[發明專利]一種光纖光柵濕度傳感器

無效

• 申請號: 201110317742.3
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102393359A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 賈子光;任亮;李東升;李宏男;張瑩
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種光纖光柵濕度傳感器，是利用光纖光柵和吸水樹脂并借助力學原理開發的濕度測量元件。

背景技術

濕度的測量在當今工農業及科學技術發展中顯得越來越重要，而對濕度傳感器的環境適應性以及測量范圍、測量精度及響應速度等指標的要求也越來越高。目前現有的濕度傳感器，例如毛發式、干濕球式等非電量濕度傳感器，以及電容式、電阻式等電量濕度傳感器，在氣流速度、溫濕度變化劇烈、電磁干擾等惡劣測量環境下，其測量精度及穩定性均受較大程度影響，應用范圍非常有限。

光纖光柵是近幾年發展迅速的新一代光無源器件，在光纖通信和光纖傳感等相關領域發揮著重要作用。以光纖光柵為傳感元件研制的傳感器具有靈敏度高、體積小、抗電磁輻射等特點，廣泛用于應變、溫度等物理量的測量。但由于光纖光柵的濕敏性較差，無法直接用于濕度的測量。

目前已有研究利用聚酰亞胺作為涂覆材料來增強光纖光柵的濕敏性，結合了聚酰亞胺濕膨脹線性度好及光纖光柵傳感器精度高、小型化等特點，取得了較好的測量效果。但這種方法須采用化學鍍膜的方式對光纖光柵進行涂覆，工藝十分復雜。且由于聚酰亞胺與光柵區域直接接觸，易產生反射波長多峰值的現象。

發明內容

本發明的目的是提供一種光纖光柵濕度傳感器，該傳感器具備光纖光柵傳感元件的優點，且克服了化學涂覆工藝復雜等問題。

本發明的技術方案是：傳感器由光纖光柵、毛細鋼管、夾持部件，吸水樹脂、墊塊、外殼組成，其中毛細鋼管、夾持部件、外殼的材料均為不銹鋼。首先將光纖光柵的柵區部分穿入毛細鋼管，使其與吸水樹脂隔離；將夾持部件以膠結的方式固定在柵區兩側的光纖上；將以上部分放入下半外殼內，并在毛細鋼管與外殼的空隙之間添加吸水樹脂，同時在夾持部件與外殼端壁間填充硅膠等軟材料；最后將上半外殼與下半外殼通過四角的栓孔連接。本發明利用光纖光柵對應變敏感的特點，在一定的濕度條件下，吸水樹脂吸收外界水分，產生一定的線性膨脹，并對兩端的夾持部件產生膨脹力。該膨脹作用使光纖光柵產生變形，由于光纖光柵波長變化與應變呈線性關系，可根據光纖光柵的波長變化推斷濕度值。

設環境濕度為假定在該濕度條件下，吸水樹脂的體積膨脹量為ΔV與濕度呈線性關系，則

根據光纖光柵的工作原理，光纖光柵的波長變化Δλ與應變ε的關系為

Δλ＝k_εε????(2)

其中k_ε為光纖光柵應變靈敏度系數。對于纖芯是純石英的光纖情況，中心波長為1550nm附近的光纖光柵，k_ε≈1.2pm/με。

忽略夾持部件的變形，則當吸水樹脂體積膨脹ΔV時，光纖光柵的應變變化可由下式計算

ϵ=ΔLL=ΔVAL---(3)]]>

其中A為夾持部件的截面面積，L為毛細鋼管保護部分的光纖長度，ΔL為膨脹后光纖的長度增量。

根據(1)～(3)式，可得光纖光柵的波長變化Δλ與濕度的關系為

其中為光纖光柵濕度傳感器的靈敏度系數，

本發明的效果和益處是，該濕度傳感器將對濕度值的測量，借助一定的力學原理，轉化為對光纖光柵應變的測量。吸水樹脂通過毛細鋼管與光纖光柵隔離，而直接作用在兩端的夾持部件上，避免了復雜的化學涂覆工藝及可能產生的反射波長多峰值的不良影響。該濕度傳感器制作工藝簡單，成本低廉，具備光纖光柵傳感元件靈敏度高、體積小、抗電磁輻射等優點。此外，還可通過拆卸外殼并將吸水樹脂替換為其它濕敏材料，實現對氣體中其它化學成分含量的測量。

附圖說明

附圖是本光纖光柵濕度傳感器側向剖面示意圖。

圖中：1.光纖光柵；2.毛細鋼管；3.夾持部件；4.吸水樹脂；5.墊塊；6.上外殼；7.下外殼。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。

實施例