光纤光栅式湿度传感结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于湿度传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅式湿度传感结构。
【背景技术】
[0002]随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。湿度是一个重要的物理量，航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度的要求都非常严格，对湿度参量进行有效实时监测和控制，是正常生产的前提。湿度传感器的种类很多，按所用湿敏材料可分为电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器；按测量原理可分为电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器和光电式湿度传感器。理想的湿度传感器可在较宽的温度和湿度范围内使用，测量精度高，寿命长，稳定性好，响应速度快，湿滞回差小，灵敏度高，线性好，温度系数小，制造工艺简单，体积小，抗腐蚀，耐高低温等。
[0003]湿度传感器是一种能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。目前大多数湿度传感器是采用湿敏元件作为传感结构，主要分为电阻式、电容式两大类，湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种光纤光栅式湿度传感结构。该湿度传感结构的结构紧凑，通过测量波长漂移量的变化来获得相应的湿度，体积小，测量精度高，抗干扰抗腐蚀，适合嵌入式，分布式智能检测。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:包括刚性壳体和光纤，所述刚性壳体为橄榄球形，所述刚性壳体上开设有多个进水孔，所述光纤位于刚性壳体内部且沿刚性壳体的长度方向延伸，所述光纤上刻有布拉格光栅，所述光纤上固定有第一固定环和第二固定环，所述第一固定环靠近刚性壳体的一端，所述第二固定环靠近刚性壳体的另一端，所述光纤的一端从刚性壳体的一端伸出且通过光纤耦合器连接有光源，所述光纤的另一端伸出刚性壳体的另一端，所述刚性壳体内设置有与刚性壳体弧形相一致且绕所述光纤布设的多个拱形弹性梁以及包覆在多个所述拱形弹性梁外侧的弹性薄膜，所述拱形弹性梁的一端固定在第一固定环上，所述拱形弹性梁的另一端固定在第二固定环上，所述刚性壳体与弹性薄膜之间的空腔内填充有吸水材料。
[0006]上述的光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:所述第一固定环上开设有供光纤穿过的第一通孔，所述第一固定环上且位于第一通孔的一周开设有用于与多个拱形弹性梁一一对应连接的多个第一连接孔；所述第二固定环上开设有供光纤穿过的第二通孔，所述第二固定环上且位于第二通孔的一周开设有用于与多个拱形弹性梁一一对应连接的多个第二连接孔。
[0007]上述的光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:所述拱形弹性梁的数量为八个，八个所述拱形弹性梁绕所述光纤均匀布设。
[0008]上述的光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:所述刚性壳体为钢制壳体。
[0009]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0010]1、本实用新型的结构简单，设计新颖合理。
[0011]2、本实用新型采用刚性壳体，起到保护、抗压作用，同时又能使水分子通过，使用效果良好。
[0012]3、本实用新型基于布拉格光纤光栅，其测量精度高、测量速度快，只要选用湿膨胀线性度好的材料，整体上会表现出极好的测量效果。
[0013]4、本实用新型的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。
[0014]综上所述，本实用新型结构简单，设计新颖合理，工作可靠性高，使用寿命长，传感效果好，便于推广使用。
[0015]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的结构示意图。
[0017]图2为本实用新型第一固定环和第二固定环的结构示意图。
[0018]附图标记说明:
[0019]I 一刚性壳体；2—弹性薄膜；3 一拱形弹性梁；
[0020]4一第一固定环；4-1 一第一通孔；4-2—第一连接孔；
[0021]5一光纤；6—布拉格光栅；7—光源；
[0022]8一光纤親合器；9一第二固定环；9-1 一第二通孔；
[0023]9-2一第二连接孔；10—进水孔；11 一吸水材料。
【具体实施方式】
[0024]如图1所示的一种光纤光栅式湿度传感结构，包括刚性壳体I和光纤5，所述刚性壳体I为橄榄球形，所述刚性壳体I上开设有多个进水孔10，所述光纤5位于刚性壳体I内部且沿刚性壳体I的长度方向延伸，所述光纤5上刻有布拉格光栅6，所述光纤5上固定有第一固定环4和第二固定环9，所述第一固定环4靠近刚性壳体I的一端，所述第二固定环9靠近刚性壳体I的另一端，所述光纤5的一端从刚性壳体I的一端伸出且通过光纤耦合器8连接有光源7，所述光纤5的另一端伸出刚性壳体I的另一端，所述刚性壳体I内设置有与刚性壳体I弧形相一致且绕所述光纤5布设的多个拱形弹性梁3以及包覆在多个所述拱形弹性梁3外侧的弹性薄膜2，所述拱形弹性梁3的一端固定在第一固定环4上，所述拱形弹性梁3的另一端固定在第二固定环9上，所述刚性壳体I与弹性薄膜2之间的空腔内填充有吸水材料11。其中，所述进水孔10为孔径为50 μπι?100 μπι。
[0025]如图2所示，所述第一固定环4上开设有供光纤5穿过的第一通孔4-1，所述第一固定环4上且位于第一通孔4-1的一周开设有用于与多个拱形弹性梁3 —一对应连接的多个第一连接孔4-2 ;所述第二固定环9上开设有供光纤5穿过的第二通孔9-1，所述第二固定环9上且位于第二通孔9-1的一周开设有用于与多个拱形弹性梁3 —一对应连接的多个第二连接孔9-2。具体使用时，所述拱形弹性梁3 —端与第一固定环4采用502胶水粘结，所述拱形弹性梁3另一端与第二固定环9采用502胶水粘结。
[0026]本实施例中，所述拱形弹性梁3的数量为八个，八个所述拱形弹性梁3绕所述光纤5均匀布设。所述刚性壳体I为钢制壳体。
[0027]本实施例中，该湿度传感结构在使用时，外界水汽通过进水孔10进入刚性壳体I并渗入吸水材料11，吸水材料11吸入水汽后产生膨胀，并对多个拱形弹性梁3施加压力，拱形弹性梁3在压力作用下变形，迫使拱形弹性梁3两端点有向外移动的趋势，由于拱形弹性梁3的两端与光纤5两端固定连接，将在光纤5两侧产生拉力即受压的拱形弹性梁3对布拉格光栅6施加拉力，在所述拉力的作用下，布拉格光栅6反射光的中心波长将发生漂移，通过标准实验可建立波长漂移与湿度关系曲线，即通过检测布拉格光栅6的波长漂移可间接测量湿度变化。
[0028]当湿度减小时，吸水材料11将失去水分子，体积减小，拱形弹性梁3受压减小，在光纤5两端拉力也将减小，光纤5两端拉力的变化将导致光纤5波长漂移，该波长漂移大小与吸水材料11吸收水分子多少成线性关系。
[0029]该湿度传感结构的结构紧凑，通过测量波长漂移量的变化来获得相应的湿度，具有体积小，测量精度高，抗干扰抗腐蚀，结构简单，成本低等优点，适合嵌入式，分布式智能检测。
[0030]本实施例中，所述拱形弹性梁3采用低碳钢制成。所述吸水材料11采用聚酰亚胺粉末。
[0031]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。
【主权项】
1.光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:包括刚性壳体(I)和光纤(5)，所述刚性壳体(I)为橄榄球形，所述刚性壳体(I)上开设有多个进水孔(10)，所述光纤(5)位于刚性壳体(I)内部且沿刚性壳体(I)的长度方向延伸，所述光纤(5)上刻有布拉格光栅￠)，所述光纤(5)上固定有第一固定环(4)和第二固定环(9)，所述第一固定环(4)靠近刚性壳体(1)的一端，所述第二固定环(9)靠近刚性壳体⑴的另一端，所述光纤(5)的一端从刚性壳体(I)的一端伸出且通过光纤耦合器(8)连接有光源(7)，所述光纤(5)的另一端伸出刚性壳体(I)的另一端，所述刚性壳体(I)内设置有与刚性壳体(I)弧形相一致且绕所述光纤(5)布设的多个拱形弹性梁(3)以及包覆在多个所述拱形弹性梁⑶外侧的弹性薄膜(2)，所述拱形弹性梁(3)的一端固定在第一固定环(4)上，所述拱形弹性梁(3)的另一端固定在第二固定环(9)上，所述刚性壳体(I)与弹性薄膜(2)之间的空腔内填充有吸水材料(11)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:所述第一固定环(4)上开设有供光纤(5)穿过的第一通孔(4-1)，所述第一固定环(4)上且位于第一通孔(4-1)的一周开设有用于与多个拱形弹性梁(3) —一对应连接的多个第一连接孔(4-2);所述第二固定环(9)上开设有供光纤(5)穿过的第二通孔(9-1)，所述第二固定环(9)上且位于第二通孔(9-1)的一周开设有用于与多个拱形弹性梁(3) —一对应连接的多个第二连接孔(9-2)。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:所述拱形弹性梁(3)的数量为八个，八个所述拱形弹性梁(3)绕所述光纤(5)均匀布设。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅式湿度传感结构，其特征在于:所述刚性壳体(I)为钢制壳体。
【专利摘要】本实用新型公开了一种光纤光栅式湿度传感结构，包括刚性壳体和光纤，刚性壳体为橄榄球形，刚性壳体上开设有多个进水孔，光纤上刻有布拉格光栅，光纤上固定有第一固定环和第二固定环，光纤的一端从刚性壳体的一端伸出且通过光纤耦合器连接有光源，光纤的另一端伸出刚性壳体的另一端，刚性壳体内设置有多个拱形弹性梁以及包覆在多个所述拱形弹性梁外侧的弹性薄膜，拱形弹性梁的一端固定在第一固定环上，拱形弹性梁的另一端固定在第二固定环上，刚性壳体与弹性薄膜之间的空腔内填充有吸水材料。该湿度传感结构的结构紧凑,通过测量波长漂移量的变化来获得相应的湿度,体积小，测量精度高，抗干扰抗腐蚀，适合嵌入式，分布式智能检测。
【IPC分类】G01N21-17
【公开号】CN204287026
【申请号】CN201420858997
【发明人】张渤
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月30日