本發(fā)明涉及一種光纖光柵濕度傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

濕度是生產(chǎn)生活中重要的環(huán)境物理參數(shù)，直接影響工程材料的特性功能及重要物資的安全保障。各種類型的濕度傳感器被廣泛地應(yīng)用于眾多環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如工業(yè)控制、醫(yī)藥生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植、氣象探測(cè)以及食品存儲(chǔ)等。在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)濕度的快速、準(zhǔn)確的測(cè)量具有重要意義。為了滿足這些應(yīng)用需求，市場(chǎng)上已有很多成熟的電子式濕度傳感器產(chǎn)品，如電阻式濕度傳感器和電容式濕度傳感器。雖然電子式濕度傳感器具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性及互換性較差，并且在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合(例如強(qiáng)電磁環(huán)境、油氣檢測(cè)環(huán)境)中會(huì)失效，甚至引發(fā)安全事故。

光纖光柵濕度傳感器是一種新型無源傳感裝置，通過高靈敏光纖光柵傳感器與聚合物薄膜濕敏功能材料的結(jié)合，將濕度參量變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光柵的應(yīng)力變化，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器對(duì)濕度變化的測(cè)量。與傳統(tǒng)電子式濕度傳感器相比，光纖光柵濕度傳感器具有體積小、重量輕、電無源、電磁免疫等優(yōu)勢(shì)，能夠本質(zhì)上解決易燃易爆等電磁危險(xiǎn)環(huán)境中的濕度測(cè)量難題。

基于光纖光柵和聚合物濕敏材料的濕度傳感技術(shù)目前主要采用柵區(qū)涂覆以及制膜覆蓋的方式，將功能材料直接作用于光纖光柵并實(shí)現(xiàn)濕度參量的感知與傳遞。上述方式提升了光纖光柵對(duì)濕度變化的響應(yīng)，但該類傳感器仍存在有待解決的問題包括：傳感器動(dòng)態(tài)范圍過小濕度響應(yīng)范圍有限；受限于光纖直徑，材料涂覆層厚度過厚制約了傳感器的響應(yīng)速度；材料應(yīng)力不均及邊緣翹曲引起光柵的啁啾效應(yīng)，影響傳感器監(jiān)測(cè)精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)實(shí)際應(yīng)用克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種光纖光柵濕度傳感器，采用20mm×50mm聚合物材料薄膜大幅提升了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍及對(duì)濕度的響應(yīng)范圍；濕敏薄膜厚度減至30μm大幅提高傳感器響應(yīng)速度；采用膜柵分離的形式避免薄膜應(yīng)力不均或邊緣翹曲引起的光柵啁啾效應(yīng)，提高傳感器探測(cè)精度。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案包括：

一種光纖光柵濕度傳感器，包括濕度傳感器支架和濕度傳感器；

所述濕度傳感器支架長(zhǎng)度為90mm-110mm，寬度不小于22mm，高度為6mm-9mm，包括寬槽段、窄槽段和連接寬槽段與窄槽段的凹陷段，寬槽段、窄槽段長(zhǎng)度均為10-15mm，凹陷段長(zhǎng)度60-90mm，總體高度不超過6mm；寬槽段上開有寬槽，窄槽段上開有窄槽均作為固定使用，寬槽的表面以及窄槽段表面均為粗糙面；寬槽段和窄槽段的端面上沿槽向的設(shè)置有用于濕度傳感器標(biāo)定的螺紋孔；窄槽段的側(cè)面還設(shè)置有安裝t形膠墊的光孔用于免應(yīng)力固定及減震；凹陷段上設(shè)置有通風(fēng)孔用于加強(qiáng)氣體對(duì)流和減重孔用于減小結(jié)構(gòu)熱容避免熱遲滯。

濕度傳感器包括薄膜、輕質(zhì)連接片和刻有光柵的光纖；

所述薄膜采用濕敏聚合物材料，其長(zhǎng)度為45mm-65mm，寬度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜寬度與寬槽凈寬匹配。

所述輕質(zhì)連接片采用的是表面噴砂的三角形薄鋁片，鋁片厚度小于0.5mm，寬度為20mm-22mm與薄膜寬度匹配。

所述刻有光柵的光纖為直徑125μm丙烯酸酯涂層標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，光柵長(zhǎng)度為6-10mm，其與窄槽、輕質(zhì)連接片的粘接區(qū)域均為裸纖粘接。

薄膜的一端粘接在寬槽上，另一端通過輕質(zhì)連接片與帶有光柵的光纖連接，光纖的另一端粘接在窄槽內(nèi)。聚合物材料薄膜在環(huán)境濕度變化時(shí)會(huì)膨脹或收縮引起應(yīng)力變化，并通過輕質(zhì)連接片傳遞至光纖光柵引起其中心波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)光柵對(duì)環(huán)境濕度變化的感知。特制輕質(zhì)連接片將光纖光柵與薄膜點(diǎn)線連接，確保薄膜產(chǎn)生的應(yīng)力真實(shí)、準(zhǔn)確地傳遞至光柵。光纖光柵在受軸向應(yīng)力作用的情況下，柵格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸縮導(dǎo)致光柵周期變化最終反映為中心波長(zhǎng)的變化。利用光柵中心波長(zhǎng)與相對(duì)濕度的映射關(guān)系，解調(diào)獲取待測(cè)環(huán)境的相對(duì)濕度值。

所述薄膜與寬槽之間、光纖與窄槽之間、薄膜與連接片之間、連接片與刻有光柵的光纖之間均通過紫外固化膠粘接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵濕度傳感器具有有益的技術(shù)效果：

(1)采用聚合物材料薄膜大幅提升了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍及對(duì)濕度的響應(yīng)范圍；

(2)通過濕敏薄膜減薄大幅提高傳感器的響應(yīng)速度；

(3)采用膜柵分離的形式避免薄膜應(yīng)力不均或邊緣翹曲引起的光柵啁啾效應(yīng)，提高傳感器探測(cè)精度。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)根據(jù)本發(fā)明的光纖光柵濕度傳感器結(jié)構(gòu)及其封裝裝置做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的傳感器包括濕度傳感器支架11和濕度傳感器12；

所述濕度傳感器支架11包括寬槽段、窄槽段和連接寬槽段與窄槽段的凹陷段。寬槽段上開有寬槽111，窄槽段上開有窄槽112，寬槽段與窄槽段上表面為粗糙面，便于紫外膠固化粘接，防止膠體、薄膜、構(gòu)件分層剝離失效。寬槽段和窄槽段的端面上沿槽向設(shè)置有定位螺紋孔113，用于濕度傳感器12的標(biāo)定；窄槽段的側(cè)面設(shè)置有光孔114，用于安裝側(cè)向免應(yīng)力和減震的t形膠墊。支架凹陷段設(shè)置有通風(fēng)孔115和減重孔116，分別用于加速氣體對(duì)流以及減小結(jié)構(gòu)熱容，以提高傳感器的熱響應(yīng)速率。支架結(jié)構(gòu)整體選用導(dǎo)熱率、強(qiáng)度均較高的金屬材料，在預(yù)置應(yīng)力作用下降低熱滯對(duì)傳感器穩(wěn)定性的影響。

濕度傳感器12包括薄膜121、輕質(zhì)連接片123和刻有光柵的光纖122；

薄膜121的一端粘接在寬槽111的粗糙面上，大面積薄膠層粘接保證了其牢固性；薄膜另一端通過輕質(zhì)連接片123與刻有光柵的光纖122裸纖段粘接，確保應(yīng)變通過連接片真實(shí)、準(zhǔn)確地傳遞至光纖光柵；光纖122的另一端裸纖段粘接在窄槽112內(nèi)，保證傳感器在加載預(yù)置恒定應(yīng)力時(shí)沒有滑動(dòng)松脫。

所述薄膜121與寬槽111之間、光纖122與窄槽112之間、薄膜121與連接片123之間、連接片123與帶有光柵的光纖122之間均通過紫外固化膠粘接。紫外膠兼具良好的力學(xué)強(qiáng)度和防潮特性，保證了傳感器性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

聚合物材料薄膜在環(huán)境濕度變化時(shí)會(huì)膨脹或收縮引起應(yīng)力變化，并通過輕質(zhì)連接片傳遞至光纖光柵引起其中心波長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)光柵對(duì)環(huán)境濕度變化的感知。特制輕質(zhì)連接片將光纖光柵與薄膜點(diǎn)線連接，確保薄膜產(chǎn)生的應(yīng)力真實(shí)、準(zhǔn)確地傳遞至光柵。光纖光柵在受軸向應(yīng)力作用的情況下，柵格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸縮導(dǎo)致光柵周期變化最終反映為中心波長(zhǎng)的變化。利用光柵中心波長(zhǎng)與相對(duì)濕度的映射關(guān)系，解調(diào)獲取待測(cè)環(huán)境的相對(duì)濕度值。

第三部分：實(shí)施例：

本發(fā)明帶有光柵的光纖直徑為125μm，柵區(qū)長(zhǎng)度為6mm-10mm。

薄膜121采用聚合物濕敏材料。

寬槽111的表面以及窄槽段表面均為粗糙面。

濕度傳感器支架11長(zhǎng)度為90mm-110mm，寬度不小于22mm，高度為6mm-9mm，寬槽段和窄槽段高度相同，均不大于6mm，寬槽段和窄槽段長(zhǎng)度相同，均為10mm-20mm。

薄膜121的長(zhǎng)度45mm-65mm，寬度不小于20mm，厚度20μm-30μm，且薄膜121與寬槽111匹配。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例為：

本發(fā)明選用直徑125μm刻有光柵的單模光纖，光柵柵區(qū)長(zhǎng)度為10mm。

薄膜121采用聚合物濕敏材料。

寬槽111、窄槽112以及輕質(zhì)連接片表面均為粗糙面。

濕度傳感器支架11長(zhǎng)度為90mm，寬度為22mm，高度為9mm，寬槽段和窄槽段高度相同，均為6mm，寬槽段和窄槽段長(zhǎng)度相同，均為20mm。

薄膜121的長(zhǎng)度為45mm，寬度為20mm，厚度30μm，且薄膜121與寬槽111匹配。

本發(fā)明提出了一種光纖光柵濕度傳感器，濕度測(cè)量精度約為±3％rh，濕度響應(yīng)速率小于1min，是一種全光無源電磁安全的濕度傳感裝置。