[发明专利]光纤温湿度传感器、温湿度传感系统及温湿度解调方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于微结构光纤和紫外固化胶的光纤温湿度传感器及其解调方法。

背景技术

近年来，光纤传感技术的飞速发展得到了越来越广泛的关注，与传统的电学传感器相比，光纤传感器的灵敏度、动态测量范围、响应时间等传感参数都有很大的提升，且本身体积小重量轻，抗电磁干扰，易实现低成本远距离准分布式传感，因而广泛应用于农业仓储、机械制造、医药生产、航空航天和国防科技等领域。其中环境湿度，作为生产生活中最基本且重要的传感参量，对其进行精确解调已成为光纤传感研究领域的热点之一。

基于不同的结构，人们提出了多种光纤湿度传感器方案，如Sens.Actuators B Chem.147,385–391(2010)和IEEE Sensors J,13(5),2026-2031(2013)这两篇文章所提出的，基于光纤干涉仪结构结合湿度膜材料的传感器设计方案，湿度膜材料折射率的变化，引起干涉仪干涉波长的漂移，从而解调出湿度信息；又如Appl.Opt.52(1),90-95(2012)和IEEE Photon.Tech.Lett.21(7),441-443(2009)所提出的分别基于湿度膜修饰的长周期光栅和倾斜光栅结构的湿度传感器，湿度膜材料折射率的变化，引起长周期光栅波长的漂移或者是倾斜光栅包层谐振模式的能量衰减，从而解调出湿度信息。但这些方案都基于透射光谱，同时存在较大的温度或者应力交叉敏感问题，限制了实际的应用领域，特别是分布式传感的可行性。另一方面，由于相对湿度是温度的函数，温度的改变会对湿度值产生较大影响，在实际应用场合，同时给出温度和湿度信息才有意义。因此实现对环境温度和湿度的同时测量，并易于分布式组网的光纤传感器方案显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有光纤湿度传感技术中，缺乏有效的温湿度同时检测手段，并且分布式组网能力不强的不足，提供了一种基于微结构光纤和紫外固化胶的光纤温湿度传感器及利用快速傅里叶变换分析的传感解调方法。本发明具备集成度高，测量准确，灵敏度，响应速度快，抗电磁干扰等特点，不仅适于单点温湿度测量，也可实现多点准分布式温湿度监控。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤温湿度传感器，它主要由单模光纤、四叶草微结构光纤、紫外固化胶层三部分组成；四叶草微结构光纤一端与单模光纤熔接，熔接处形成第一反射面；四叶草微结构光纤另一端通过点胶并固化的方式制备紫外固化胶层，四叶草微结构光纤与紫外固化胶层之间形成第二反射面，紫外固化胶层与外界空气之间形成第三反射面，由三个反射面形成三个F-P腔结构；所述四叶草微结构光纤外径为125微米，光纤纤芯的内径为11微米，光纤纤芯的周围对称开有四个圆心角为85度，半径为64微米的扇形空气孔。

一种含有上述光纤温湿度传感器的光纤温湿度传感系统，还包括宽谱光源、光谱仪、光纤耦合器、数据采集处理器和温湿度控制箱；光纤耦合器的两个分路端分别与宽谱光源和光谱仪进行连接，光纤耦合器的合路端与光纤温湿度传感器相连，光纤温湿度传感器置于温湿度控制箱中，进行温湿度测试；数据采集处理器与光谱仪相连。

一种基于上述光纤温湿度传感系统的温湿度解调方法，该方法包括以下步骤：

(1)开启宽谱光源，入射光经由光纤耦合器进入光纤温湿度传感器的双F-P腔结构，经由三个反射面，，依次反射后，再次经过光纤耦合器进入光谱仪接收端，产生干涉光谱信号，经过数据线被采集进入数据采集处理器，完成FFT过程，获得最终的频谱和相位信息：由第一反射面和第二反射面所形成的第一F-P腔的特征频率为ξ₁、光波相位项为由第二反射面和第三反射面所形成的第二F-P腔的特征频率为ξ₂、相位项为由第一反射面和第三反射面所形成的第三F-P腔的特征频率为ξ₃、相位项为

(2)由于紫外固化胶有吸水性，环境湿度的变化会引起紫外固化胶的膨胀或收缩，折射率减小或增大，从而使和发生变化；而环境温度的变化会同时引起光纤和紫外固化胶的膨胀或收缩，以及折射率的改变，从而引起和同时变化；通过数据采集处理器检测和的变化，根据以下公式，可以同时得到环境的湿度和温度信息：

式中，k_RH1和k_RH3分别是和的湿度灵敏系数，k_T1和k_T3分别是和的温度灵敏系数，Δφ₁和Δφ₃分别是和的变化量。