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(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
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(jìn)步，工業(yè)和科研環(huán)境對(duì)“濕度”這一重要環(huán)境參數(shù)的要求越來越高，從而對(duì)傳感器也提出了更高的要求。尤其在一些環(huán)境要求苛刻的科研實(shí)驗(yàn)中，濕度值將直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此濕度已經(jīng)作為一門單獨(dú)的學(xué)科開始研究。濕度除了影響著科技研究領(lǐng)域，同時(shí)也影響人們生活的質(zhì)量。當(dāng)今，人們對(duì)生活環(huán)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(zhì)量。可見，“濕度”已經(jīng)與人們的生活息息相關(guān)，影響力越來越大。隨著工農(nóng)業(yè)、國防、科技及國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)環(huán)境濕度的控制與檢測(cè)受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，其市場(chǎng)也越來越大。在石油化工、電力、紡織等領(lǐng)域中，常涉及到一些易燃易爆場(chǎng)合的溫濕度測(cè)量問題。常見的濕度傳感器主要有毛發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但精度不高，測(cè)量范圍有限；后者測(cè)量精度高，但易受電磁干擾。這些傳統(tǒng)的濕度傳感器已滿足不了近代科技發(fā)展的需要。近年來，隨著光纖技術(shù)和光集成技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)濕度傳感器受到極大關(guān)注并廣泛應(yīng)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(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)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(jìn)行傳感的FBG濕度傳感器。在腐蝕的布拉格光纖光柵柵區(qū)部分上涂一層對(duì)濕度敏感的膜，當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，該膜的折射率將會(huì)隨之改變，使得布拉格波長發(fā)生變化，從而可探測(cè)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(diǎn)明顯，光纖腐蝕后變細(xì)，且脆弱易斷，實(shí)際應(yīng)用性差。第二類是利用濕敏膜的膨脹特性進(jìn)行傳感的FBG濕度傳感器。當(dāng)濕度變化時(shí)，F(xiàn)BG濕度傳感器涂覆層會(huì)膨脹，導(dǎo)致FBG發(fā)生應(yīng)變，使其布拉格波長發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致傳感器的涂覆層多次膨脹后松動(dòng)、甚至脫落的現(xiàn)象。嚴(yán)重影響傳感器的正常工作。針對(duì)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(dòng)、壽命短的問題，需要對(duì)FBG濕度傳感器的感應(yīng)部分的裝置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)及優(yōu)化。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了解決濕度環(huán)境下FBG濕度傳感器的涂覆層容易老化脫落，使得濕度測(cè)不準(zhǔn)甚至導(dǎo)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(shí)用新型為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)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(diào)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(diǎn)。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(diào)儀光連接，構(gòu)成濕度傳感裝置。本實(shí)用新型所具有的有益效果為:工作時(shí)，濕敏材料膨脹，可帶動(dòng)小彈簧一起同步軸向運(yùn)動(dòng)，并由于固定焊點(diǎn)的作用，帶動(dòng)FBG軸向伸展。其中，兩焊點(diǎn)固定，增強(qiáng)了光纖表面與濕敏材料的粘合能力；同時(shí)小彈簧運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(shí)用新型的濕度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中:1.光纖光柵解調(diào)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(diǎn)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。參照?qǐng)D1，將光纖光柵解調(diào)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(diǎn)6固定，以保證小彈簧5與光纖布拉格光纖3 —起沿軸向運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成濕度傳感裝置。本裝置的工作方式:從光纖光柵解調(diào)儀中的光源發(fā)出的光通過單模光纖，進(jìn)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(diǎn)連接，當(dāng)周圍環(huán)境的相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，灌注于彈簧中的濕敏材料體積發(fā)生變化，沿FBG軸向方向產(chǎn)生應(yīng)力，帶動(dòng)FBG的軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將外界的濕度變化轉(zhuǎn)換為布拉格中心波長的偏移。在光纖光柵解調(diào)儀中，監(jiān)測(cè)光譜圖中相關(guān)參數(shù)變化，如損耗峰的漂移來實(shí)現(xiàn)濕度傳感。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)濕度傳感的關(guān)鍵技術(shù)為:裝置內(nèi)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(shù)相當(dāng)，在濕度測(cè)量過程中，濕敏材料膨脹，體積變化，帶動(dòng)與其粘附在一起的輕質(zhì)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(dòng)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(hào)，進(jìn)入光纖光柵解調(diào)器后，可分析解調(diào)出濕度變化的信息。最終實(shí)現(xiàn)濕度信息的傳感。本實(shí)施例中光纖光柵解調(diào)儀為HKA-M系列,初始波長為1566nm,光柵柵區(qū)長度約為2cm，小彈簧的彈性系數(shù)為-20N/m，長度為約2.2cm，濕敏材料為聚酰亞胺(PI)。
權(quán)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(diào)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(diǎn)，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(diào)儀光連接，構(gòu)成光纖布拉格光柵濕度傳感器；工作時(shí)，濕敏材料膨脹，可帶動(dòng)小彈簧一起同步軸向運(yùn)動(dòng)，并由于固定焊點(diǎn)的作用，帶動(dòng)光纖布拉格光柵(FBG)軸向伸展，通過利用光纖光柵解調(diào)儀檢 測(cè)反射波長的變化，從而實(shí)現(xiàn)濕度檢測(cè)。
專利摘要本實(shí)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(jìn)行傳感的FBG濕度傳感器。為改進(jìn)上述濕度傳感器的濕敏膜易松動(dòng)、壽命短的不足，本實(shí)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(diào)儀相連接，構(gòu)成濕度傳感裝置。工作時(shí)，濕敏材料膨脹，可帶動(dòng)小彈簧一起軸向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)FBG軸向伸展，通過檢測(cè)反射波長的變化，實(shí)現(xiàn)濕度傳感。本實(shí)用新型，增強(qiáng)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(hào)G01N21/17GK203083918SQ20132003941
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者張曉彤, 牛犖, 袁劍英, 楊江, 趙春柳 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院