文档介绍：基于光纤光栅的分布式温湿度
测量系统
马晓春1,2,梁芳1
(,乌鲁木齐 830011;,北京 100084;)
摘要:设计了分布式光纤光栅温湿度同时测量系统,光源为时钟脉冲宽带光源,结合时分和波分复用技术解决光纤光栅传感网络的复用寻址问题, 以光纤光栅为基础,以改性PI薄膜为湿敏涂层,提出了一种非电量温湿度传感器。采用阵列波导光栅技术对传感信号进行解调,通过理论分析证实了系统方案的可行性。系统对温湿度的测量范围(20~80)℃、(10~90)%RH测量范围内实现精度为±℃和±5%RH的实时测量。
关键词:温湿度测量光纤光栅分布式
0 引言
相对湿度对于工业中腐蚀检测,农业中的粮食仓储是一个很重要的参数,传统的相对湿度测量方法具有电磁干扰,以及在高湿度范围内难以测量的缺点;为发挥非电量湿度传感器的抗电磁干扰、阻燃、,防爆等优势,解决石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆环境中进行温湿度测量与控制的难题,促使人们去研究新型非电量湿度传感器【1】。本文以改性聚酰亚胺(PI)湿敏薄膜为光纤光栅( FBG) 涂覆层,构成光纤光栅型温湿度传感器。
1 传感器原理
光纤光栅型温湿度传感器主要由对温湿度敏感的FBG1和仅对温度敏感的FBG2 所组成【2-4】,如图1. 外包湿敏薄膜(PI)的FBG1 同时敏感测量现场的温度变化量ΔT 和相对湿度变化量ΔH, 而无(PI)湿敏涂层的FBG2 仅敏感温度变化量ΔT , 进而转变为中心波长λB1、λB2的位移ΔλB1 、ΔλB2 ,然后由ΔλB1 、ΔλB2通过数学运算即可同时得出温湿度变化的具体数值。
图1 光纤光栅型温湿度传感器结构
Fig. 1 Structure of the FBGtemperature and relative humidity
根据耦合模理论,FBG反射波长满足下式:
式中为FBG的有效折射率, 为FBGi的光栅周期。等式右边的第一项为由相对湿度变化量ΔRH引起的弹光效应和温度变化量ΔT 引起的热光效应共同作用的结果;第二项为ΔRH和热膨胀引起的FBG轴向应变之和。
由于湿敏涂覆层和光纤之间相互约束,ΔRH引起FBG1 的轴向应变为自由状态下的轴向应变与约束应变之差,由弹性理论可得:
式中, , 分别为湿敏薄膜的湿膨胀系数、泊松比和弹性模量; , 分别为湿敏薄膜和光纤包层横截面半径。考虑弹光效应、热光效应及热膨胀效应,FBG1 的反射波长的相对变化量可表示为:
式中, 分别为光纤有效弹光系数和热光系数; , 分别为湿敏薄膜及光纤的线膨胀系数; , 分别为FBG1的温度和相对湿度灵敏度系数。
对于温度敏感FBG2而言,由于, 其谐振波长相对位移值可表示为
式中KT2为FBG2的温度灵敏度系数1 求解由式(4) 、式(5) 组成的方程组,即可同时得出相对湿度变化值ΔH 和温度变化值ΔT。
2 分布式光纤光栅温湿度测量系统
分布式光纤光栅应变和温度同时测量系统如图2所示,由脉冲宽带光源发出的脉冲光,通过3dB耦合器后,到达延时开关【5】。它是脉冲光进入传感光栅的门户。延时开关对它所连接的两个通路依次轮流进行选通,以保证各个脉冲光在到达延时开关时,都会有一个通道处于被选通状态,从而使脉冲光能够顺利进入