CN218847276U - 一种光纤温湿度传感器及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤温湿度传感器及其检测系统，光纤温湿度传感器主要由单模光纤、光纤布拉格光栅、陶瓷插芯、多孔氧化铝介质薄膜组成，单模光纤上刻制一个光纤布拉格光栅，单模光纤的尾纤从A端插入陶瓷插芯中，随陶瓷插芯的B端一起研磨平整后连接多孔氧化铝介质薄膜。本实用新型的有益效果为：光纤布拉格光栅用于测温；多孔氧化铝介质薄膜的两侧表面是两个反射面，形成一个F‑P腔结构，此结构用于测湿，光纤温湿度传感器结构简单，测量精度高，可以应用在低湿度环境的温湿度监测中。

Description

一种光纤温湿度传感器及其检测系统

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术和光电检测技术领域，具体涉及一种光纤温湿度传感器及其检测系统。

背景技术

光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、可远程测量等优点，在许多领域都得到广泛研究。粮仓、军用仓库、存放精密仪器的实验室等环境对温度和湿度都有非常严格的要求，需要监测环境中的温度和湿度这两个重要的参数。传统的温湿度计测量精度差，不能在低湿度环境中使用，而且容易受到电磁干扰，无法在易燃易爆的环境使用。光纤温湿度传感器是基于光纤传光特性的一种新型测量方法，具有稳定性好，抗电磁干扰能力强，本质安全等优点，其利用湿敏薄膜测湿度的方式主要由两种：一是在光纤端面以蒸镀的形式制作介质薄膜，这种方式制作的介质薄膜一般小于5μm，其干涉光谱无法与C波段的光纤光栅匹配；二是在光纤光栅侧面以提拉镀膜的形式制作聚合物薄膜，这种方式制作的湿敏薄膜只能用在高湿度环境中。此外，现有的光纤温湿度传感技术依旧存在湿度检测时易受温度串扰的问题，以及无法同时监测同一点位上的湿度和温度的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种光纤温湿度传感器及其检测系统，光纤温湿度传感器能够同时监测同一点位上的湿度和温度，结构紧凑，抗电磁干扰，成本较低，适用于低湿环境的远距离温湿度监测。

本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种光纤温湿度传感器，主要由单模光纤、光纤布拉格光栅、陶瓷插芯、多孔氧化铝介质薄膜组成，其特征是：单模光纤上刻制一个光纤布拉格光栅，单模光纤的尾纤从A端插入陶瓷插芯中，随陶瓷插芯的B端一起研磨平整后连接多孔氧化铝介质薄膜。

进一步的，所述单模光纤的连接端尾部剥除涂覆层，从A端插入陶瓷插芯，连接处用紫外固化胶固定。

进一步的，所述陶瓷插芯的B端面研磨平整，紫外固化胶将多孔氧化铝介质薄膜固定在陶瓷插芯的B端面。

进一步的，所述多孔氧化铝介质薄膜是多孔结构，单模光纤与多孔氧化铝介质薄膜交界处为第一反射面，多孔氧化铝介质薄膜与空气的交界处为第二反射面，第一反射面和第二反射面以及中间的多孔氧化铝介质薄形成一个F-P腔结构，第一反射面处的孔隙闭合，第二反射面处的孔隙非闭合。

进一步的，陶瓷插芯的B端面连接的多孔氧化铝介质薄膜的端面是孔隙闭合面。

进一步的，多孔氧化铝介质薄膜与空气接触的那个端面是孔隙非闭合面。

进一步的，剥除涂覆层的单模光纤的直径为125 μm，光纤布拉格光栅的中心波长是1550 nm，陶瓷插芯的内径为126 μm，多孔氧化铝介质薄膜的厚度为50 μm。

进一步的，本实用新型的另外一个技术方案为：一种光纤温湿度传感器的检测系统，主要包括数据采集处理器、C波段激光光源、红外光谱仪、单模光纤耦合器、光纤温湿度传感器和温湿度发生器；其特征是：在温湿度发生器内放置光纤温湿度传感器，光纤温湿度传感器通过单模光纤耦合器的合路端连接单模光纤耦合器，单模光纤耦合器的第一分路端连接C波段激光光源，单模光纤耦合器的第二分路端连接红外光谱仪，红外光谱仪连接数据采集处理器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型提出的光纤温湿度传感器，使用多孔氧化铝介质薄膜作为湿敏元件，具有孔隙率大，对低湿敏感，水吸附性能稳定的特点，提高了光纤温湿度传感器在低湿范围的测量精度；

（2）本实用新型的光纤温湿度传感器，结构紧凑，抗电磁干扰，成本较低，尤其适用于低湿环境的远距离温湿度监测。

（3）光纤布拉格光栅用于测温；多孔氧化铝介质薄膜的两侧表面是两个反射面，形成一个F-P腔结构，此结构用于测湿，光纤温湿度传感器结构简单，测量精度高，可以应用在低湿度环境的温湿度监测中。

附图说明

图1是本实用新型中的光纤温湿度传感器的结构示意图。

图2是本实用新型中的多孔氧化铝介质薄膜构成的FP腔结构示意图。

图3是本实用新型中的光纤温湿度传感器的检测系统示意图。

图4是本实用新型中的光纤温湿度传感器的反射光谱图。

图中：1为单模光纤，2为光纤布拉格光栅，3为陶瓷插芯，4为多孔氧化铝介质薄膜，4-1为氧化铝介质膜的前端面， 4-2为氧化铝介质膜的后端面， 5为数据采集处理器，6为C波段激光光源，7为红外光谱仪，8为单模光纤耦合器，8-1为单模光纤耦合器的第一分路端，8-2为单模光纤耦合器的第二分路端，8-3为单模光纤耦合器的合路端，9为光纤温湿度传感器，10为温湿度发生器，11为光栅反射峰，12为薄膜干涉光谱。

实施方式

现结合具体实例和附图进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及功效。

有关本实用新型的前述及其它技术内容和特点，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中均可清楚的呈现。所有附图仅是提供参考与说明之用，并非对本实用新型的技术方案加以限制。

附图1是本实用新型实施例提供的一种光纤温湿度传感器的结构示意图，主要由单模光纤1、光纤布拉格光栅2、陶瓷插芯3、多孔氧化铝介质薄膜4组成，其特征是：单模光纤1上刻制一个光纤布拉格光栅2，单模光纤1的尾纤从A端插入陶瓷插芯3，陶瓷插芯3的B端连接多孔氧化铝介质薄膜4。

具体的，直径为125 μm的单模光纤1上刻制长度为10 mm的光纤布拉格光栅2形成一个中心波长是1550 nm的光栅反射峰；用米勒钳将刻有光纤布拉格光栅2的单模光纤1的尾端剥去涂覆层，用酒精清洗干净后套上内径为126 μm的陶瓷插芯3并用紫外固化胶固定；用夹具夹住陶瓷插芯3，将陶瓷插芯3端面及内部的单模光纤1尾纤研磨平整；之后用紫外固化胶将厚度为50 μm的多孔氧化铝介质薄膜4固定在陶瓷插芯3端面，多孔氧化铝介质薄膜4的前端面4-1和后端面4-2为两个反射面，形成一个F-P腔结构，介质薄膜的多孔结构能够吸附空气中的水分子，最终构成本实用新型的光纤温湿度传感器。

所述多孔氧化铝介质薄膜4的两侧表面，前端面4-1孔隙闭合，后端面4-2孔隙非闭合，在贴膜过程中需要保证多孔氧化铝介质薄膜4孔隙非闭合后端面4-2朝向空气，非闭合一侧表面的孔隙结构参见附图2，此种孔隙结构具有吸附并存储环境中的水分子的能力。多孔氧化铝介质薄膜是多孔结构，单模光纤与多孔氧化铝介质薄膜交界处为第一反射面，如图2中4-1，多孔氧化铝介质薄膜与空气的交界处为第二反射面，如图2中4-2，这两个反射面以及中间的氧化铝薄膜形成一个F-P腔结构，第一反射面处的孔隙闭合，第二反射面处的孔隙非闭合。

在多孔氧化铝介质薄膜4的贴膜过程中，将光纤布拉格光栅2另一端连上测试系统，实时监测待完成温湿度传感结构的反射光谱，在陶瓷插芯3端面点上紫外固化胶，将多孔氧化铝介质薄膜4贴在陶瓷插芯端面，必须保证多孔氧化铝介质薄膜4的孔隙开口朝向外侧，过程中可轻微移动多孔氧化铝介质薄膜4，得到需要的干涉光谱后，用紫外灯照射使紫外固化胶凝固。

可选地，光纤光栅的长度为1-10 mm，多孔氧化铝薄膜的厚度为20-100 μm。

需要说明的是湿度敏感薄膜还可以选择其他材料制作而成的多孔状的湿度敏感介质薄膜，在此不作限制。

在制作完成光纤温湿度传感器9之后，将其接入如图3所示的光纤测试系统，该系统包括数据采集处理器5、C波段激光光源6、红外光谱仪7、单模光纤耦合器8和温湿度发生器10。首先将单模光纤耦合器8的合路端8-3与光纤温湿度传感器9相连，并将光纤温湿度传感器9放入温湿度发生器10中，再将单模光纤耦合器8的第一分路端8-1和单模光纤耦合器8的第二分路端8-2分别与C波段激光光源6和红外光谱仪7进行连接，再将红外光谱仪7接收到的光谱信息传输到数据采集处理器5中进行数据分析与显示。

通过上述光纤测试系统，即可得到如图4所示的光纤温湿度传感器的反射光谱图。当环境温度改变时，会造成图4中光栅反射峰11波长值的移动；当环境湿度改变时，会造成图4中薄膜干涉光谱波峰12波长值的移动。通过监测传感器反射光谱中对应峰的波长移动，即可获知环境温湿度值。

本实用新型不局限于前述的具体实施实例。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或新的组合。

Claims (8)

1.一种光纤温湿度传感器，主要由单模光纤、光纤布拉格光栅、陶瓷插芯、多孔氧化铝介质薄膜组成，其特征是：单模光纤上刻制一个光纤布拉格光栅，单模光纤的尾纤从A端插入陶瓷插芯中，随陶瓷插芯的B端一起研磨平整后连接多孔氧化铝介质薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器，其特征是：所述单模光纤的连接端尾部剥除涂覆层，从A端插入陶瓷插芯，连接处用紫外固化胶固定。

3.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器，其特征是：所述陶瓷插芯的B端面研磨平整，紫外固化胶将多孔氧化铝介质薄膜固定在陶瓷插芯的B端面。

4.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器，其特征是：所述多孔氧化铝介质薄膜是多孔结构，单模光纤与多孔氧化铝介质薄膜交界处为第一反射面，多孔氧化铝介质薄膜与空气的交界处为第二反射面，第一反射面和第二反射面以及中间的多孔氧化铝介质薄形成一个F-P腔结构，第一反射面处的孔隙闭合，第二反射面处的孔隙非闭合。

5.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器，其特征是：陶瓷插芯的B端面连接的多孔氧化铝介质薄膜的端面是孔隙闭合面。

6.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器，其特征是：多孔氧化铝介质薄膜与空气接触的那个端面是孔隙非闭合面。

7.根据权利要求1所述的一种光纤温湿度传感器，其特征是：剥除涂覆层的单模光纤的直径为125μm，光纤布拉格光栅的中心波长是1550nm，陶瓷插芯的内径为126μm，多孔氧化铝介质薄膜的厚度为50μm。

8.一种根据权利要求1所述的光纤温湿度传感器的检测系统，主要包括数据采集处理器、C波段激光光源、红外光谱仪、单模光纤耦合器、光纤温湿度传感器和温湿度发生器；其特征是：在温湿度发生器内放置光纤温湿度传感器，光纤温湿度传感器通过单模光纤耦合器的合路端连接单模光纤耦合器，单模光纤耦合器的第一分路端连接C波段激光光源，单模光纤耦合器的第二分路端连接红外光谱仪，红外光谱仪连接数据采集处理器。

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