一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，包括三层柱壳、光线光栅和弹簧顶板，三层柱壳由底板、外壳、中壳和内壳组成，外壳、中壳和内壳的底端均与底板固连，外壳和中壳上均开有多个第一通孔，底板上开有多个第二通孔，中壳与内壳之间紧密填充有吸湿膨胀块，弹簧顶板由顶板和弹簧组成，弹簧设置在外壳与中壳之间且能够自由伸缩，顶板设置在中壳顶部，弹簧两端分别与底板和顶板接触，底板中心开有第一过孔，顶板中心开有第二过孔，光线光栅依次穿过第二过孔、内壳和第一过孔且能够在内壳内自由伸缩，光线光栅与顶板和底板均固连，顶板上开有多个第三通孔。本实用新型检测精度高，预应力加载方便，可实现对环境湿度的逐点检测。
【专利说明】一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种湿度传感器，尤其是涉及一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的飞速发展，人们对自然界物理参量精确测量的需求也越来越紧迫。在此过程中，光纤传感技术也获得了全面的发展和广泛的应用，这其中就包括光纤光栅用于传感和测量的技术。众所周知，光纤光栅可以对温度、应力、应变、位移、加速度等进行精确的测量，而对环境湿度的测量则是一个最新发展起来的领域，同时面临很多亟待解决的科学与工程难题。传统的湿度传感器是利用功能材料对环境水分的吸收，改变自身的电阻、电容等电学参量进行湿度检测，而光纤光栅则是通过将环境中水分子含量的变化变为光波光学参量的变化来测量湿度，具有进行高精度测量的固有优势。前人大量的研究工作表明，利用光纤光栅进行湿度测量的一般方法是在光纤光栅的表面涂覆多层类似聚酰亚胺的合成塑料材料，利用这种材料的吸湿膨胀特性拉动光纤光栅中应力、应变的改变，通过光纤光栅波长的漂移进行湿度检测。这种方法的不足之处在于，为了保证吸湿材料的涂覆量，光纤光栅表面的聚酰亚胺经过多次涂覆后也只能在几十微米厚度左右，当被测环境湿度变化10%时，波长漂移不到0.1纳米。同时，由于光纤光栅长度的增加，使得采用这种方法做出的光纤光栅湿度传感器缺失逐点检测的能力。另一方面，这种湿度传感器的不足之处就是没能很好的解决光纤光栅的预应力加载问题。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其结构简单，生产方便，能够增大光纤光栅湿度传感器中吸湿材料的体积，解决了光纤光栅的预应力加载问题，同时能够实现对环境湿度的逐点检测，检测精度高，结构稳定性好，实用性强，便于推广使用。
[0004]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:包括三层柱壳、光线光栅以及设置在所述三层柱壳内的弹簧顶板，所述三层柱壳由底板、夕卜壳、中壳和内壳组成，所述外壳、中壳和内壳均两端开口，所述外壳、中壳和内壳的底端均与底板固定连接，所述中壳和内壳的顶端平齐，所述外壳的顶端突出于中壳的顶端，所述外壳和中壳上均开有多个第一通孔，所述底板上开有多个第二通孔，所述中壳与内壳之间紧密填充有吸湿膨胀块，所述弹簧顶板由顶板和弹簧组成，所述弹簧设置在外壳与中壳之间且能够自由伸缩，所述顶板设置在中壳的顶部且能够沿着外壳的内壁滑动，所述弹簧的底端与底板接触，所述弹簧的顶端与顶板接触，所述底板的中心开有第一过孔，所述顶板的中心开有第二过孔，所述光线光栅的底端依次穿过第二过孔、内壳和第一过孔且能够在内壳内自由伸缩，所述光线光栅与顶板和底板均固定连接，所述顶板上开有多个第三通孔。
[0005]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述外壳的顶部安装有壳体封板，所述壳体封板设置在外壳内，所述壳体封板上开有多个第四通孔，所述壳体封板的中心开有供光线光栅顶端穿过的第三过孔。
[0006]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述光线光栅的横截面形状为圆形，所述第一过孔和第二过孔均为圆孔，所述第一过孔、第二过孔和第三过孔的直径均大于光线光栅的直径。
[0007]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述光线光栅与顶板和底板均焊接。
[0008]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述弹簧为圆柱弹簧，所述外壳、中壳和内壳的横截面形状均为圆环形，所述弹簧的外径小于外壳的内径，所述弹簧的内径大于中壳的外径。
[0009]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述弹簧的底端与底板连接，所述弹簧的顶端与顶板连接。
[0010]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述吸湿膨胀块为聚酰亚胺块。
[0011]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述外壳开孔部分的长度与中壳开孔部分的长度相等。
[0012]上述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:多个第一通孔均匀设置，多个第二通孔均匀设置，多个第三通孔均匀设置，多个第四通孔均匀设置。
[0013]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0014]1、本实用新型利用吸湿膨胀块吸湿膨膨胀时顶压顶板，使得光纤光栅中产生应力、应变，从而进行环境湿度检测，检测精度高。
[0015]2、本实用新型采用弹簧的压缩来对光纤光栅进行预应力的施加，有效解决了现有技术中光纤光栅预应力施加采用类似吊重物来拉直、施加困难的问题；另一方面，当吸湿膨胀块吸湿膨胀顶压顶板时，顶板比较容易带动处于压缩状态的弹簧进行伸张，从而进行湿度测量。
[0016]3、本实用新型采用吸湿膨胀块吸收环境中的水分子，其吸湿与脱湿均在体积较小的本装置范围内进行，可以实现对湿度的点检测，弥补了现有光纤光栅湿度传感器中光纤光栅尺寸较长而失去的点检测能力的缺陷。
[0017]4、本实用新型的结构简单、成本低廉、生产方便、稳定性好，实用性强，便于推广使用。
[0018]综上所述，本实用新型能够增大光纤光栅湿度传感器中吸湿材料的体积，解决了光纤光栅的预应力的加载问题，能够实现对环境湿度的逐点检测，检测精度高，同时结构简单，生产方便，稳定性好，实用性强，便于推广使用。
[0019]下面通过附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型的半剖视图。
[0021]图2为本实用新型三层柱壳的结构示意图。
[0022]图3为本实用新型弹簧顶板的结构示意图。
[0023]图4为本实用新型壳体封板的结构示意图。
[0024]图5为本实用新型吸湿膨胀块的结构示意图。
[0025]附图标记说明:
[0026]1-1—内壳；1-2—中壳；1-3—外壳；
[0027]1-4一底板；2-1—弹簧；2-2—顶板；
[0028]3—壳体封板；4 一吸湿膨胀块；5—光线光栅；
[0029]6一第一通孔；7—第_■通孔；8—第二通孔；
[0030]9 一第四通孔；10—第三过孔；11 一第一过孔；
[0031]12—第二过孔。
【具体实施方式】
[0032]如图1至图5所示，本实用新型包括三层柱壳、光线光栅5以及设置在所述三层柱壳内的弹簧顶板，所述三层柱壳由底板1-4、外壳1-3、中壳1-2和内壳1-1组成，所述外壳1-3、中壳1-2和内壳1-1均两端开口，所述外壳1-3、中壳1-2和内壳1_1的底端均与底板
1-4固定连接，所述中壳1-2和内壳1-1的顶端平齐，所述外壳1-3的顶端突出于中壳1-2的顶端，所述外壳1-3和中壳1-2上均开有多个第一通孔6,所述底板1-4上开有多个第二通孔7，所述中壳1-2与内壳1-1之间紧密填充有吸湿膨胀块4，所述弹簧顶板由顶板2-2和弹簧2-1组成，所述弹簧2-1设置在外壳1-3与中壳1-2之间且能够自由伸缩，所述顶板
2-2设置在中壳1-2的顶部且能够沿着外壳1-3的内壁滑动，所述弹簧2-1的底端与底板
1-4接触，所述弹簧2-1的顶端与顶板2-2接触，所述底板1-4的中心开有第一过孔11，所述顶板2-2的中心开有第二过孔12，所述光线光栅5的底端依次穿过第二过孔12、内壳1-1和第一过孔11且能够在内壳l-ι内自由伸缩，所述光线光栅5与顶板2-2和底板1-4均固定连接，所述顶板2-2上开有多个第三通孔8。
[0033]如图1和图4所不，所述外壳1-3的顶部安装有壳体封板3,所述壳体封板3设置在外壳1-3内，所述壳体封板3上开有多个第四通孔9,所述壳体封板3的中心开有供光线光栅5顶端穿过的第三过孔10。壳体封板3对湿度传感器起保护作用，防止大量灰尘进入三层柱壳以影响检测精度，且环境中的水分子可通过第四通孔9进入吸湿膨胀块4，提高了吸湿膨胀块的吸湿效率。
[0034]本实施例中，所述光线光栅5的横截面形状为圆形，所述第一过孔11和第二过孔12均为圆孔，所述第一过孔11、第二过孔12和第三过孔10的直径均大于光线光栅5的直径。
[0035]本实施例中，所述光线光栅5与顶板2-2和底板1-4均焊接，以确保连接可靠性。
[0036]本实施例中，所述弹簧2-1为圆柱弹簧，所述外壳1_3、中壳1-2和内壳1_1的横截面形状均为圆环形，所述弹簧2-1的外径小于外壳1-3的内径，所述弹簧2-1的内径大于中壳1-2的外径。
[0037]本实施例中，所述弹簧2-1的底端与底板1-4连接，所述弹簧2-1的顶端与顶板
2-2连接。
[0038]本实施例中，所述吸湿膨胀块4为聚酰亚胺块。
[0039]本实施例中，所述外壳1-3开孔部分的长度与中壳1-2开孔部分的长度相等，以确保弹簧2-1能够顺利沿着外壳1-3的内壁滑动。
[0040]如图1至图4所示，多个第一通孔6均匀设置，多个第二通孔7均匀设置，多个第三通孔8均匀设置，多个第四通孔9均匀设置，吸湿膨胀块4吸湿均匀，进而提高了检测精度。
[0041]本实用新型的安装使用过程为:在干燥空气环境下，将吸湿膨胀材料(以聚酰亚胺为例来进行说明)填充于中壳1-2与内壳1-1之间，固化后形成吸湿膨胀块4(如图5所/IN )，应多次填充和固化使得吸湿材料尽量充满中壳1-2与内壳1-1之间；将光线光栅5穿过弹簧顶板的第二过孔12，并将光线光栅5与顶板2-2固定连接；光线光栅5穿过三层柱壳的内壳1-1后从底板1-4穿出，弹簧2-1安装于外壳1-3与中壳1-2之间，弹簧2_1的底端与底板1-4接触；微拉光线光栅5的底端，使弹簧2-1处于轻微压缩状态，固定后将光线光栅5与底板1-4固定连接。环境中的水分子通过第一通孔6和第二通孔7进入吸湿膨胀块4，吸湿膨胀块4吸收水分后会膨胀，向上顶压顶板2-2，拉动光纤光栅5使光纤光栅5内部发生应力变化，通过光纤光栅5的波长漂移进行环境湿度的检测。
[0042]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器,其特征在于:包括三层柱壳、光线光栅(5)以及设置在所述三层柱壳内的弹簧顶板，所述三层柱壳由底板(1-4)、外壳(1-3)、中壳(1-2)和内壳(1-1)组成，所述外壳(1-3)、中壳(1-2)和内壳(1-1)均两端开口，所述外壳(1-3)、中壳(1-2)和内壳(1-1)的底端均与底板(1-4)固定连接，所述中壳(1-2)和内壳(1-1)的顶端平齐，所述外壳(1-3)的顶端突出于中壳(1-2)的顶端，所述外壳(1-3)和中壳(1-2)上均开有多个第一通孔(6)，所述底板(1-4)上开有多个第二通孔(7)，所述中壳(1-2)与内壳(1-1)之间紧密填充有吸湿膨胀块(4)，所述弹簧顶板由顶板(2-2)和弹簧(2-1)组成，所述弹簧(2-1)设置在外壳(1-3)与中壳(1-2)之间且能够自由伸缩，所述顶板(2-2)设置在中壳(1-2)的顶部且能够沿着外壳(1-3)的内壁滑动，所述弹簧(2-1)的底端与底板(1-4)接触，所述弹簧(2-1)的顶端与顶板(2-2)接触，所述底板(1-4)的中心开有第一过孔(11)，所述顶板(2-2)的中心开有第二过孔(12)，所述光线光栅(5)的底端依次穿过第二过孔(12)、内壳(1-1)和第一过孔(11)且能够在内壳(1-1)内自由伸缩，所述光线光栅(5)与顶板(2-2)和底板(1-4)均固定连接，所述顶板(2-2)上开有多个第三通孔⑶。
2.按照权利要求1所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述外壳(1-3)的顶部安装有壳体封板(3)，所述壳体封板(3)设置在外壳(1-3)内，所述壳体封板(3)上开有多个第四通孔(9)，所述壳体封板(3)的中心开有供光线光栅(5)顶端穿过的第三过孔(10)。
3.按照权利要求2所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述光线光栅(5)的横截面形状为圆形，所述第一过孔(11)和第二过孔(12)均为圆孔，所述第一过孔(11)、第二过孔(12)和第三过孔(10)的直径均大于光线光栅(5)的直径。
4.按照权利要求3所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述光线光栅(5)与顶板(2-2)和底板(1-4)均焊接。
5.按照权利要求1或2所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述弹簧(2-1)为圆柱弹簧，所述外壳(1-3)、中壳(1-2)和内壳(1-1)的横截面形状均为圆环形，所述弹簧(2-1)的外径小于外壳(1-3)的内径，所述弹簧(2-1)的内径大于中壳(1-2)的外径。
6.按照权利要求1或2所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述弹簧(2-1)的底端与底板(1-4)连接，所述弹簧(2-1)的顶端与顶板(2-2)连接。
7.按照权利要求1或2所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述吸湿膨胀块(4)为聚酰亚胺块。
8.按照权利要求1或2所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:所述外壳(1-3)开孔部分的长度与中壳(1-2)开孔部分的长度相等。
9.按照权利要求2所述的一种块状材料吸湿膨胀光纤光栅湿度传感器，其特征在于:多个第一通孔(6)均匀设置，多个第二通孔(7)均匀设置，多个第三通孔(8)均匀设置，多个第四通孔(9)均匀设置。
【文档编号】G01N21/17GK204064894SQ201420529111
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】刘海强 申请人:西安科技大学