一种烘干机湿度检测方法及装置与流程

本发明涉及湿度检测方法技术领域，具体为一种烘干机湿度检测方法及装置。

背景技术：

烘干机内环境湿度值是控制烘干机排风速率的重要参数，根据烘干机内的湿度实时调整烘干机排风速率，可以有效解决一般家用烘干机易出现对衣物烘干过度或者“欠干”的情况，造成的衣物损坏，且会消耗额外能源。提高了烘干效率，降低能耗，对节约能源、建立环境友好型社会具有重大意义。

由于烘干机的工作温度可达到70℃左右，常温环境下的湿度检测方法如干湿球湿度传感器、电阻式湿度传感器很难满足烘干机的应用环境需求，虽然有一些氧湿度传感器和电容式湿度传感器又存在成本过高，无法在一般家庭普及。电阻式湿度检测法，大多数电容式湿度传感器在高温环境下线性度往往会发生改变，存在较大的温度漂移，影响检测精度。超声波检测法，由于空气中本身的超声波存在一定的干扰，同时，超声波湿度检测法只能检测特定区域内的空气湿度，并且中间不能有其他介质的阻挡否则会影响检测的精度，另外系统的搭建成本也较高。二氧化锆湿度检测法，需每三年时间更换一次二氧化锆传感器探头，而且二氧化锆传感器的成本也较高，超过了一般家庭的承受范围。

光纤bragg光栅的中心波长漂移量同时受到湿应变和热应变的作用，因此需要通过温度补偿提高传感模型的精确度。通过设定两只对比光栅一只测温一只测湿的方式进行温度补偿，其弊端在于无法消除两只不同光栅本身存在的系统误差导致降低湿度检测的精确度，且增加了成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于实时检测烘干机烘箱的湿度值，为根据烘干机内湿度实时调整烘干机排风速率提供重要控制参数，并提供了一种可行的方法。

为了实现上述的效果，本发明提供如下技术方案：一种烘干机湿度检测装置，包括c波段ase光源、光纤bragg光栅湿度传感器、三端口光纤环形器、光纤光栅解调仪和上位机，所述光纤光栅解调仪包括有可调谐f-p滤波器、pin光电二极管、i/v转化电路、信号调理电路、a/d转换电路和扫描电压电路。

所述c波段ase光源发出恒定功率的光经环形器一端口入射。

所述三端口光纤环形器中的二端口将光传输到光纤bragg光栅湿度传感器。

所述光纤bragg光栅湿度传感器具有聚酰亚胺涂覆层，聚酰亚胺涂覆层根据外界湿度的变化而产生形变，进而带动光纤bragg光栅栅区间隔的变化，根据光纤bragg光栅耦合模理论，满足光栅方程的中心波长的光被反射回来，反射光经过三端口光纤环形器中的三端口传入可调谐f-p滤波器。

所述f-p滤波器是由上位机控制扫描电压电路输出的激励信号，进而控制压电陶瓷，调节f-p腔长，进而控制f-p滤波器的通频带，当f-p导通中心波长与光纤光栅的中心波长匹配时，f-p滤波器的透射光达到最大值，进入到pin光电二极管。

所述pin光电二极管将反射光的光强转换成电流信号，所得电流信号经过i/v转换之后转换成微弱的电压信号，微弱的电压信号需要经过信号调理电路即通过线性放大电路进行放大之后再通过低通滤波器，进行滤波处理，去除高频信号干扰之后，进入a/d转换电路。

所述a/d转换电路对电压信号进行模数转换之后传输给上位机，上位机通过反演计算得到湿度值。

进一步的，所述c波段ase光源为功率恒定的ase宽带光源。

进一步的，所述光纤bragg光栅湿度传感器上的聚酰亚胺涂覆层采用聚酰亚胺材料制备，改性的聚酰亚胺涂覆层其湿膨胀系数为(6～9)×10^-5/％，当湿度变化时，由于涂层的形变，导致光纤bragg光栅发生应变，从而对湿度传感。

进一步的，所述光纤bragg光栅湿度传感器根据道尔顿蒸发定律分别布置在烘干机深度0.2m、0.5m的内壁上，每层三个，均匀分布。

进一步的，所述可调谐f-p滤波器与扫描电压电路相连，通过电控压电陶瓷改变所述可调谐f-p滤波器中f-p腔长来改变其导通频带。

进一步的，所述信号调理电路包括线性放大电路和低通滤波电路，所述i/v转化电路输出的微弱电压信号通过所述线性放大电路放大，再通过所述低通滤波电路。

一种烘干机湿度检测方法，包括：

s1、具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅湿度传感器经过温度补偿实验得出其温度敏感系数，经过湿度标定实验得出其湿度敏感系数。

s2、上位机根据烘干机内环境温度，对解调的中心波长漂移量进行温度补偿，烘干机自带的温度传感器将读取的温度值t通过i/o口输入stm32，根据热应变与光纤光栅中心波长漂移量δλ的函数关系式计算出温度变化带来的热膨胀应变对中心波长的影响。

s3、通过温度补偿实验，从理论上已得出中心波长的漂移量δλ与光的相位角变化的函数关系，从而计算出由温度变化引起的透射光强it。

s4、通过光强与电压的函数关系，stm32计算得出温度变化电压vt，a/d转换得到的电压数字信号v时温度和湿度共同影响造成的，为消除温度对湿度带来的系统误差，应减去温度变化电压vt，返回值即为所需的湿度变化电压信号值。

s5、对电压信号进行模数转换之后传输给上位机，上位机通过采集光强最大时的激励信号大小和f-p滤波器通频带的对应关系，得出此时光纤光栅的中心波长，根据烘干机内环境温度，对解调的中心波长漂移量进行温度补偿，减小由于温度变化所产生的系统误差，再对其进行反演计算，得出烘干机内的环境湿度。

进一步的，所述温度补偿实验得出具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅随着温度变化中心波长的漂移量的关系。

本发明提供了一种烘干机湿度检测方法及装置，具备以下有益效果：

本发明中，由聚酰亚胺涂覆层根据外界湿度的变化而产生形变，进而带动光纤bragg光栅栅区间隔的变化，根据光纤bragg光栅耦合模理论，满足光栅方程的中心波长也就发生漂移，通过建立光纤bragg光栅湿度传感器中心波长漂移量和外界检测环境湿度变化量之间的数量关系，建立传感模型，反应外界湿度变化，应用基于f-p滤波法的光纤bragg光栅解调仪将中心波长波峰的光强信号转换为电信号，完成信号转换，经过i/v转换和放大电流之后再通过a/d转换电路将电信号转换成上位机可以处理的数字信号，上位机根据所得的数字信号，对其进行温度补偿，减小由于温度变化所产生的系统误差，再对其进行反演计算，得出外界的环境湿度，根据湿度，可对排风扇排风速率进行调整，在使用上能够实时检测烘干机湿度，并根据烘干机内的湿度实时调整烘干机排风速率，提高烘干效率，降低能耗。

附图说明

图1为本发明实例提供的装置示意图；

图2为本发明实例提供的检测装置技术路线图；

图3为本发明实例提供的光栅解调仪结构示意图；

图4(a)为本发明实例提供的不同温度下具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅在不同湿度影响下波长的变化折线图；

图4(b)为本发明实例提供具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅在不同温度下湿度与校正后的波长漂移量的线性拟合折线图；

图4(c)为本发明实例提供具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅中心波长的漂移量与温度变化量的线性拟合图；

图5为本发明实例提供的系统图。

附图说明：1、ase光源；2、光纤bragg光栅湿度传感器；3、三端口光纤环形器；4、光纤光栅解调仪；5、上位机。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

实施例1：参照图1-5所示，光纤光栅传感理论(耦合模理论)：光纤bragg光栅的中心波长仅与其有效折射率和周期有关，因此光栅的中心波长会对任何影响光栅有效折射率或周期的因素敏感，外界作用导致光纤光栅产生应变时，光栅的周期会发生改变，而且在光弹效应的作用下，有效折射率也会改变；当光纤光栅所处的温度场改变时，在热膨胀的作用下，光栅周期会发生改变，并且在光热效应作用下，有效折射率也会改变。因此光纤的中心波长对应变和温度敏感，目前所开发的光纤光栅类传感器都是利用光纤光栅对于应变、温度敏感的特性，来达到所需的目的，本发明设计的光纤bragg光栅具有聚酰亚胺的涂覆层随着外界湿度的变化，会发生形变，光纤光栅栅区间隔也会发生变化，光纤光栅的反射波长就会相应的改变，当光纤传导的光满足光纤光栅的光栅方程时，光纤光栅的反射率就会取得最大值，透射率就会取得最小值，实现传感器功能，光纤光栅传感器较普通传感器在强干扰和强腐蚀的检测环境下具有无可比拟的优势，更加适合在恶劣的环境下工作；同时对微弱信号的处理上可以实现实时处理和长距离精确传输；光纤光栅传感频带宽、动态范围大而且测量精度和灵敏度高，易于埋入或附着结构体表面，可以实时提供结构体安全性等方面的信息，同时光的波长是光的一种固有属性，对于被检测的信息进行采用波长进行编码，其待测信息不受到光源功率、光纤弯曲以及其他元器件老化等因素的影响，具备较高的准确和稳定性，光纤光栅结构简单，尺寸较小所以适用范围很广，特别针对一些大型的结构或者智能系统，可以对其内部的温度、压力等参量进行高分辨率的精准测量。

光纤光栅湿度传感器温度补偿原理：

湿敏材料的湿膨胀引起的湿应变为：

式中为相对湿度差。

光纤光栅涂覆层湿敏材料的热效应可以表示为：

式中εt为湿敏材料所引起的热应变；αf为光纤的热膨胀系数，αp湿敏材料的热膨胀系数。

由叠加定理可知，光纤光栅的轴向应变为：

εz＝εp+εt(1-3)

将式(1-1)、(1-2)代入式(1-3)可得：

当光纤光栅受到应变作用时，所引起的光纤光栅周期的变化为：

式中ε1为轴向应变。

再由式(1-4)和(1-5)可得在湿应变和热应变的同时作用下光纤光栅的中心波长漂移量为：

式中st为光纤光栅的温度敏感系数srh为光纤光栅的湿度敏感系数

根据上述公式可以补偿温度变化带来的热膨胀应变对光纤光栅中心波长漂移量的影响。

本发明提供一种烘干机湿度检测方法及装置，如图1，装置包括光路部分由ase光源1、三端口光纤环形器3和具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅湿度传感器2组成，电路部分包含光纤光栅解调仪4和上位机5，本发明的主要技术路线见图2。

ase宽谱光源发出的恒定规律的近红外光经三端口光纤环形器3入射到具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅中，随着外界湿度的变化，经过改性的聚酰亚胺体现良好的吸水膨胀特性，当外界湿度变化时，聚酰亚胺涂覆层薄膜就会随着外界湿度的变化吸水膨胀或者脱水收缩，使得光纤bragg光栅的栅区发生形变，从而使光纤光栅中心波长发生漂移，光纤bragg光栅的涂覆层也会发生形变，光纤光栅栅区间隔也会发生变化，根据光纤bragg光栅耦合模理论，中心波长满足光栅方程的光就会被反射回来，光纤光栅的反射光的中心波长就会相应的改变。

本发明的一个实施例中，对于光纤bragg光栅湿度传感器2聚酰亚胺涂覆层的制作，分为两步：首先将光纤bragg光栅的栅区部分浸没到聚酰氨酸溶液(由4,4-二氨基苯酰替苯胺和均苯四甲酸二酐(pmda)在极性溶剂n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中形成)中，反复翻转浸没，从而尽量保证涂覆均匀，每隔几分钟浸没一次，通过浸没的次数来控制最终光纤bragg光栅涂覆层的厚度。然后使用真空加热固化的方法，先升温至100摄氏度，恒定温度保持30分钟，再升温至150摄氏度，为了去除溶剂，使溶剂完全蒸发需要保温40分钟，继续升温至280摄氏度，涂覆层再加热40分钟，进行热定型，需要注意的是升温速度控制在每小时100摄氏度左右，以防止升温速度过快使涂覆层发生形变，影响传感器的工作性能。

采用饱和盐溶液标定法对具有聚酰亚胺涂覆层光纤bragg光栅湿度传感器2进行标定。按照饱和盐溶液湿度标定表，确定不同湿度下光纤bragg光栅的中心波长。按照10％rh相对湿度的梯度标定，再按照饱和盐溶液相对湿度对照表将相应饱和溶液加热到相应温度，记录此时的中心波长漂移量，得出具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅随着湿度变化中心波长的漂移量的关系。通过origin软件进行线性拟合建立光栅中心漂移量与烘干机烘箱内环境湿度的线性关系，如图4(a)所示为不同温度下具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅在不同湿度影响下波长的变化折线图。

由于具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅中心波长的漂移量不仅仅是由环境的湿度决定的，同时也受到环境的温度的影响，因此设计了温度补偿实验以得出光纤光栅的温度敏感系数，温度补偿方法有效得保持了传感器的线性度，提高了传感器的精度。图4(c)所示为具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅中心波长的漂移量与温度变化量的线性拟合图，拟合曲线可用方程δλ＝0.03803δt+0.0099表示，线性拟合结果与原始数据非常接近，线性拟合效果好。

实验测量得到光纤光栅涂覆层湿敏材料的热应变与湿敏材料的湿膨胀引起的湿应变，由叠加定理可得光纤光栅的轴向应变，从而得到在湿应变和热应变的同时作用下光纤光栅的中心波长漂移量，即可得补偿温度变化带来的热膨胀应变对光纤光栅中心波长漂移量的影响，因此，通过实验得出光纤bragg光栅随温度变化的拟合曲线，就可以对热应变和湿应变进行解耦，消除由于光纤bragg光栅热光效应所产生的系统误差，提高传感模型的精度，进而增加在线湿度控制系统的控制精度。图4(b)为对热应变和湿应变进行解耦并通过origin软件进行线性拟合得到的仅在湿应变作用下光纤光栅的中心波长漂移量，温度补偿方法有效地保持了传感器的线性度，提高了传感器的精度。通过对实验结果的分析，调整后的波长变化在不同环境温度下的线性拟合线性度约为99％，r平方值和pearson相关系数约为0.99，表明线性拟合的准确性，因此由拟合曲线可以较为准确得到光纤光栅的湿度敏感系数。如图4(b)所示，30℃下校正后的波长漂移量与湿度的变化关系符合式子λa30＝0.00142φ+1550.79953，40℃下的线性关系符合式子λa40＝0.00162φ+1550.90391，50℃下的线性关系符合式子λa50＝0.00152φ+1551.01897，60℃下的线性关系符合式子λa60＝0.00162φ+1551.12728，70℃下的线性关系符合式子λa70＝0.00151φ+1551.25737，由实验数据分析得到所用具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅的湿度敏感系数在0.0014～0.0017范围内。

具有聚酰亚胺涂覆层的光纤bragg光栅根据道尔顿蒸发定律在烘干机内进行布置。根据道尔顿蒸发定律可知水面的蒸发速率，与水面上空气的饱和水汽压同实际水汽压的差值成正比，而与水面上的气压成反比，与水面的风速成正比。将道尔顿定律应用于烘干机内，由于烘干机内筒工作时的均衡双向转动，可理想得认为湿衣物表面上空气的饱和水汽压同实际水汽压的差值以及湿衣物表面上的气压处处相同。由于烘干机的出风口位于烘干机内筒底部，致使烘干机内筒不同深度处的风速不同，因此烘干机内不同位置处湿衣物的蒸发速率只与风速有关，即烘干机内不同位置处的湿度值只与距离出风口的距离有关。因此，选定距离出风口较近端(即0.2m处)和较远端(即0.5m处)作为湿度监测点，并根据深度不同所占权重也不同计算出烘干机内的相对湿度。

光纤光栅解调仪4按照图3所示连接顺序依次包括可调谐fabry-perot(f-p)滤波器、光电转换电路、i/v转化电路、信号调理电路、a/d转化电路。

光纤bragg光栅根据环境湿度反射特定波长的光信号再经三端口光纤环形器3到达可调谐窄带光纤fabry-perot(f-p)滤波器，f-p滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在其中的压电元件上调节腔间隔，使其窄通带在一定范围内扫描，当它与传宽带光源感光栅的布拉格波长相匹配时，则让传感光栅反射的光信号通过，观测滤波器的透射光，并结合施加电压就可以判断传感光栅上所测物理量的大小，其传感分辨率在0.3με以下。

光电转换电路中的pin二极管接收这些反射光后，识别对应反射光的光强并将其转换为电流信号输入下一级i/v转化电路。

i/v转化电路中的对数放大器ad8304内部由两部分组成:对数比转换器和线性运算放大器。对数放大器转换是利用半导体pn结的指数型伏安特性实现的，通过半导体三极管输出电压与输入光功率的关系，经运算得出各个电路电阻数值和连接方法。而运算放大器作为缓冲级可用来调节这一电压值来适应不同的a/d转换输入电压的要求。对数放大器完成光纤pin光电二极管输入的微小电流信号到电压的对数比转换，并将微弱的电压输入下一级信号调理电路。

微弱的电压信号需要经过信号调理电路即通过线性放大电路进行放大之后再通过低通滤波器，主控max275acwp，max275acwp可以根据需要实现带桶和低通滤波的功能，通过输入电阻的阻值设置滤波频率，进行滤波处理，消除杂波，抖动等高频信号的干扰。放大电路主要由ad706作为主控芯片实现线性放大功能，ad706利用super-beta双极性输入晶体管实现将上一级i/v转换电路输出的微弱电压量进行线性放大的功能。微调电路的线路增益由输入电阻完成。在完成放大功能的同时，不影响传感器的线性。

a/d采样电路部分以ad7934作为主要芯片，实现模数转换功能，ad7934采用双斜积分式采样方法，用于实现高速模数转换功能，之后将处理后的数据发送到上位机，a/d采样部分采用两个ad7934级联，构建了一个八通道高速ads模数转换器，本设计采用根据主控芯片stm32所提供的式中频率作为a/d采样的采样频率，能够满足本系统所需的设计需求。

上位机5采用stm32单片机作为主控芯片微处理器。通过a/d转换电路对电压信号进行模数转换之后传输给上位机stm32，上位机5通过采集数字信号得到入射光强大小，与f-p滤波器通频带进行比对，得出此时光纤光栅的中心波长，由于光纤bragg光栅湿度传感,2同时受到温应变和湿应变的影响，本发明需要补偿由于环境温度变化而引起的中心波长的变化，提高传感模型的精度。通过温度补偿算法实验已得出光纤bragg光栅的温度敏感系数。只需通过stm32上位机5按进行算法的实现。烘干机自带的温度传感器将读取的温度值通过i/o口输入stm32，根据热应变与光纤光栅中心波长漂移量的函数关系式计算出温度变化带来的热膨胀应变对中心波长的影响。通过温度补偿实验，从理论上已得出中心波长的漂移量与光的相位角变化的函数关系，从而计算出由温度变化引起的中心波长漂移量。通过光强与电压的函数关系，stm32计算得出温度变化电压，a/d转换得到的电压数字信号时温度和湿度共同影响造成的，为消除温度对湿度带来的系统误差，应减去温度变化产生的电压增量，返回值即为所需的湿度变化电压信号值。从而对热应变和湿应变进行解耦，进而消除光纤bragg光栅热光效应所造成的系统误差。

再利用stm32单片机进行湿度反演计算，得出烘干机内的环境湿度。工作过程如下：将a/d转换得到的数字信号通过i/o口输入stm32单片机，通过对stm32单片机程序的编写，扣除a/d转换过程中电压的增益倍数，并将其分别转换为表示入射光强与透射光强。通过对stm32程序的编写，实现得到的电流值通过计算可以得到其相对应的光的相位角变化。该光强变化量对应于与中心波长相匹配的光纤光栅反射回的光信号波长漂移量。在光纤光栅湿度标定实验中已得出中心波长的变化与湿度变化的关系曲线图与函数关系式，通过stm32对库函数的编程，对解调仪解调得到的中心波长进行分析，根据公式(1-6)，从而得出湿度值。stm32再分别对位于烘干机内0.2m处所得的3个湿度值以及位于烘干机0.5m处所得的3个湿度值进行取平均值运算得出两个不同深度的湿度值。对两个湿度值按照不同权重比计算出烘干机内的相对湿度，所占权重比为光纤bragg光栅湿度传感器2与内桶底部的距离占烘干机内桶总深度的百分比。所得相对湿度值作为排风速率控制参数，同时显示在显示屏上。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。