湿度光纤传感器制备方法及土遗址温湿度在线检测方法

本发明涉及土遗址温湿度在线检测领域，具体涉及湿度光纤传感器制备方法及土遗址温湿度在线检测方法。

背景技术：

1、土遗址是不可再生的珍贵文化资源，土遗址的预防性保护尤为重要，土遗址在保存过程中极易受到气候与环境变化的影响，其中可溶盐是致使土遗址破坏的主要因素之一，当文物本体温度、湿度变化时，可溶盐会反复结晶和溶解，导致文物本体材料孔隙变大、强度降低、酥脆；其次，土遗址盐害也会导致土遗址墙体剥离、掏蚀、甚至坍塌。因此，在线实时准确检测土遗址温度及湿度变化信息，对于预防性保护土遗址破坏极其重要，具有重大社会意义。

2、目前关于土遗址本体参数变化信息的在线检测方法主要包括三维激光扫描法、光学相干层析成像技术、光纤传感技术等。其中三维激光扫描技术主要通过比较激光扫描点云获得的文物表面变化信息来分析文物的受损程度；光学相干层析成像技术可对文物表面形态进行非侵入式扫描，通过样品的折射率或介电常数变化，反映其内部结构特征；但测量系统装置笨重、成本高，难以实现对土遗址病害过程在线实时检测，也无法实现土遗址病害过程参数准分布式测量。

3、目前用于文物检测的光纤传感器主要包括：法布里珀罗、光纤布拉格光栅、mach～zehnder、长周期光纤布拉格光栅、反射式光子晶体光纤干涉传感器；这些传感器检测过程抗环境光干扰能力强、检测结果准确度高，但现有光纤传感器均只用于文物保存环境温湿度变化信息的检测，关于土遗址本体温湿度二元参数检测的原理及方法还未见知识产权报道。

4、由此可见，现有在线检测技术难以实现对土遗址本体温度及湿度进行在线准确检测。因此，如何实现在线准备检测的方法，用于土遗址本体温湿度二元参数的在线准确检测十分必要。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种湿度光纤传感器制备方法及土遗址温湿度在线检测方法，以解决现有技术中常见的土遗址盐害参数检测方法难以实现原位实时检测以及难以准确测量的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明公开了湿度光纤传感器制备方法，包括以下步骤：

4、s1.1、选取一段第一光纤布拉格光栅进行预处理，所述第一光纤布拉格光栅具有第一光栅区，所述第一光栅区外周对应设置有第一涂覆层，将所述第一光栅区对应的第一涂覆层去除后清洗备用；

5、s1.2、将步骤s1.1中经过预处理后的所述第一光纤布拉格光栅静置于硅烷偶联剂中浸泡并进行干燥处理；

6、s1.3、将聚酰亚胺粉末分多次投放入有机溶剂中，直至聚酰亚胺粉末完全溶解于有机溶剂中，搅拌均匀后获得含有聚酰亚胺的第一混合液；

7、s1.4、在第一混合液中加入二氧化硅粉末，并搅拌均匀，得到含有聚酰亚胺、有机溶剂和二氧化硅的第二混合液；

8、s1.5、在第二混合液中加入氧化铝粉末，并搅拌均匀，得到含有聚酰亚胺、有机溶剂、二氧化硅和氧化铝的第三混合液；

9、s1.6、持续不停搅拌第三混合液2～3小时，获得湿敏溶液；

10、s1.7、将步骤s1.6中获得的湿敏溶液涂覆于步骤s1.2中去除了第一涂覆层的光纤布拉格光栅的表面，进行干燥处理后，在对应于所述光栅区处形成湿敏膜，得到湿度感测功能的湿度光纤传感器。

11、作为优选，步骤s1.3中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺。

12、作为优选，步骤s1.4中，所述二氧化硅粉末与第一混合溶液的质量百分比范围为0.1～0.5％，加入的二氧化硅的粒径为5～300nm。

13、作为优选，步骤s1.5中，所述氧化铝粉末与所述第二混合液的质量百分比范围为0.1～0.5％；在添加氧化铝粉末时，不断搅拌第二混合物与氧化铝粉末的混合物，使氧化铝与其均匀混合。

14、作为优选，步骤s1.7中，采用层层镀膜法涂覆于步骤s1.2中去除了第一涂覆层的第一光纤布拉格光栅的表面，每涂覆一层湿敏溶液即进行干燥处理，使湿敏溶液在去除了第一涂覆层的第一光纤布拉格光栅的表面形成一层湿敏膜，然后再涂覆下一层湿敏溶液并进行干燥处理，最终在第一光纤布拉格光栅的第一光栅区的表面，形成多层湿敏膜结构。

15、第二方面，本发明还公开了一种土遗址温湿度在线检测方法，利用如上所述的湿度光纤传感器制备方法制得的湿度光纤传感器，包括以下步骤：

16、s2.1、设置温度补偿单元，所述温度补偿单元包括第二光纤布拉格光栅，所述第二光线布拉格光栅上具有第二光栅区，所述第二光栅区的外周对应设置有第二涂覆层，将第二光栅区对应的第二涂覆层去除，得到温度补偿单元；所述温度补偿单元用于测量由于土遗址温度变化导致的第二光纤布拉格光栅的中心波长的漂移量；

17、s2.2、将温度补偿单元以及湿度光纤传感器封装于同一个封装结构中，用于避免环境温度和湿度对温度补偿单元和湿度光纤传感器对土遗址本体温湿度测量带来负面影响；

18、s2.3、将封装好的温度补偿单元以及湿度光纤传感器固定于土遗址表面，且所述温度补偿单元以及湿度光纤传感器位于土遗址表面与封装结构之间；

19、s2.4、测量温度补偿单元对温度的响应值，得到土遗址温度变化量；分别测量湿度光纤传感器对温度和湿度的响应值，并利用温度补偿单元测得的温度的响应值对湿度光纤传感器对湿度的响应值进行修正，得到修正后的土遗址湿度变化量。

20、作为优选，步骤s2.2中，所述封装结构包括薄片，所述薄片的一侧开设有第一凹槽，用于固定所述温度补偿单元和湿度光纤传感器中的光纤布拉格光栅的光栅区。

21、实际测量时，将封装好的温度补偿单元以及湿度光纤传感器固定于土遗址样品表面，且所述温度补偿单元以及湿度光纤传感器位于土遗址样品表面与封装结构之间，这样布置能够防止测量结果受到环境湿度的影响。

22、作为优选，所述薄片的一侧还开设有第一尾纤槽和第二尾纤槽，所述第一凹槽位于所述第一尾纤槽和第二尾纤槽之间，所述第一尾纤槽和第二尾纤槽用于安置所述温度补偿单元和湿度光纤传感器的光纤布拉格光栅的尾纤，且尾纤安置于尾纤槽以后，尾纤部分呈自然弯曲状态。

23、这样，温度补偿单元和湿度光纤传感器中的光纤布拉格光栅两端的尾纤处于自由弯曲状态，可消除由于封装结构自身发生变形造成温度补偿单元和湿度光纤传感器中的光纤布拉格光栅发生变形，进而对测量土遗址的温湿度造成影响，解决了由于封装结构自身变形导致的测量结果不准备的技术问题。

24、作为优选，步骤s2.4中，利用温度补偿单元测得的温度的响应值对湿度光纤传感器对湿度的响应值进行修正的数学对应关系为：

25、

26、其中，δλb_1为温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的中心波长的漂移量，δt为温度变化量，kt_1为温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数；δλb_2为湿度光纤传感器的第一光纤布拉格光栅的中心波长漂移量，δrh为湿度变化量，srh、st分别代表湿度光纤传感器的第一光纤布拉格光栅的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数，如下所示：

27、

28、

29、其中，pe为湿度光纤传感器中第一光纤布拉格光栅的弹光系数，rf为光纤半径，t为湿敏膜的厚度，c0为第一光纤布拉格光栅与湿敏膜间的表面结合系数，ep、ef分别为湿敏膜和第一光纤布拉格光栅的杨氏模量，αp(rh)湿敏膜的湿膨胀系数，αp(t)为湿敏膜的热膨胀系数，αf(t)为第一光栅区光栅的热膨胀系数，ζs为湿度光纤传感器中第一光纤布拉格光栅的热光系数。

30、作为优选，步骤s2.4中，在进行土遗址温湿度测量之前，首先采用土遗址样品对湿度光纤传感器的第一光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数st和湿度灵敏度系数srh、以及温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数kt-1进行测量，具体步骤如下所示：

31、s2.4.1、获取土遗址样品，并将封装好的温度补偿单元以及湿度光纤传感器固定于土遗址样品表面，且所述温度补偿单元以及湿度光纤传感器位于土遗址样品表面与封装结构之间；

32、s2.4.2、保持湿度恒定不变，改变土遗址样品温度，测量温度补偿单元以及湿度光纤传感器对已知温度的响应值，并根据以下公式分别计算得到第一光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数st和第二光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数kt-1：

33、δλb_2＝λb(srh·δrh+st·δt)；

34、δλb_1＝λb·δt·(α+ζr)＝kt_1·δt；

35、其中，δλb_2为湿度光纤传感器中第一光纤布拉格光栅的中心波长漂移量，λb是裸光纤布拉格光栅的中心波长，δt为温度变化量，δrh为湿度变化量；srh、st分别代表湿度光纤传感器的第一光纤布拉格光栅的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数；δλb_1为温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的中心波长的漂移量，α为温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的热膨胀系数，ζr为温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的热光系数，δt为温度变化量，kt_1为温度补偿单元的第二光纤布拉格光栅的温度灵敏度系数；

36、s2.4.3、保持温度恒定不变，改变土遗址样品湿度，根据测量湿度光纤传感器对已知湿度的响应值，根据以下公式计算得到第一光纤布拉格光栅的湿度灵敏度系数srh；

37、δλb_2＝λb(srh·δrh+st·δt)；

38、其中，δλb_2为湿度光纤传感器中第一光纤布拉格光栅的中心波长漂移量，λb是裸光纤布拉格光栅的中心波长，δt为温度变化量，δrh为湿度变化量；srh、st分别代表湿度光纤传感器的第一光纤布拉格光栅的湿度灵敏度系数和温度灵敏度系数。

39、本发明具有以下有益效果：本发明公开了湿度光纤传感器制备方法及土遗址温湿度在线检测方法，湿度光纤传感器同时响应土遗址温度和湿度变化信息，在对土遗址温湿度在线检测时，引入了温度补偿单元对土遗址温度变化信息进行响应，一方面能够测量土遗址温度变化信息，另一方面能够对湿度光纤传感器的湿度测量结果进行修正；本发明将温度补偿单元和湿度光纤传感器封装在封装结构内，既可以保证温度补偿单元和湿度光纤传感器与土遗址充分接触，又可以隔绝湿度光纤传感器表面的湿敏膜吸附空气中的水分子，从而实现对土遗址温度和湿度的准确检测，本发明可推广应用于土遗址、土壤、混凝土等领域温湿度实时在线准确原位检测。