位置测量点的湿度信息。

本方案具有测量精度高、安全性能好、分布式传感、抗电磁干扰和结构简洁安装方便等优点。

Claims (2)

1、基于光纤布拉格光栅的湿度分布式传感方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)、选择n个反射峰波长位置间隔大于2纳米的光纤布拉格光栅通过光纤进行串联，n≥3；

(2)、运用浸蘸镀膜法在每个光纤布拉格光栅表面镀上一层聚酰亚胺；

(3)、将一个镀有聚酰亚胺的光栅置于不同的湿度环境中，用湿度计测出该光栅所在环境的湿度值；同时检测该光栅反射峰的波长漂移量；

(4)、利用步骤(3)测得的数据对该光栅反射峰位置漂移与湿度的关系进行定标，用线性拟合的方法获得光栅反射峰位置漂移与湿度之间的线性关系：

Δλ＝αH

其中，Δλ为光栅反射峰波长漂移量，H为湿度值，α为比例系数；

(5)、重复步骤(3)和(4)，获得所有镀有聚酰亚胺的光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与湿度之间的线性关系；

(6)、将覆盖所有光纤布拉格光栅反射峰波长的宽带光源由①端口进入环型器，由②端口将光输入波分复用的一组串联的光纤布拉格光栅；包含对应各个光栅位置湿度信息的反射光信号，经环型器②端口和③端口进入光纤布拉格光栅波分复用解调系统解调，获得各个光栅的反射峰波长漂移量，根据各个光栅的反射峰位置漂移量与湿度之间的线性关系获得对应检测点的相对湿度。

2、采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于该设备包括n个串联的光纤布拉格光栅，n≥3；宽带光源与环型器①端口通过光纤连接，环型器②端口与光纤布拉格光栅组通过光纤连接；环型器③端口与光纤布拉格光栅波分复用解调系统通过光纤连接；所述的各个光纤布拉格光栅表面镀有聚酰亚胺。