双长周期光纤光栅温湿度传感器

摘要

一种双长周期光纤光栅温湿度传感器，在两个传感本体之间轴向设置有温度增敏直梁、支承直梁、金属套管，温度增敏直梁上设置有感温型长周期光纤光栅，金属套管内设置有感湿型长周期光纤光栅，感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的尾纤熔接。当外界环境的温度和湿度发生变化时，长周期光纤光栅纤芯基模和包层模的有效折射率及光栅周期发生变化，谐振波长发生变化，折射率发生改变，通过检测感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的透射波长，可得到环境的温度与湿度信息，实现双参量同时测量，本发明具有测量精度高、可同时测量温度和湿度等优点，可作为同时测量温度和湿度的传感器。

权利要求

1.一种双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：在两个传感本体（1）之间轴向设置有温度增敏直梁（5）、支承直梁（2）、金属套管（3），金属套管（3）上径向加工有孔径为

0.5～1mm的透气孔，温度增敏直梁（5）上设置有感温型长周期光纤光栅（6），金属套管（3）内设置有感湿型长周期光纤光栅（4），感温型长周期光纤光栅（6）和感湿型长周期光纤光栅（4）的尾纤熔接在一起；

上述的感湿型长周期光纤光栅（4）的表面镀有湿度增敏膜（7），湿度增敏膜（7）为聚乙烯醇膜和/或聚谷氨酸膜，湿度增敏膜（7）的厚度为30～50μm。

2.根据权利要求1所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：所述的感温型长周期光纤光栅（6）和感湿型长周期光纤光栅（4）的波长为1535～1555nm。

3.根据权利要求1或2所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：所述的感温型长周期光纤光栅（6）与感湿型长周期光纤光栅（4）的波长相同。

4.根据权利要求1所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于所述的聚乙烯醇膜和聚谷氨酸膜为：在至少2层聚乙烯醇膜的外表面上镀1层厚度为5～10μm的聚谷氨酸膜。

5.根据权利要求1所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：所述的温度增敏直梁（5）和支承直梁（2）的厚度为0.5～1mm。

6.根据权利要求1或5所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：所述的温度增敏直梁（5）为紫铜梁。

7.根据权利要求1或5所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：所述的温度增敏直梁（5）的一端设置在一个传感本体（1）上、另一端切成矩形槽与另一个传感本体（1）搭接。

8.根据权利要求6所述的双长周期光纤光栅温湿度传感器，其特征在于：所述的温度增敏直梁（5）的一端设置在一个传感本体（1）上、另一端切成矩形槽与另一个传感本体（1）搭接。

说明书

双长周期光纤光栅温湿度传感器

技术领域

[0001] 本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种能够同时测定温度和湿度的光纤光栅温湿度传感器。

背景技术

[0002] 目前，基于光纤传感原理的湿度传感器大多是F～P腔式结构、FBG式结构和光纤端面镀膜式结构。但是，发明人在研发的过程中发现：F～P腔式湿度传感器和光纤端面镀膜式湿度传感器的制作过程复杂、实用化程度较低，FBG式湿度传感器虽然稳定性较好，但是其灵敏度不高。因此，均难以满足应用的需求。

[0003] 对于长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，与传统的光纤布拉格光栅相比，在传感测量系统中不需隔离器，长周期光纤光栅的周期相对较长，其模式耦合是同向传输的纤芯基模与包层模的耦合，所以长周期光纤光栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布拉格光栅更好的温度、弯曲和折射率灵敏度。基于长周期光纤光栅的湿度传感器是近年来湿度传感测量研究的新方向。文献1《宋韵等，基于非对称折变型超长周期光纤光栅的湿度传感器，中国激光，2009，36(8)：2042～2045》利用高频CO2激光在普通通信单模光纤上制作了非对称折变型超长周期光纤光栅，给光栅表层涂覆一层纳米复合水凝胶，实现了湿度传感的测量。文献2[Xiujuan Yu，ea al.，Relative Humidity Sensor Based on Cascaded Long～Period Gratings With Hydrogel Coatings and Fourier Demodulation，IEEE Photonics Technology Letters，2009，21(24)：1828～1830]利用两个级联的长周期光纤光栅搭建成一个马-曾干涉回路，并涂覆水凝胶进行湿度增敏，相对湿度精度可达0.4％。该方法对长周期光纤光栅的写栅装置和技术都要求较高，导致制作成本昂贵，因此也难以普及使用。另外，基于长周期光纤光栅的湿度传感器大都未考虑温度与湿度的交叉影响。由于长周期光纤光栅对温度较为敏感，这在一定程度上会降低湿度的测量精度。长周期光纤光栅湿度传感器在实际应用中存在的与温度之间的交叉敏感的问题，因此也限制了长周期光纤光栅湿度传感器的进一步实用化。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服上述湿度、温度传感器的缺点，提供一种在同一温度环境下可同时测量温度与湿度、测量精度高的双长周期光纤光栅温湿度传感器。

[0005] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：在两个传感本体之间轴向设置有温度增敏直梁、支承直梁、金属套管，温度增敏直梁上设置有感温型长周期光纤光栅6，金属套管内设置有感湿型长周期光纤光栅，感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的尾纤熔接在一起。

[0006] 本发明的感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的波长为1535～1555nm。

[0007] 本发明的感温型长周期光纤光栅与感湿型长周期光纤光栅的波长相同。

[0008] 本发明的感湿型长周期光纤光栅的表面镀有湿度增敏膜，湿度增敏膜为聚乙烯醇膜和/或聚谷氨酸膜，湿度增敏膜的厚度为30～50μm。

[0009] 本发明的聚乙烯醇膜和聚谷氨酸膜为：在至少2层聚乙烯醇膜的外表面上镀1层厚度为5～10μm的聚谷氨酸膜。

[0010] 本发明的温度增敏直梁和支承直梁的厚度为0.5～1mm。

[0011] 本发明的温度增敏直梁为紫铜梁。

[0012] 本发明的温度增敏直梁的一端设置在一个传感本体上、另一端切成矩形槽与另一个传感本体搭接。

[0013] 本发明的金属套管上径向加工有孔径为0.5～1mm的透气孔。

[0014] 本发明采用在传感本体上设置一个感温型长周期光纤光栅和一个感湿型长周期光纤光栅，将感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的尾纤进行熔接，当外界环境的温度发生变化时，长周期光纤光栅纤芯基模和包层模的有效折射率及光栅周期都会发生变化，导致长周期光纤光栅的谐振波长变化，当外界环境的湿度发生变化时，使长周期光纤光栅上的湿敏膜的折射率发生改变，进而影响光纤光栅纤芯基模和包层模的有效折射率，也会导致长周期光纤光栅的谐振波长变化，通过检测感温型长周期光纤光栅和感湿型长周期光纤光栅的透射波长，可得到环境的温度与湿度信息，实现双参量同时测量，而且测量精度高，提高了传感器的可靠性与安全性。本发明具有测量精度高、可同时测量温度和湿度等优点，可作为同时测量温度和湿度的传感器。

附图说明

[0015] 图1为本发明的实施例1结构示意图。

[0016] 图2为图1中感湿型长周期光纤光栅6的结构示意图。

[0017] 图3为图1中温度增敏直梁5的结构示意图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

[0019] 实施例1

[0020] 由图1～3可知，本发明的双长周期光纤光栅温湿度传感器是由传感本体1、支承直梁2、金属套管3、感湿型长周期光纤光栅4、温度增敏直梁5、感温型长周期光纤光栅6、湿度增敏膜7联接构成。

[0021] 其中：传感本体有两个，均采用不锈钢材料制成圆柱体结构，传感本体1的半径为1cm，厚度为1cm，在传感本体1的外围均匀布加工有4个螺孔，两个传感本体1之间用螺纹紧固联接件固定联接有1个温度增敏直梁5和3个支承直梁2，也可在联接安装2个支承直梁2，温度增敏直梁5和支承直梁2均为对称片状结构，温度增敏直梁5和支承直梁2的宽为0.5cm、长为7cm、厚为0.8mm，其中温度增敏直梁5为紫铜梁，这种梁，对温度很敏感，提高了传感器的灵敏度，温度增敏直梁5的一端用螺纹紧固联接件固定联接在传感本体1上，温度增敏直梁5的另一端切成矩形槽，用螺钉与传感本体1搭接，对温度增敏直梁5限位，当温度发生变化时，温度增敏直梁5可以形变。在该温度增敏直梁5上，采用383胶将感温型长周期光纤光栅6的两端粘接固定在该直梁表面的中心线上，感温型长周期光纤光栅6的波长为1545nm，支承直梁2为不锈钢梁。传感本体1的中心加工有中心孔，在中心孔中穿入金属套管3，金属套管3的两端用502胶粘接在两个传感本体1的中心内，也可用383胶粘接，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长为1545nm，金属套管3的表面均布加工有直孔径为0.8mm的透气孔，透气孔为通孔，使得湿气能进入金属套管3内并保护感湿型长周期光纤光栅4不受损伤。感湿型长周期光纤光栅4的尾纤与感温型长周期光纤光栅6的尾纤熔接，熔接处多余的尾纤打圈，粘贴传感本体1上。

[0022] 为提高传感器的湿度灵敏度，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为聚乙烯醇膜和聚谷氨酸膜，在感湿型长周期光纤光栅4的外表面先后镀4层聚乙烯醇膜，第一层至第四层膜的厚度依次为5μm、10μm、10μm、10μm，在第四层膜的外表面镀1层聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜的厚度为8μm，湿度增敏膜7的厚度为43μm。由于本发明采用了在感湿型长周期光纤光栅4的外表面镀聚乙烯醇膜，具有良好的粘接力和亲水性，镀聚乙烯醇膜的外表面镀聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜具有高水溶性，提高了本发明的湿度灵敏度。

[0023] 使用时，双长周期光纤光栅温湿度传感器放置在测量环境中，当外界环境温度和湿度发生变化时，导致感温型长周期光纤光栅6和感湿型长周期光纤光栅4的透射波长均发生移动。由于感温型长周期光纤光栅6上没有湿敏膜，只感应温度的变化，其基底材料直梁的热膨胀系数大，即做了一定的温度增敏，通过测量感温型长周期光纤光栅6透射波长的变化，可检测出外界环境的温度。感湿型长周期光纤光栅4上镀有湿度增敏膜7，而且金属套管3有一定的隔热性，感湿型长周期光纤光栅4只感应湿度的变化，通过检测感湿型长周期光纤光栅4透射波长的变化，可检测出外界环境的湿度。

[0024] 本发明的工作原理如下：

[0025] 将感温型长周期光纤光栅6与感湿型长周期光纤光栅4串联接后封装在传感器中，感温型长周期光纤光栅6为温度增敏，感湿型长周期光纤光栅4为湿度增敏。由耦合模理论可知，感温型长周期光纤光栅6与感湿型长周期光纤光栅4的相位匹配条件可表示为：

[0026]

[0027] 式中 为谐振波长， 和 分别为纤芯基模和一阶m次包层模的有效折射率，Λ为光栅周期。当外界环境的温度发生变化时，感温型长周期光纤光栅6纤芯基模和包层模的有效折射率及光栅栅距都会发生变化，从而会导致感温型长周期光纤光栅6的谐振波长变化。而当外界环境的湿度发生变化时，会使感湿型长周期光纤光栅4上的湿敏膜发生改变，进而影响光纤光栅纤芯基模和包层模的有效折射率及光栅栅距，也会导致感湿型长周期光纤光栅4的谐振波长变化。通过检测感温型长周期光纤光栅6与感湿型长周期光纤光栅4的透射波长，可获知环境的温度与湿度信息。

[0028] 实施例2

[0029] 在本实施例中，在两个传感本体1之间轴向用螺纹紧固联接件固定联接有1个温度增敏直梁5和3个支承直梁2，均匀分布在传感本体1的外围轴向，每个直梁的宽为0.5cm、长为7cm、厚为0.5mm，呈条状结构。在温度增敏直梁5上采用383胶粘接有感温型长周期光纤光栅6，感温型长周期光纤光栅6的波长为1535～1555nm。传感本体1的中心加工有中心孔，在中心孔中穿入金属套管3，金属套管3的两端用502胶粘接在两个传感本体1的中心内，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长为1545nm，金属套管3的表面均布加工有直孔径为0.5mm的透气孔。感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，4层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜的厚度以及镀膜的方法与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0030] 实施例3

[0031] 在本实施例中，在两个传感本体1之间轴向用螺纹紧固联接件固定联接有1个温度增敏直梁5和3个支承直梁2，均匀分布在传感本体1的外围轴向，每个直梁的宽为0.5cm、长为7cm、厚为1mm，呈条状结构。在温度增敏直梁5上采用383胶粘接有感温型长周期光纤光栅6，感温型长周期光纤光栅6的波长为1555nm？。传感本体1的中心加工有中心孔，在中心孔中穿入金属套管3，金属套管3的两端用502胶粘接在两个传感本体1的中心内，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长为1555nm，金属套管3的表面均布加工有直孔径为1mm的透气孔。感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为
4层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，4层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜的厚度以及镀膜的方法与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

[0032] 实施例4

[0033] 在以上的实施例1～3中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，第一层至第四层膜的厚度依次为5μm、5μm、5μm、10μm，在第四层膜的外表面镀1层聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜的厚度为5μm，湿度增敏膜7的厚度为30μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0034] 实施例5

[0035] 在以上的实施例1～3中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，第一层至第四层膜的厚度依次为10μm、10μm、10μm、10μm，在第四层膜的外表面镀1层聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜的厚度为10μm，湿度增敏膜7的厚度为50μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0036] 实施例6

[0037] 在以上的实施例1～5中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为2层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，第一层、第二层膜的厚度依次为10μm、20μm，在第二层膜的外表面镀1层聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜的厚度为8μm，湿度增敏膜7的厚度为38μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0038] 实施例7

[0039] 在以上的实施例1～5中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为2层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，第一层、第二层膜的厚度依次为10μm、15μm，在第二层膜的外表面镀1层聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜的厚度为5μm，湿度增敏膜7的厚度为30μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0040] 实施例8

[0041] 在以上的实施例1～5中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为2层聚乙烯醇膜和1层聚谷氨酸膜，第一层、第二层膜的厚度依次为20μm、20μm，在第二层膜的外表面镀1层聚谷氨酸膜，聚谷氨酸膜的厚度为10μm，湿度增敏膜7的厚度为50μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0042] 实施例9

[0043] 在以上的实施例1～8中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅
4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚乙烯醇膜，第一层至第四层膜的厚度依次为5μm、10μm、10μm、10μm，湿度增敏膜7的厚度为35μm。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0044] 实施例10

[0045] 在以上的实施例1～8中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅
4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚乙烯醇膜，第一层至第四层膜的厚度依次为5μm、5μm、10μm、10μm，湿度增敏膜7的厚度为30μm。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0046] 实施例11

[0047] 在以上的实施例1～8中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚乙烯醇膜，第一层至第四层膜的厚度依次为10μm、10μm、10μm、20μm，湿度增敏膜7的厚度为50μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0048] 实施例12

[0049] 在以上的实施例1～8中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅
4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚谷氨酸膜，第一层至第四层膜的厚度依次为5μm、10μm、10μm、10μm，湿度增敏膜7的厚度为35μm。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0050] 实施例13

[0051] 在以上的实施例1～8中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅
4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚谷氨酸膜，第一层至第四层膜的厚度依次为5μm、5μm、10μm、10μm，湿度增敏膜7的厚度为30μm。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0052] 实施例14

[0053] 在以上的实施例1～8中，感湿型长周期光纤光栅4的两端用383胶粘接金属套管3内表面上，感湿型长周期光纤光栅4的波长与相应的实施例相同，感湿型长周期光纤光栅4的表面用常规电镀方法镀有湿度增敏膜7，本实施例的湿度增敏膜7为4层聚谷氨酸膜，第一层至第四层膜的厚度依次为10μm、10μm、10μm、20μm，湿度增敏膜7的厚度为50μm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

[0054] 根据上述原理，还可设计出另外一种具体结构的双长周期光纤光栅温湿度传感器，但均在本发明的保护范围之内。