[发明专利]一种采用光纤光栅传感器的毛发式温湿度传感探头

说明书

本发明公开了一种采用光纤光栅传感器的毛发式温湿度传感探头，广泛应用于环境参数监测技术领域。其技术方案为：探头由衬底(1)、毛发固定结构(2)、毛发(3)、毛发‑光纤转接件(4)、湿度传感光纤光栅(5)、光纤固定件(6)、温度传感光纤光栅(7)、光纤固定件(8)、尾纤(9)等组成。光纤光栅温度传感器采用光纤光栅感知外界温度变化，光纤光栅湿度传感器采用毛发式湿度敏感原理测量环境相对湿度。探头将光纤光栅温湿度传感器配合使用，可实现传感端无源化、全光化，并具备波分复用功能和信号远程传输功能。

1、技术领域：

环境参数监测技术领域

2、背景技术：

目前国内外各公司生产的温湿度传感探头主要包括以水银温度计组成的干湿球温湿度探头、湿敏电阻式温湿度探头、湿敏电容式温湿度探头等通用产品，尚未有采用光纤光栅传感器和毛发式湿度测量相结合的温湿度探头。传统毛发式温湿度探头技术较为成熟，主要采用毛发与指针结合组成干湿度表，以毛发遇湿膨胀带动指针旋转测得空气中的相对湿度值，这种类型的温湿度计成本低，性能一般。而且，该温湿度计只能每个探头独立使用，只能依靠人工完成数据读取及记录，使用中便利性差、人工成本高，更无法做到多传感探头组网使用、温湿度数据远程传输等功能，不具备智能化使用的条件。而电阻式、电容式温湿度传感探头是通过温敏、湿敏电子元器件感知温度和湿度数据，其使用过程中需要供电，数据传输也需要电源及相关电缆进行辅助，无法做到传感端无源化，且电子器件对使用环境比较敏感，长时间使用容易老化，产生精度的下降。采用光纤光栅传感器作为温度和湿度敏感元件，再利用毛发式湿度传感法组成温湿度传感探头，可以做到敏感元件全光纤化，探头性能稳定、使用寿命长，利用光纤传输数据，可实现传感数据的长距离传输，因此该探头具备适合传感数据远距离传输、探头使用寿命长、性能稳定、抗电磁干扰强等天然优势。

3、发明内容：

采用光纤光栅传感器的干湿法温湿度传感探头的目的在于：

1)采用毛发伸缩与湿度的关系，将毛发与刻蚀在光纤上的光栅相结合作为敏感元件组成湿度传感器，该湿度传感器与光纤光栅温度传感器相结合构成温湿度传感探头，可以实现无源化、全光化的传感终端。该探头在电磁敏感场合使用具有安全可靠的优势。

2)利用光纤光栅的波长区分特性可以实现波分复用功能，多个温湿度传感探头所用光纤光栅的中心波长不同，可串联在同一根光纤上实现波分复用。

3)探头内集成两只相同规格的光纤光栅，一只光纤光栅与毛发相连并施加一定的预应力，利用毛发随湿度变化伸缩的特性带动光纤光栅伸缩，光纤光栅的伸缩导致湿度传感光纤光栅反射光谱中心波长的变化，实现对环境湿度的敏感。另一只光纤光栅用于环境温度的感知和测量，并补偿湿度传感光纤光栅中心波长随温度的变化量。

4)毛发式光纤光栅温湿度传感探头所感测到的温湿度信息以其中心波长的变化来体现，该波长变化可转化为远端光源输入到探头的激光的波长变化，通过传输光纤可将携带温湿度信息的激光远距离回传至远端信号处理设备进行温湿度数据解算。

4、附图说明：

图1是上述的一种采用光纤光栅传感器的毛发式温湿度传感探头的工作原理图。

5、具体实施方式：

图1示出了采用光纤光栅传感器的毛发式温湿度传感探头的工作原理图。探头主要由衬底(1)、毛发固定结构(2)、毛发(3)、毛发-光纤转接件(4)、湿度传感光纤光栅(5)、光纤固定件(6)、温度传感光纤光栅(7)、光纤固定件(8)、尾纤(9)等组成部分。毛发固定结构(2)与衬底(1)刚性连接，毛发(3)左端与毛发固定结构(2)连接，毛发(3)右端与湿度传感光纤光栅(5)左端之间通过毛发-光纤转接件相连(4)，毛发(3)和湿度传感光纤光栅(5)施加一定的预应力，湿度传感光纤光栅(5)右端与光纤固定件(6)相连；湿度传感光纤光栅(5)与温度传感光纤光栅(7)刻蚀在同一根光纤上，温度传感光纤光栅(7)固定在光纤固定件(6)和光纤固定件(8)之间。

湿度传感光纤光栅与毛发通过毛发-光纤转接件组成一体化湿度敏感元件，两者固定在衬底上并施加一定的预应力；当湿度变化时，毛发随之发生伸缩并带动湿度传感光纤光栅进行伸缩，光纤光栅的伸缩会导致其反射谱中心波长发生变化，通过波长解调仪检测该波长变化并转化为湿度变化。温度传感光纤光栅固定在衬底上，不施加预应力，利用光纤光栅反射谱中心波长与温度的线性关系得到环境温度值。该温度值同时用于湿度传感光栅由于温度变化而产生的中心波长变化量的补偿，提高湿度测量精度。