專利名稱：基于彈簧輔助支持的光纖布拉格光柵濕度傳感裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光纖傳感技術領域，涉及基于彈簧輔助支持的光纖布拉格光柵濕度傳感裝置。
背景技術：
從廣義上講，濕度就是表示水分含量的物理量。它可以被人們感知，同溫度一樣。并且隨著科技進步，工業和科研環境對“濕度”這一重要環境參數的要求越來越高，從而對傳感器也提出了更高的要求。尤其在一些環境要求苛刻的科研實驗中，濕度值將直接影響實驗結果，因此濕度已經作為一門單獨的學科開始研究。濕度除了影響著科技研究領域，同時也影響人們生活的質量。當今，人們對生活環境的舒適度要求越來越高，很多家庭購買加濕器來改善空氣質量。可見，“濕度”已經與人們的生活息息相關，影響力越來越大。隨著工農業、國防、科技及國民經濟的迅猛發展，對環境濕度的控制與檢測受到人們越來越多的關注，其市場也越來越大。在石油化工、電力、紡織等領域中，常涉及到一些易燃易爆場合的溫濕度測量問題。常見的濕度傳感器主要有毛發式、干濕球式等非電量型及電容式、電阻式等電量型濕度傳感器。前者結構簡單、價格低廉，但精度不高，測量范圍有限；后者測量精度高，但易受電磁干擾。這些傳統的濕度傳感器已滿足不了近代科技發展的需要。近年來，隨著光纖技術和光集成技術的發展，光學濕度傳感器受到極大關注并廣泛應用。光纖布拉格光柵(FBG)是一種最簡單、最普遍的光纖光柵,在光纖傳感領域有著重要的應用價值。FBG濕度傳感器主要是指涂覆濕敏材料的FBG傳感器。這種涂覆有濕敏材料的FBG濕度傳感器主要分為兩大類。第一類是利用濕敏膜的折射率變化特性進行傳感的FBG濕度傳感器。在腐蝕的布拉格光纖光柵柵區部分上涂一層對濕度敏感的膜，當環境濕度變化時，該膜的折射率將會隨之改變，使得布拉格波長發生變化，從而可探測出濕度的變化情況。雖然此類傳感器靈敏度很高，但是其缺點明顯，光纖腐蝕后變細，且脆弱易斷，實際應用性差。第二類是利用濕敏膜的膨脹特性進行傳感的FBG濕度傳感器。當濕度變化時，FBG濕度傳感器涂覆層會膨脹，導致FBG發生應變，使其布拉格波長發生變化，從而實現對濕度的傳感。然而由于濕敏薄膜與光纖表面的粘合力較小，長時間使用會導致傳感器的涂覆層多次膨脹后松動、甚至脫落的現象。嚴重影響傳感器的正常工作。針對以上兩類涂覆有濕敏材料的FBG濕度傳感器的濕敏膜易松動、壽命短的問題，需要對FBG濕度傳感器的感應部分的裝置進行特殊設計及優化。
發明內容本實用新型的目的就是為了解決濕度環境下FBG濕度傳感器的涂覆層容易老化脫落，使得濕度測不準甚至導致其無法工作的問題，提供了基于彈簧輔助支持的FBG濕度傳感裝置。本實用新型為解決技術問題所采取的技術方案:基于彈簧輔助支持的FBG濕度傳感裝置，包括:光纖光柵解調儀、單模光纖、FBG、中心由可膨脹的濕敏材料灌注的小彈簧及焊接點。將FBG的兩端和中心腔灌注有濕敏材料的小彈簧兩端分別用焊錫焊接固定，并且FBG的一端通過單模光纖與光纖光柵解調儀光連接，構成濕度傳感裝置。本實用新型所具有的有益效果為:工作時，濕敏材料膨脹，可帶動小彈簧一起同步軸向運動，并由于固定焊點的作用，帶動FBG軸向伸展。其中，兩焊點固定，增強了光纖表面與濕敏材料的粘合能力；同時小彈簧運動時產生的反向的牽引作用使得濕敏材料具有良好的彈性，使其軸向伸縮自如，即具有減緩材料老化的作用。
圖1為本實用新型的濕度傳感器的結構示意圖；其中:1.光纖光柵解調儀、2.單模光纖、3.光纖布拉格光柵、4.可膨脹的濕敏材料、5.小彈簧、6.焊接點。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的技術方案作進一步說明。參照圖1，將光纖光柵解調儀I與單模光纖2光連接，單模光纖2與光纖布拉格光柵3光連接，光纖布拉格光柵3的兩端與灌注有可膨脹濕敏材料4的小彈簧5的兩端通過焊接點6固定，以保證小彈簧5與光纖布拉格光纖3 —起沿軸向運動，即構成濕度傳感裝置。本裝置的工作方式:從光纖光柵解調儀中的光源發出的光通過單模光纖，進入FBG,由于FBG與灌注有可膨脹濕敏材料的小彈簧兩端通過焊點連接，當周圍環境的相對濕度發生變化時，灌注于彈簧中的濕敏材料體積發生變化，沿FBG軸向方向產生應力，帶動FBG的軸向運動，進而將外界的濕度變化轉換為布拉格中心波長的偏移。在光纖光柵解調儀中，監測光譜圖中相關參數變化，如損耗峰的漂移來實現濕度傳感。該裝置能夠實現濕度傳感的關鍵技術為:裝置內灌注有可膨脹濕敏材料的小彈簧與光纖布拉格光柵的彈性系數相當，在濕度測量過程中，濕敏材料膨脹，體積變化，帶動與其粘附在一起的輕質小彈簧一同拉伸。小彈簧兩端因與光纖布拉格光柵的兩端焊接在一起，故彈簧的拉伸帶動光纖布拉格光柵的伸展。從而使得光纖布拉格光柵的周期變長，引起布拉格波長的變化。光通過光纖布拉格光柵后，反射回帶有濕度變化信息的信號，進入光纖光柵解調器后，可分析解調出濕度變化的信息。最終實現濕度信息的傳感。本實施例中光纖光柵解調儀為HKA-M系列,初始波長為1566nm,光柵柵區長度約為2cm，小彈簧的彈性系數為-20N/m，長度為約2.2cm，濕敏材料為聚酰亞胺(PI)。
權利要求1.一種基于彈簧輔助支持的光纖布拉格光柵濕度傳感裝置，包括光纖光柵解調儀、光纖布拉格光柵(FBG)、灌注有可膨脹的濕敏材料的小彈簧及焊接點，其特征在于:光纖布拉格光柵和中心腔灌注有濕敏材料的小彈簧兩端焊接固定，光纖布拉格光柵的一端通過單模光纖與光纖光柵解調儀光連接，構成光纖布拉格光柵濕度傳感器；工作時，濕敏材料膨脹，可帶動小彈簧一起同步軸向運動，并由于固定焊點的作用，帶動光纖布拉格光柵(FBG)軸向伸展，通過利用光纖光柵解調儀檢 測反射波長的變化，從而實現濕度檢測。
專利摘要本實用新型涉及基于彈簧輔助支持的光纖布拉格光柵(FBG)濕度傳感裝置。涂覆有濕敏材料的FBG濕度傳感器主要分為兩大類。分別是利用濕敏膜的折射率變化特性和膨脹特性進行傳感的FBG濕度傳感器。為改進上述濕度傳感器的濕敏膜易松動、壽命短的不足，本實用新型將可膨脹的濕敏材料灌注于小彈簧中心，并且將彈簧兩端與FBG的兩端用焊錫焊接固定，再通過單模光纖與光纖光柵解調儀相連接，構成濕度傳感裝置。工作時，濕敏材料膨脹，可帶動小彈簧一起軸向運動，并帶動FBG軸向伸展，通過檢測反射波長的變化，實現濕度傳感。本實用新型，增強了光纖表面與濕敏材料的粘合能力，減緩濕敏材料的老化速度。
文檔編號G01N21/17GK203083918SQ20132003941
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者張曉彤, 牛犖, 袁劍英, 楊江, 趙春柳 申請人:中國計量學院