CN205719929U - 一种相对湿度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及传感技术领域，尤其涉及一种相对湿度测量装置，信号采集装置包括重量测量装置、栅结构和两个分别设置于重量测量装置的上表面与下表面的光纤光栅，重量测量装置的端部设置栅结构，以通过栅结构吸收水分增加重量使重量测量装置的端部产生竖直方向上的弯曲形变；当重量测量装置的端部弯曲形变时，位于重量测量装置的上表面的光纤光栅拉长，位于重量测量装置的下表面的光纤光栅的缩短；光信号处理装置与光纤光栅连接，以对光纤光栅发射光信号并将接收到的由光纤光栅反射回的光信号转化为数字信号；数据处理装置与光信号处理装置连接，以对接收到的光信号处理装置的数字信号进行处理形成相对湿度的实时变化数据。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种相对湿度测量装置。
背景技术
光纤光栅探测技术是探测领域的一次变革，这种探测技术的实现得益于光纤光栅的制作工艺(包括位相掩模技术，低温高压氢扩散工艺)的提升。传统的电子式传感器在湿度测量方面的应用时，往往受到有源供电、电磁干扰等因素制约，且工作性质稳定度较低，信号远程传输不稳定，数据传输容量受限，很难在极端恶劣的环境下进行湿度检测。现通过将光纤光栅探测技术应用于传感器和湿度检测领域中，以克服传统电子式传感器在进行湿度测量时的应用缺陷。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型要解决的技术问题是解决现有的相对湿度测量装置容易受到有源供电、电磁干扰等因素制约，很难在极端恶劣的环境下进行湿度检测的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种相对湿度测量装置，包括信号采集装置、光信号处理装置和数据处理装置，所述信号采集装置包括重量测量装置、栅结构和两个分别设置于所述重量测量装置的上表面与下表面的光纤光栅，所述重量测量装置的端部设置所述栅结构，以通过所述栅结构吸收水分增加重量使所述重量测量装置的端部产生竖直方向上的弯曲形变；当所述重量测量装置的端部弯曲形变时，位于所述重量测量装置的上表面的所述光纤光栅拉长，位于所述重量测量装置的下表面的所述光纤光栅的缩短；所述光信号处理装置与所述光纤光栅连接，以对所述光纤光栅发射光信号并将接收到的由所述光纤光栅反射回的光信号转化为数字信号；所述数据处理装置与所述光信号处理装置连接，以对接收到的所述光信号处理装置的数字信号进行处理形成相对湿度的实时变化数据。
其中，所述光信号处理装置包括FBG解调仪，所述FBG解调仪包括局端与信号处理元件，所述局端用于对所述光纤光栅发射光信号并接收所述光纤光栅反射回的光信号，所述信号处理元件均与所述局端和所述数据处理装置连接，以将所述局端接收到的光信号转化为数字信号并发射至所述数据处理装置。
其中，所述栅结构的表面涂覆有高分子湿度敏感材料。
其中，所述高分子湿度敏感材料为聚丙烯酰胺。
其中，所述栅结构为铝制材料。
其中，所述光纤光栅通过信号传输装置与所述光信号处理装置连接，所述信号传输装置为OPGW光缆或OPPC光缆。
其中，所述重量测量装置包括基座与悬臂梁，所述悬臂梁的一端与所述栅结构垂直连接，另一端与所述基座固定连接，所述悬臂梁的上表面与下表面均设有所述光纤光栅。
其中，所述信号采集装置的外部设有保护壳，所述悬臂梁通过所述基座与所述保护壳连接，所述信号传输装置穿入所述保护壳与所述光纤光栅连接。
其中，还包括显示装置，所述显示装置与所述数据处理装置连接，用于对所述数据处理装置处理形成的相对湿度的实时变化数据进行显示。
(三)有益效果
本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型的相对湿度测量装置的栅结构吸收所测环境空气中的水分，产生重量变化后对重量测量装置的端部产生微应力，并使重量测量装置的端部发生竖直向下的弯曲形变，设置于重量测量装置上的光纤光栅因重量测量装置的端部的弯曲形变而发生相应的微形变，因此其自身的反射光谱中心波长随其形变而发生实时变化，光纤光栅将光信号处理装置发射的光信号中与其自身形变后得到反射光谱中心波长相匹配的光信号反射回光信号处理装置，再经过光信号处理装置将接受的实时光信号转化为数字信号，最后通过相应的数据处理装置进行建模及数据处理，对接收的光纤光栅反射光谱中心波长变化的数字信号进行分析处理，从而计算出实时环境相对湿度，获得相对湿度的实时变化。
与传统的湿度测量装置相比，本实用新型的相对湿度测量装置的优势主要体现在信号采集装置的无源(电源)以及抗电磁波干扰的能力上。信号采集装置的光纤光栅具有无源化、抗电磁干扰、精度高、体积小质量轻和抗腐蚀的特点，并且集信息传感与传输于一身，本实用新型的工作性质较为稳定，只需要连接光缆便可以进行无源的监测，对于强电磁干扰，本实用新型几乎不受影响，所以可用于多种极端恶劣的环境下的湿度监测。同时，因温度对光纤光栅的反射波长也会造成影响，所以在重量测量装置上、下表面分别设置光纤光栅，两个光纤光栅因重量测量装置的端部的弯曲形变而发生相应的伸长和缩短，数字信号进入数据处理模块后，两个光纤光栅处测得的波长数据再通过做差的方式补偿光纤光栅由于温度交叉敏感引起的信号波长的误差，这样可以温度对排除光纤光栅的干扰，有效地补偿温度的交叉敏感，减少温度对波长值的影响，使结果更精确，实现对环境相对湿度的精确测量。
除了上面所描述的本实用新型解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本实用新型的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本实用新型实施例相对湿度测量装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例相对湿度测量装置的信号采集装置的结构示意图。
图中：1：信号采集装置；2：光信号处理装置；3：数据处理装置；4：信号传输装置；5：显示装置；11：重量测量装置；12：栅结构；13：光纤光栅；111：基座；112：悬臂梁。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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实用新型中的具体含义。
此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
如图1和图2所示，本实用新型实施例提供的相对湿度测量装置，包括信号采集装置1、光信号处理装置2和数据处理装置3，信号采集装置1包括重量测量装置11、栅结构12和两个分别设置于重量测量装置11的上表面与下表面的光纤光栅13，重量测量装置11的端部设置栅结构12，以通过栅结构12吸收水分增加重量使重量测量装置11的端部产生竖直方向上的弯曲形变；当重量测量装置11的端部弯曲形变时，位于重量测量装置11的上表面的光纤光栅13拉长，位于重量测量装置11的下表面的光纤光栅13的缩短；光信号处理装置2与光纤光栅13连接，以对光纤光栅13发射光信号并将接收到的由光纤光栅13反射回的光信号转化为数字信号；数据处理装置3与光信号处理装置2连接，以对接收到的光信号处理装置2的数字信号进行处理形成相对湿度的实时变化数据。
本实用新型的相对湿度测量装置的栅结构吸收所测环境空气中的水分，产生重量变化后对重量测量装置的端部产生微应力，并使重量测量装置的端部发生竖直向下的弯曲形变，设置于重量测量装置上的光纤光栅因重量测量装置的端部的弯曲形变而发生相应的微形变，因此其自身的反射光谱中心波长随其形变而发生实时变化，光纤光栅将光信号处理装置发射的光信号中与其自身形变后得到反射光谱中心波长相匹配的光信号反射回光信号处理装置，再经过光信号处理装置将接受的实时光信号转化为数字信号，最后通过相应的数据处理装置进行建模及数据处理，对接收的光纤光栅反射光谱中心波长变化的数字信号进行分析处理，从而计算出实时环境相对湿度，获得相对湿度的实时变化。
与传统的湿度测量装置相比，本实用新型的相对湿度测量装置的优势主要体现在信号采集装置的无源(电源)以及抗电磁波干扰的能力上。信号采集装置的光纤光栅具有无源化、抗电磁干扰、精度高、体积小质量轻和抗腐蚀的特点，并且集信息传感与传输于一身，本实用新型的工作性质较为稳定，只需要连接光缆便可以进行无源的监测，对于强电磁干扰，本实用新型几乎不受影响，所以可用于多种极端恶劣的环境下的湿度监测。同时，因温度对光纤光栅的反射波长也会造成影响，所以在重量测量装置上、下表面分别设置光纤光栅，两个光纤光栅因重量测量装置的端部的弯曲形变而发生相应的伸长和缩短，数字信号进入数据处理模块后，两个光纤光栅处测得的波长数据再通过做差的方式补偿光纤光栅由于温度交叉敏感引起的信号波长的误差，这样可以温度对排除光纤光栅的干扰，有效地补偿温度的交叉敏感，减少温度对波长值的影响，使结果更精确，实现对环境相对湿度的精确测量。
其中，光信号处理装置2包括FBG解调仪(Fiber Bragg Grating，即光纤布拉格光栅)，FBG解调仪包括局端与信号处理元件，局端用于对光纤光栅13发射光信号并接收光纤光栅13反射回的光信号，信号处理元件均与局端和数据处理装置3连接，以将局端接收到的光信号转化为数字信号并发射至数据处理装置3。FBG解调仪的局端产生窄带扫频光，即频率大小连续变化的窄带光，并将窄带扫频光通过光纤通道等数据传输装置向远程的光纤光栅处发射。当扫频光的波长与光纤光栅的反射光谱中心波长匹配时将发生反射，反射的光信号再次被局端接收，从而在FBG解调仪处可探测到被反射回来的光功率，进而FBG解调仪的信号处理元件将接收到的光信号解调成波长编码的数字信号，并将数字信号传输至数据处理装置进行进一步分析处理，获得所测环境的相对湿度的实时变化。
其中，栅结构12的表面涂覆有高分子湿度敏感材料。栅结构通过预处理及涂覆材料溶液后的后续干燥处理，再与高分子湿敏材料紧密粘连。在重量测量装置末端连接已经涂覆、固化好湿度敏感高分子材料的栅结构，这样的栅结构可以增大高分子材料与空气接触面积，增大相对湿度感应的灵敏性和精确性。当所测环境中空气的相对湿度变化时，导致栅结构上涂覆的高分子材料吸收的水分不同，从而导致其重量的变化，高分子湿敏材料物理尺寸变化对重量测量装置产生微应力，从而导致的光纤光栅的反射光谱中心波长的变化。
优选的，高分子湿度敏感材料为聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺(PAM)为高分子聚合物，具有良好的絮凝性，应用于本实用新型的相对湿度测量装置中也起到了节能环保的效果。
具体的，栅结构12为铝制材料。铝制的栅结构质量轻，不易损坏，在不同湿度的环境中均可保证较长的使用寿命，耐用性强，有利于减轻整体装置的重量和增加装置的使用寿命。
进一步的，光纤光栅13与光信号处理装置2通过信号传输装置4连接，信号传输装置2为OPGW光缆(Optical Fiber Composite OverheadGround Wire，即光纤复合架空地线)或OPPC光缆(Optical PhaseConductor，即光纤复合相线)。光信号处理装置用于完成光纤光栅与FBG解调仪的局端之间数据信号的传输。相关的具体数据传输内容是将局端的窄带扫频光通OPGW或OPPC中的光纤通道传输至光纤光栅，并将固定在重量测量装置上的光纤光栅产生的反射光信号通过OPGW或OPPC中的光纤通道传输至局端。焊接在重量测量装置上的光纤光栅，通过OPGW或OPPC接续盒与其中的光纤串接。OPGW和OPPC分别是把光纤放置在架空高压输电线的地线和相线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通信或相线与通信双重功能，提高了本实用新型相对湿度测量装置的信号远程传输稳定，扩大了数据传输容量。
具体的，如图2所示，重量测量装置11包括基座111与悬臂梁112，悬臂梁112的一端与栅结构12垂直连接，悬臂梁112的另一端与基座111固定连接，悬臂梁112的上表面与下表面均设有光纤光栅13。两个光纤光栅分别焊接在重悬臂梁的上、下表面，栅结构与悬臂梁一端垂直连接，吸水增重后可对悬臂梁产生微应力，使悬臂梁发生向下弯曲的微形变，基座对悬臂梁的另一端起固定作用。
具体的，信号采集装置1的外部设有保护壳，悬臂梁112通过基座111与保护壳连接，信号传输装置4穿入保护壳与光纤光栅13连接。保护壳对内部的信号采集装置起保护作用，以保证信号采集装置在恶劣的检测环境下也能够正常工作，减小外界环境对信号采集装置的影响，减轻恶劣环境对装置的损害。
另外，本实用新型的相对湿度测量装置还包括显示装置5，显示装置5与数据处理装置4连接，用于对数据处理装置4处理形成的相对湿度的实时变化数据进行显示。显示装置不仅可以先死所测环境的相对湿度的实时变化数据，还可用于操作人员进行电子地理显示、电网参量监测、日志查询和帮助中的任意操作。
实际装置使用时，具体工作过程如下：
由光信号处理装置的FBG解调仪发射窄带扫频光经数据传输装置的OPGW或OPPC光缆传输到远程的信号采集装置中；在信号采集装置里，与重量测量装置连接的光纤光栅反射回与其实时形变后产生的反射光谱中心波长相匹配的光谱，该光谱携带了涂覆湿度敏感材料的栅结构重量变化，即所测环境中相对湿度的相关信息；由此信号采集装置采集的信息以光信号的形式再次经数据传输装置的OPGW或OPPC光缆传输到FBG解调仪中，在FBG解调仪中光信号被解调成以波长编码的数字信号；数字信号进入数据处理模块，经过建模及数据处理，从上述接收到的光纤光栅的反射波长的数字信号获取重量测量装置的端部所受的微应力的实时变化，可求得实时栅结构的重量变化，进而计算实时的相对湿度，并进行数据的保存，重要数据都被保存进数据库，以便查询。
综上所述，本实用新型的相对湿度测量装置的栅结构吸收所测环境空气中的水分，产生重量变化后对重量测量装置的端部产生微应力，并使重量测量装置的端部发生竖直向下的弯曲形变，设置于重量测量装置上的光纤光栅因重量测量装置的端部的弯曲形变而发生相应的微形变，因此其自身的反射光谱中心波长随其形变而发生实时变化，光纤光栅将光信号处理装置发射的光信号中与其自身形变后得到反射光谱中心波长相匹配的光信号反射回光信号处理装置，再经过光信号处理装置将接受的实时光信号转化为数字信号，最后通过相应的数据处理装置进行建模及数据处理，对接收的光纤光栅反射光谱中心波长变化的数字信号进行分析处理，从而计算出实时环境相对湿度，获得相对湿度的实时变化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种相对湿度测量装置，其特征在于：包括信号采集装置、光信号处理装置和数据处理装置，所述信号采集装置包括重量测量装置、栅结构和两个分别设置于所述重量测量装置的上表面与下表面的光纤光栅，所述重量测量装置的端部设置所述栅结构，以通过所述栅结构吸收水分增加重量使所述重量测量装置的端部产生竖直方向上的弯曲形变；当所述重量测量装置的端部弯曲形变时，位于所述重量测量装置的上表面的所述光纤光栅拉长，位于所述重量测量装置的下表面的所述光纤光栅的缩短；所述光信号处理装置与所述光纤光栅连接，以对所述光纤光栅发射光信号并将接收到的由所述光纤光栅反射回的光信号转化为数字信号；所述数据处理装置与所述光信号处理装置连接，以对接收到的所述光信号处理装置的数字信号进行处理形成相对湿度的实时变化数据。
2.根据权利要求1所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述光信号处理装置包括FBG解调仪，所述FBG解调仪包括局端与信号处理元件，所述局端用于对所述光纤光栅发射光信号并接收所述光纤光栅反射回的光信号，所述信号处理元件均与所述局端和所述数据处理装置连接，以将所述局端接收到的光信号转化为数字信号并发射至所述数据处理装置。
3.根据权利要求1所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述栅结构的表面涂覆有高分子湿度敏感材料。
4.根据权利要求3所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述高分子湿度敏感材料为聚丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述栅结构为铝制材料。
6.根据权利要求1所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述光纤光栅通过信号传输装置与所述光信号处理装置连接，所述信号传输装置为OPGW光缆或OPPC光缆。
7.根据权利要求6所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述重量测量装置包括基座与悬臂梁，所述悬臂梁的一端与所述栅结构垂直连接，另一端与所述基座固定连接，所述悬臂梁的上表面与下表面均设有所述光纤光栅。
8.根据权利要求7所述的相对湿度测量装置，其特征在于：所述信号采集装置的外部设有保护壳，所述悬臂梁通过所述基座与所述保护壳连接，所述信号传输装置穿入所述保护壳与所述光纤光栅连接。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的相对湿度测量装置，其特征在于：还包括显示装置，所述显示装置与所述数据处理装置连接，用于对所述数据处理装置处理形成的相对湿度的实时变化数据进行显示。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |