可测量温湿度的光纤光栅传感器及其制作方法、测量方法

1.本发明涉及一种测量环境或材料温湿度的传感器，尤其涉及一种可测量温湿度的光纤光栅传感器及其制作方法、测量方法。


背景技术：

2.环境湿度是社会生活、工业制造、生物医疗等众多领域中不可或缺的基本参数，因此实现高灵敏的湿度测量尤为重要。相比传统的电子式湿度传感器，光纤湿度传感器具有尺寸小、无需供电、不受电磁干扰、可远距离传输等优点，其中较为常见的一类光纤湿度传感器是将液态的湿敏材料涂覆在整根光纤布拉格光栅(fbg，fiber bragg grating)的表面，当湿度变化时，湿敏材料膨胀或收缩产生的应力将作用在fbg上，导致其中心波长移动。传统fbg湿度传感器的横截面如图1所示，fbg包括光纤纤芯a和光纤包层b，采用湿敏材料涂覆在光纤包层b，加热固化后形成湿敏材料涂覆层c。湿敏材料受环境湿度变化影响发生膨胀或收缩，由此光纤受到的应变ε与湿度变化量δrh的关系可表示为
[0003][0004]
其中，a
p
和af为包裹光纤的湿敏材料和光纤的横截面积，e
p
和ef为湿敏材料和光纤的杨氏模量，α
prh
和α
frh
分别表示湿敏材料和光纤的湿度湿膨胀系数。通过上述公式可知，当选用的湿敏材料厚度更大时，横截面积a
p
增大，导致光纤受到的应变ε增大，使得传感器的灵敏度增大。这种湿度传感器的灵敏度随涂覆在fbg表面的湿敏材料厚度增加而增大，然而若想增加湿敏材料的涂覆厚度，传感器制作难度和时间将显著增加，生产成本增大，因此fbg湿度传感器的灵敏度通常较低。例如，通过在fbg表面涂覆聚酰亚胺制成的湿度传感器，其灵敏度一般在2pm/％rh左右。此外，基于热膨胀效应和热光效应，环境温度变化会导致fbg中心波长发生偏移，且湿敏材料往往也会受温度变化的影响而发生膨胀或收缩，因此仅通过fbg中心波长偏移量测量湿度无法排除环境温度变化的干扰。针对上述问题，本发明提出了一种可同时测量温度的高灵敏度光纤光栅湿度传感器，通过使用厚度不同的固态湿敏材料薄片以及液态的同种湿敏材料溶液或其它粘接材料，将fbg粘贴在薄片表面，或将fbg夹在两层或多层薄片中，实现温度和高灵敏的湿度测量。


技术实现要素：

[0005][0006]
本发明的目的在于解决现有技术中的问题。
[0007]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可测量温湿度的光纤光栅传感器，包括光纤、光纤光栅及湿敏薄片，所述光纤与所述光纤光栅相连接，所述光纤光栅固定贴合在所述湿敏薄片上，所述湿敏薄片由固态湿敏材料制成。
[0008]
优选的，所述湿敏薄片包括第一湿敏薄片和第二湿敏薄片，所述光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间
[0009]
优选的，将整段光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间。
[0010]
优选的，将部分光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间。
[0011]
优选的，所述光纤光栅贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间的粘贴介质为与所述湿敏薄片相同材质的液态湿敏材料或普通粘接胶。
[0012]
本发明还提供一种可测量温湿度的光纤光栅传感器的制作方法，用于制作出上述任一包括第一湿敏薄片和第二湿敏薄片的传感器，制作步骤如下：
[0013]
s601，将第一湿敏薄片裁剪成适当的几何尺寸，取同种湿敏材料的液态溶液或普通粘接胶，将光纤光栅均匀地贴在湿敏薄片上；
[0014]
s602，将第二湿敏薄片裁剪成与所述第一湿敏薄片相同的几何尺寸，与所述第一湿敏薄片上下对称贴合，将光纤光栅夹在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间；
[0015]
s603，将上述贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间的光纤光栅放入加热装置中加热固化。
[0016]
本发明还提供一种可测量温湿度的光纤光栅传感器的测量方法，使用上述任一传感器，测量步骤如下：
[0017]
s701，所述传感器的光纤连接至光纤光栅解调仪；
[0018]
s702，所述传感器放置在需要测量湿度的地方；
[0019]
s703，光纤光栅解调仪解调出光纤光栅的光谱图；
[0020]
s704，根据光谱图中的波峰波长，计算求得湿度。
[0021]
优选的，所述传感器的整段光纤光栅被固定在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间，s703解调出的光谱图具有明显的单峰，s704具体为：
[0022]
根据所述步骤三解调出的光谱图，获得光谱曲线波峰的波长λ；
[0023]
根据λ＝a*rh+b可求得湿度，其中rh为待求解的湿度，a为传感器标定后的第一湿度灵敏度系数，b为传感器标定后的常数项。
[0024]
优选的，所述传感器的部分光纤光栅被固定在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间，s703解调出的光谱图具有明显的双峰，固定在湿敏薄片之间的光纤光栅所对应的峰为分裂峰，未固定在湿敏薄片之间的光纤光栅所对应的峰为原始峰；所述测量方法还包括：预存传感器在湿度rh0、温度t0的光谱图，作为初始光谱图。
[0025]
优选的，s704具体为：
[0026]
所述步骤三获得的光谱图作为当前光谱图，求取当前光谱图分裂峰相对于初始光谱图分裂峰的波长移动量δλ1，以及当前光谱图原始峰相对于初始光谱图原始峰的波长移动量δλ2；
[0027]
通过以下公式计算当前湿温度相对于湿度rh0、温度t0的变化量：
[0028][0029]
其中δrh表示当前湿度相对于湿度rh0的变化量，δt表示当前温度相对于温度t0的变化量，s
rh1
和s
t1
分别为分裂峰的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数，s
rh2
和s
t2
分别为原始峰的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数；
[0030]
最后根据rh＝rh0+δrh和t＝t0+δt，求得当前湿度rh和当前温度t。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下突出的技术效果和优点：
[0032]
1)光纤光栅粘贴在湿敏贴片之间的制备工艺，相较于传统的涂覆工艺更加简便，制作效率更高；
[0033]
2)可通过增加湿敏薄片的厚度来提高传感器的湿度灵敏度，相较于传统涂覆工艺增加涂覆材料的厚度更加简单；
[0034]
3)通过将部分光纤光栅粘贴在湿敏薄片表面或内部，利用光纤光栅受到非均匀应变的特性，既可消除温度对湿度测量的影响，也可实现温湿度的同时测量。
[0035]
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于实施例。
附图说明
[0036]
图1为传统fbg湿度传感器的横截面结构图；
[0037]
图2为本发明实施例一的结构图；
[0038]
图3为本发明实施例一的制作方法的步骤图；
[0039]
图4为本发明实施例二的结构图；
[0040]
图5为本发明实施例二的制作方法的步骤图；
[0041]
图6为本发明可测量温湿度的光纤光栅传感器的测量方法的步骤图
[0042]
图7为本发明实施例一的仿真测量实验光谱图；
[0043]
图8为本发明实施例一的仿真测量实验湿度灵敏曲线图；
[0044]
图9为本发明实施例二的光谱图；
[0045]
图10为本发明实施例二在相同温度、不同湿度条件下的仿真测量实验光谱图对比；
[0046]
图11为本发明实施例二在不同温度、相同湿度条件下的仿真测量实验光谱图对比。
具体实施方式
[0047]
本发明提供一种可测量温湿度的光纤光栅传感器，包括光纤、光纤光栅及湿敏薄片，所述光纤与所述光纤光栅相连接，所述光纤光栅固定贴合在所述湿敏薄片上，所述湿敏薄片由固态湿敏材料制成。
[0048]
具体的，所述湿敏薄片由聚酰亚胺制成，厚度为0.1mm。
[0049]
具体的，所述湿敏薄片包括第一湿敏薄片和第二湿敏薄片，所述光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间
[0050]
具体的，参见图2所示，为本发明实施例一的结构图，包括光纤11、光纤光栅12和湿敏薄片，所述湿敏薄片包括第一湿敏薄片21及第二湿敏薄片22，所述光纤11与所述光纤光栅12相连接，所述光纤光栅12贴合在第一湿敏薄片21和第二湿敏薄片22之间的粘贴介质3为与所述湿敏薄片相同材质的液态湿敏材料或普通粘接胶；所述湿敏薄片为0.1mm的聚酰亚胺片。由于所述湿敏薄片的厚度远大于传统光纤光栅湿度传感器中湿敏材料涂覆层c的厚度，因此本发明实施例一具有更高的灵敏度。
[0051]
参见图3所示，为本发明实施例一的制作方法的步骤图，制作步骤包括：
[0052]
s6011，将第一湿敏薄片裁剪成适当的几何尺寸，取同种湿敏材料的液态溶液或普通粘接胶，将整段光纤光栅均匀地贴在湿敏薄片上；
[0053]
s6021，将第二湿敏薄片裁剪成与所述第一湿敏薄片相同的几何尺寸，与所述第一湿敏薄片上下对称贴合，将整段光纤光栅夹在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间；
[0054]
s6031，将上述贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间的光纤光栅放入加热装置中加热固化。
[0055]
具体的，参见图4所示，为本发明实施例二的结构图，与实施例一的区别在于：只将部分光纤光栅12固定在两片湿敏薄片之间，保留一部分光纤光栅12不与湿敏薄片贴合。由于湿敏材料和光纤光栅的湿膨胀系数和热膨胀系数均不相同，因此当使用部分光纤光栅粘贴在湿敏薄片表面或内部时，温度或湿度的变化会导致与湿敏材料贴合部分的光纤光栅所受应变与其余部分(未与湿敏材料贴合的光纤光栅)受到的应变明显不同，因而传感器光谱在不均匀应变作用下产生啁啾，即光谱中将出现多个波峰，根据各个波峰对温度和湿度的不同响应，可以实现温湿度的同时测量，从而排除温度变化对湿度测量的干扰。
[0056]
参见图5所示，为本发明实施例二的制作方法的步骤图，制作步骤包括：
[0057]
s6012，将第一湿敏薄片裁剪成适当的几何尺寸，取同种湿敏材料的液态溶液或普通粘接胶，将部分光纤光栅均匀地贴在湿敏薄片上；
[0058]
s6022，将第二湿敏薄片裁剪成与所述第一湿敏薄片相同的几何尺寸，与所述第一湿敏薄片上下对称贴合，将部分光纤光栅夹在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间；
[0059]
s6032，将上述贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间的光纤光栅放入加热装置中加热固化。
[0060]
参见图6所示，为本发明可测量温湿度的光纤光栅传感器的测量方法的步骤图，测量步骤包括：
[0061]
s701，所述传感器的光纤连接至光纤光栅解调仪；
[0062]
s702，所述传感器放置在需要测量湿度的地方；
[0063]
s703，光纤光栅解调仪解调出光纤光栅的光谱图；
[0064]
s704，根据光谱图中的波峰波长，计算求得湿度。
[0065]
具体的，本发明实施例一的测量方法，所述s704具体为：根据λ＝a*rh+b可求得湿度，其中rh为待求解的湿度，a为传感器标定后的第一湿度灵敏度系数，b为传感器标定后的常数项。
[0066]
对实施例一进行仿真实验，将实施例一的传感器放置在可程式恒温恒湿试验箱内进行湿度测试，试验箱温度固定保持在50℃，相对湿度依次设定为40％rh，50％rh，60％rh，70％rh以及80％rh。参见图7及图8所示，为本发明实施例一的仿真测量实验光谱图及湿度灵敏曲线图。由图7可得光谱曲线具有明显的单峰，且波峰的波长随着湿度的增加逐渐右移。由图8可知，光谱曲线的波峰波长对湿度变化具有良好的线性响应，灵敏度为20.96pm/％rh，相比常规使用涂覆工艺的光纤光栅湿度传感器，提高了10.48倍。
[0067]
具体的，本发明实施例二的测量方法还包括：预存传感器在湿度rh0、温度t0的光谱图，作为初始光谱图。通过仿真软件fogs-bg对实施例二进行仿真，只将部分光纤光栅贴在两片湿敏薄片之间导致光纤光栅受到不均匀应变作用，其光谱图参见图9所示，光谱曲线分裂出多个波峰，最右边的波峰(称为原始峰)中心波长保持不变且仅对温度敏感；而最左边的波峰(称为分裂峰)对湿度和温度都敏感。因此通过检测原始峰和分裂峰的波长移动量，就可以得到湿度和温度的信息，从而消除了温度变化对湿度测量的影响。s704具体为：所述
步骤三获得的光谱图作为当前光谱图，求取当前光谱图分裂峰相对于初始光谱图分裂峰的波长移动量δλ1，以及当前光谱图原始峰相对于初始光谱图原始峰的波长移动量δλ2；通过以下公式计算当前湿温度相对于湿度rh0、温度t0的变化量：
[0068][0069]
其中δrh表示当前湿度相对于湿度rh0的变化量，δt表示当前温度相对于温度t0的变化量，s
rh1
和s
t1
分别为分裂峰的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数，s
rh2
和s
t2
分别为原始峰的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数；
[0070]
最后根据rh＝rh0+δrh和t＝t0+δt，求得当前湿度rh和当前温度t。
[0071]
对实施例二进行不同温湿度条件的仿真实验，将实施例二放置在可程式恒温恒湿试验箱内进行温度和湿度的同时测量。
[0072]
参见图10所示，为本发明实施例二在相同温度、不同湿度条件下的仿真测量实验光谱图对比。试验箱温度固定保持在30℃，相对湿度依次设定为20％rh，30％rh，40％rh，50％rh以及60％rh时，光谱中最左侧波峰(分裂峰)的波长随湿度增大而向长波长方向移动，而最右侧波峰(原始峰)的波长不随湿度变化发生移动，进而可得分裂峰的湿度灵敏系数s
rh1
为13.70pm/％rh，原始峰的湿度灵敏系数s
rh2
为0pm/％rh。
[0073]
参见图11所示，为本发明实施例二在不同温度、相同湿度条件下的仿真测量实验光谱图对比。试验箱的相对湿度固定保持在60％rh，温度依次设定为30℃，40℃，50℃，60℃以及70℃时，从测得的光谱图可得光谱中分裂峰的温度灵敏系数s
t1
为19.12pm/℃，原始峰的温度灵敏系数s
t2
为11.00pm/℃。
[0074]
结合图10及图11可知：分裂峰对湿度和温度敏感，而原始峰仅对温度敏感。因而在实际应用中，根据分裂峰和原始峰的温湿度灵敏系数和测量得到的两者相对于初始光谱图的中心波长移动量，即可实现温度和湿度的同时测量，且消除温度变化对湿度测量的干扰。
[0075]
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.可测量温湿度的光纤光栅传感器，其特征在于，包括光纤、光纤光栅及湿敏薄片，所述光纤与所述光纤光栅相连接，所述光纤光栅固定贴合在所述湿敏薄片上，所述湿敏薄片由固态湿敏材料制成。2.根据权利要求1所述的可测量温湿度的光纤光栅传感器，其特征在于，所述湿敏薄片包括第一湿敏薄片和第二湿敏薄片，所述光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间。3.根据权利要求2所述的可测量温湿度的光纤光栅传感器，其特征在于，将整段光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间。4.根据权利要求2所述的可测量温湿度的光纤光栅传感器，其特征在于，将部分光纤光栅固定贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间。5.根据权利要求2所述的可测量温湿度的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间的粘贴介质为与所述湿敏薄片相同材质的液态湿敏材料或普通粘接胶。6.可测量温湿度的光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，用于制作出权利要求2至5任一所述的传感器，制作步骤如下：s601，将第一湿敏薄片裁剪成适当的几何尺寸，取同种湿敏材料的液态溶液或普通粘接胶，将光纤光栅均匀地贴在湿敏薄片上；s602，将第二湿敏薄片裁剪成与所述第一湿敏薄片相同的几何尺寸，与所述第一湿敏薄片上下对称贴合，将光纤光栅夹在两片湿敏薄片之间；s603，将上述贴合在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间的光纤光栅放入加热装置中加热固化。7.可测量温湿度的光纤光栅传感器的测量方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一所述的传感器，测量步骤如下：s701，所述传感器的光纤连接至光纤光栅解调仪；s702，所述传感器放置在需要测量湿度的地方；s703，光纤光栅解调仪解调出光纤光栅的光谱图；s704，根据光谱图中的波峰波长，计算求得湿度。8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度光纤光栅湿度传感器的测量方法，其特征在于，所述传感器的整段光纤光栅被固定在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间，s703解调出的光谱图具有明显的单峰，s704具体为：根据所述步骤三解调出的光谱图，获得光谱曲线波峰的波长λ；根据λ＝a*rh+b可求得湿度，其中rh为待求解的湿度，a为传感器标定后的第一湿度灵敏度系数，b为传感器标定后的常数项。9.根据权利要求7所述的一种高灵敏度光纤光栅湿度传感器的测量方法，其特征在于，所述传感器的部分光纤光栅被固定在第一湿敏薄片和第二湿敏薄片之间，s703解调出的光谱图具有明显的双峰，固定在湿敏薄片之间的光纤光栅所对应的峰为分裂峰，未固定在湿敏薄片之间的光纤光栅所对应的峰为原始峰；所述测量方法还包括：预存传感器在湿度rh0、温度t0的光谱图，作为初始光谱图。10.根据权利要求9所述的一种高灵敏度光纤光栅湿度传感器的测量方法，其特征在
于，s704具体为：所述步骤三获得的光谱图作为当前光谱图，求取当前光谱图分裂峰相对于初始光谱图分裂峰的波长移动量δλ1，以及当前光谱图原始峰相对于初始光谱图原始峰的波长移动量δλ2；通过以下公式计算当前湿温度相对于湿度rh0、温度t0的变化量：其中δrh表示当前湿度相对于湿度rh0的变化量，δt表示当前温度相对于温度t0的变化量，s
rh1
和s
t1
分别为分裂峰的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数，s
rh2
和s
t2
分别为原始峰的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数；最后根据rh＝rh0+δrh和t＝t0+δt，求得当前湿度rh和当前温度t。

技术总结
本发明提供了一种可测量温湿度的光纤光栅传感器及其制作方法、测量方法，所述传感器包括光纤、光纤光栅及湿敏薄片，所述光纤与所述光纤光栅相连接，所述光纤光栅固定贴合在所述湿敏薄片上，所述湿敏薄片由固态湿敏材料制成。本发明将光纤光栅固定贴合在一片湿敏薄片表面或两片湿敏薄片之间，其制备工艺相较于传统的涂覆工艺更加简便，制作效率更高，并且能得到更高的湿度灵敏度；本发明还提出通过将部分光纤光栅固定贴合在湿敏薄片之间，通过光纤光栅啁啾光谱的波长变化信息实现温、湿度的同时测量，消除温度对测量结果的影响。消除温度对测量结果的影响。消除温度对测量结果的影响。


技术研发人员：董小鹏
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/24