基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪转让专利
申请号 : CN200810053342.4
文献号 : CN101303299B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 刘波 , 苗银萍 , 张昊 , 开桂云 , 罗建花
申请人 : 南开大学
摘要 :
本发明公开一种基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，包括光源，单模光纤，还设置有倾斜光纤光栅和光谱分析装置，其中，光源通过单模光纤与倾斜光纤光栅相连接，倾斜光纤光栅的输出端通过单模光纤与光谱分析装置相连接，所述的倾斜光纤光栅上涂覆湿度敏感材料膜。所述的湿度敏感材料采用聚酰亚胺材料或碳纤维复合材料或环氧-酚醛树脂湿敏材料。本发明集聚酰亚胺PI薄膜的湿膨胀线性度好、化学性能稳定、具有设计灵活、长期稳定性和互换性好、响应速度快的突出优点。此外耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、抗干扰，易复用等特点于一身，适合在各种恶劣环境下工作。从而，本发明具有成本低、设备简单，易于实现的优点。
权利要求 :
1.一种基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，包括光源(1)，单模光纤(4)，其特征在于，还设置有倾斜光纤光栅(2)和光谱分析装置(3)，其中，光源(1)通过单模光纤(4)与倾斜光纤光栅(2)相连接，倾斜光纤光栅(2)的输出端通过单模光纤(4)与光谱分析装置(3)相连接，所述的倾斜光纤光栅(2)上涂覆湿度敏感材料膜，所述的湿度敏感材料膜采用聚酰亚胺材料或碳纤维复合材料或环氧-酚醛树脂湿敏材料。
2.根据权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，其特征在于，是采用喷涂法在倾斜光纤光栅(2)上涂覆溶解于易挥发有机溶剂中的湿度敏感材料，并通过有机溶剂挥发成膜。
3.根据权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，其特征在于，所述的光源(1)采用宽带光源或窄带可调谐光源。
4.根据权利要求1所述的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，其特征在于，所述的涂有湿度敏感材料膜的倾斜光纤光栅(2)置于被测的湿度环境中。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种空气相对湿度测量仪。特别是涉及一种利用涂覆有湿敏材料的倾斜光纤光栅作为传感器件对外界环境进行感测的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪。
背景技术
光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅是利用特殊的写制方法，在光纤的纤芯内写入与光纤轴向成一定夹角的光栅，可以将特定波长范围的光从光纤纤芯耦合到光纤包层中。而且，倾斜光纤光栅是一种光栅栅面相对于光纤轴有一定倾斜角度的短周期光纤光栅。在单模光纤中，栅面的倾斜使前向传输的纤芯模与后向传输的包层模之间的耦合得以加强，而前向传输的纤芯模与后向传输的纤芯模之间的耦合被减弱，所以有两种耦合；并且反向传输的包层模衰减的很快，在反射谱中不能观测到。因此，在透射谱中有纤芯模和大量的包层模存在。
在现有的技术中，对于空气相对湿度的测试或环境的感测是采用布拉格光栅或长周期光纤光栅作为传感元件去实现的，但是由于它们兼有比较高的温度交叉敏感效应，一定程度上限制了其应用范围。而倾斜光纤光栅避免了二者的缺点又同时具有二者的优点。目前尚未有采用倾斜光纤光栅传感器对空气相对湿度等信号感测及分析的方案。
倾斜光纤光栅对温度和应变的变化感应灵敏，而对湿度变化敏感性较差，所引起的波长位移很小，因此，需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料，增大光纤光栅对湿度变化的敏感性。根据光纤光栅感湿原理，在选择湿敏材料时，其湿敏特征值必须是线性膨胀量。而且和热膨胀不同，湿膨胀与水份含量的关系要在很长时间内进行测量。所以要求湿膨胀线性度好，感应湿度量程大，工作温度范围宽，灵敏度高，响应时间短，湿滞迴差小等。
在现有的技术中，对于空气相对湿度的测试或环境的感测是采用布拉格光栅或长周期光纤光栅作为传感元件去实现的，但是由于它们兼有比较高的温度交叉敏感效应，一定程度上限制了其应用范围。而倾斜光纤光栅避免了二者的缺点又同时具有二者的优点。目前尚未有采用倾斜光纤光栅传感器对空气相对湿度等信号感测及分析的方案。
倾斜光纤光栅对温度和应变的变化感应灵敏，而对湿度变化敏感性较差，所引起的波长位移很小，因此，需要在光纤的外表面涂上一层湿敏材料，增大光纤光栅对湿度变化的敏感性。根据光纤光栅感湿原理，在选择湿敏材料时，其湿敏特征值必须是线性膨胀量。而且和热膨胀不同，湿膨胀与水份含量的关系要在很长时间内进行测量。所以要求湿膨胀线性度好，感应湿度量程大，工作温度范围宽，灵敏度高，响应时间短，湿滞迴差小等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用涂覆有湿敏材料的倾斜光纤光栅作为传感器件，可以实现不受温度影响的对外界环境进行感测的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪。
本发明所采用的技术方案是：一种基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，包括光源，单模光纤，还设置有倾斜光纤光栅和光谱分析装置，其中，光源通过单模光纤与倾斜光纤光栅相连接，倾斜光纤光栅的输出端通过单模光纤与光谱分析装置相连接，所述的倾斜光纤光栅上涂覆湿度敏感材料膜。
所述的湿度敏感材料采用聚酰亚胺材料或碳纤维复合材料或环氧-酚醛树脂湿敏材料。
是采用喷涂法在倾斜光纤光栅上涂覆溶解于易挥发有机溶剂中的湿度敏感材料，并通过有机溶剂挥发成膜。
所述的光源采用宽带光源或窄带可调谐光源。
所述的涂有湿度敏感材料膜的倾斜光纤光栅置于被测的湿度环境中。
本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，以倾斜光纤光栅为传感元件，根据其透射谱中纤芯模与包层模谐振波长的变化能够反映外界环境情况，利用其包层模与纤芯模具有相似的温度特性以及不同的应力敏感特性，通过检测其间隔的变化量从而实现基于倾斜光纤光栅的不受温度影响的空气相对湿度传感器。该传感器集聚酰亚胺PI薄膜的湿膨胀线性度好、化学性能稳定、具有设计灵活、长期稳定性和互换性好、响应速度快的突出优点。此外耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、抗干扰，易复用等特点于一身，适合在各种恶劣环境下工作。从而，本发明具有成本低、设备简单，易于实现的优点。
本发明所采用的技术方案是：一种基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，包括光源，单模光纤，还设置有倾斜光纤光栅和光谱分析装置，其中，光源通过单模光纤与倾斜光纤光栅相连接，倾斜光纤光栅的输出端通过单模光纤与光谱分析装置相连接，所述的倾斜光纤光栅上涂覆湿度敏感材料膜。
所述的湿度敏感材料采用聚酰亚胺材料或碳纤维复合材料或环氧-酚醛树脂湿敏材料。
是采用喷涂法在倾斜光纤光栅上涂覆溶解于易挥发有机溶剂中的湿度敏感材料，并通过有机溶剂挥发成膜。
所述的光源采用宽带光源或窄带可调谐光源。
所述的涂有湿度敏感材料膜的倾斜光纤光栅置于被测的湿度环境中。
本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，以倾斜光纤光栅为传感元件，根据其透射谱中纤芯模与包层模谐振波长的变化能够反映外界环境情况，利用其包层模与纤芯模具有相似的温度特性以及不同的应力敏感特性，通过检测其间隔的变化量从而实现基于倾斜光纤光栅的不受温度影响的空气相对湿度传感器。该传感器集聚酰亚胺PI薄膜的湿膨胀线性度好、化学性能稳定、具有设计灵活、长期稳定性和互换性好、响应速度快的突出优点。此外耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、抗干扰，易复用等特点于一身，适合在各种恶劣环境下工作。从而，本发明具有成本低、设备简单，易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
其中：
1：光源 2：倾斜光纤光栅
3：光谱分析装置 4：单模光纤
其中：
1：光源 2：倾斜光纤光栅
3：光谱分析装置 4：单模光纤
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，包括光源1，倾斜光纤光栅2，光谱分析装置3和单模光纤4，其中，光源1通过单模光纤4与倾斜光纤光栅2相连接，倾斜光纤光栅2的输出端通过单模光纤4与光谱分析装置3相连接，所述的倾斜光纤光栅2上涂覆湿度敏感材料膜。所述的涂有湿度敏感材料膜的倾斜光纤光栅2置于被测的湿度环境中。
经过对数十种湿敏材料的对比分析，选择碳纤维复合材料、环氧-酚醛树脂湿敏材料和聚酰亚胺为湿度敏感材料膜较理想。将湿敏材料在易挥发有机溶剂中溶解，采用喷涂法在倾斜光纤光栅2上涂覆湿度敏感材料通过溶剂挥发成膜。
所述的光源1采用宽带光源或窄带可调谐光源。
本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪的测试原理是：
采用光源1的工作波段为1530～1570nm。采用倾斜光纤光栅2的透射谱中包层模谐振峰的范围为1530nm～1559nm，纤芯模的谐振峰值为1561.5nm。光谱分析装置3采用安捷伦的光谱分析仪。单模光纤4采用C波段的单模光纤。
用喷涂法在倾斜光纤光栅上涂覆湿度敏感材料聚酰亚胺(PI)高分子材料并进行固化。用单模光纤分别将光源与涂覆有PI材料的倾斜光纤光栅相连，将涂覆有PI材料的倾斜光纤光栅接入光谱仪，然后将涂覆有PI材料的倾斜光纤光栅置于一定的湿度环境中，PI高分子材料有一定数量的孔隙，在湿蒸气环境中，水蒸气很容易渗透到PI中，PI与水形成氢键而结合在一起，从而填充湿敏材料的孔隙。由于该材料吸湿后线性膨胀而伸展，可以把湿膨胀引起的膨胀量转换为线性应变量来处理。即通过应力对光纤光栅作用使TFBG常数发生变化，纤芯模与包层模式谐振波长发生漂移，从而将湿度的测量转化为对光栅微应变的测量。用光谱仪监测透射谱(波长漂移和幅度)的变化。经过大量的实验研究优化了其厚度并用原子力显微镜检测了其结构形貌良好得以提高其湿度敏感性。由于在对倾斜光纤光栅的研究中我们发现纤芯模与包层模具有相似的温度敏感性以及不同的应力敏感特性，因此我们可以通过检测倾斜光纤光栅的透射谱中包层模与纤芯模之间的间隔随外界湿度环境变化的大小，从而确定环境中的空气湿度物理量。这样有望得到不受温度影响的湿度传感器。
如图1所示，本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪，包括光源1，倾斜光纤光栅2，光谱分析装置3和单模光纤4，其中，光源1通过单模光纤4与倾斜光纤光栅2相连接，倾斜光纤光栅2的输出端通过单模光纤4与光谱分析装置3相连接，所述的倾斜光纤光栅2上涂覆湿度敏感材料膜。所述的涂有湿度敏感材料膜的倾斜光纤光栅2置于被测的湿度环境中。
经过对数十种湿敏材料的对比分析，选择碳纤维复合材料、环氧-酚醛树脂湿敏材料和聚酰亚胺为湿度敏感材料膜较理想。将湿敏材料在易挥发有机溶剂中溶解，采用喷涂法在倾斜光纤光栅2上涂覆湿度敏感材料通过溶剂挥发成膜。
所述的光源1采用宽带光源或窄带可调谐光源。
本发明的基于倾斜光纤光栅的空气相对湿度测量仪的测试原理是：
采用光源1的工作波段为1530～1570nm。采用倾斜光纤光栅2的透射谱中包层模谐振峰的范围为1530nm～1559nm，纤芯模的谐振峰值为1561.5nm。光谱分析装置3采用安捷伦的光谱分析仪。单模光纤4采用C波段的单模光纤。
用喷涂法在倾斜光纤光栅上涂覆湿度敏感材料聚酰亚胺(PI)高分子材料并进行固化。用单模光纤分别将光源与涂覆有PI材料的倾斜光纤光栅相连，将涂覆有PI材料的倾斜光纤光栅接入光谱仪，然后将涂覆有PI材料的倾斜光纤光栅置于一定的湿度环境中，PI高分子材料有一定数量的孔隙，在湿蒸气环境中，水蒸气很容易渗透到PI中，PI与水形成氢键而结合在一起，从而填充湿敏材料的孔隙。由于该材料吸湿后线性膨胀而伸展，可以把湿膨胀引起的膨胀量转换为线性应变量来处理。即通过应力对光纤光栅作用使TFBG常数发生变化，纤芯模与包层模式谐振波长发生漂移，从而将湿度的测量转化为对光栅微应变的测量。用光谱仪监测透射谱(波长漂移和幅度)的变化。经过大量的实验研究优化了其厚度并用原子力显微镜检测了其结构形貌良好得以提高其湿度敏感性。由于在对倾斜光纤光栅的研究中我们发现纤芯模与包层模具有相似的温度敏感性以及不同的应力敏感特性，因此我们可以通过检测倾斜光纤光栅的透射谱中包层模与纤芯模之间的间隔随外界湿度环境变化的大小，从而确定环境中的空气湿度物理量。这样有望得到不受温度影响的湿度传感器。