光纤温湿度传感器、温湿度传感系统及温湿度解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于微结构光纤和紫外固化胶的光纤温 湿度传感器及其解调方法。

背景技术

近年来，光纤传感技术的飞速发展得到了越来越广泛的关注，与传统的电学传感 器相比，光纤传感器的灵敏度、动态测量范围、响应时间等传感参数都有很大的提升，且本 身体积小重量轻，抗电磁干扰，易实现低成本远距离准分布式传感，因而广泛应用于农业仓 储、机械制造、医药生产、航空航天和国防科技等领域。其中环境湿度，作为生产生活中最基 本且重要的传感参量，对其进行精确解调已成为光纤传感研究领域的热点之一。

基于不同的结构，人们提出了多种光纤湿度传感器方案，如Sens.ActuatorsB Chem.147,385–391(2010)和IEEESensorsJ,13(5),2026-2031(2013)这两篇文章所提出 的，基于光纤干涉仪结构结合湿度膜材料的传感器设计方案，湿度膜材料折射率的变化，引 起干涉仪干涉波长的漂移，从而解调出湿度信息；又如Appl.Opt.52(1),90-95(2012)和 IEEEPhoton.Tech.Lett.21(7),441-443(2009)所提出的分别基于湿度膜修饰的长周期光 栅和倾斜光栅结构的湿度传感器，湿度膜材料折射率的变化，引起长周期光栅波长的漂移 或者是倾斜光栅包层谐振模式的能量衰减，从而解调出湿度信息。但这些方案都基于透射 光谱，同时存在较大的温度或者应力交叉敏感问题，限制了实际的应用领域，特别是分布式 传感的可行性。另一方面，由于相对湿度是温度的函数，温度的改变会对湿度值产生较大影 响，在实际应用场合，同时给出温度和湿度信息才有意义。因此实现对环境温度和湿度的同 时测量，并易于分布式组网的光纤传感器方案显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有光纤湿度传感技术中，缺乏有效的温湿度同时检测手 段，并且分布式组网能力不强的不足，提供了一种基于微结构光纤和紫外固化胶的光纤温 湿度传感器及利用快速傅里叶变换分析的传感解调方法。本发明具备集成度高，测量准确， 灵敏度，响应速度快，抗电磁干扰等特点，不仅适于单点温湿度测量，也可实现多点准分布 式温湿度监控。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤温湿度传感器，它主要由 单模光纤、四叶草微结构光纤、紫外固化胶层三部分组成；四叶草微结构光纤一端与单模光 纤熔接，熔接处形成第一反射面；四叶草微结构光纤另一端通过点胶并固化的方式制备紫 外固化胶层，四叶草微结构光纤与紫外固化胶层之间形成第二反射面，紫外固化胶层与外 界空气之间形成第三反射面，由三个反射面形成三个F-P腔结构；所述四叶草微结构光纤外 径为125微米，光纤纤芯的内径为11微米，光纤纤芯的周围对称开有四个圆心角为85度，半 径为64微米的扇形空气孔。

一种含有上述光纤温湿度传感器的光纤温湿度传感系统，还包括宽谱光源、光谱 仪、光纤耦合器、数据采集处理器和温湿度控制箱；光纤耦合器的两个分路端分别与宽谱光 源和光谱仪进行连接，光纤耦合器的合路端与光纤温湿度传感器相连，光纤温湿度传感器 置于温湿度控制箱中，进行温湿度测试；数据采集处理器与光谱仪相连。

一种基于上述光纤温湿度传感系统的温湿度解调方法，该方法包括以下步骤：

(1)开启宽谱光源，入射光经由光纤耦合器进入光纤温湿度传感器的双F-P腔结 构，经由三个反射面，，依次反射后，再次经过光纤耦合器进入光谱仪接收端，产生干涉光谱 信号，经过数据线被采集进入数据采集处理器，完成FFT过程，获得最终的频谱和相位信息： 由第一反射面和第二反射面所形成的第一F-P腔的特征频率为ξ₁、光波相位项为由第二 反射面和第三反射面所形成的第二F-P腔的特征频率为ξ₂、相位项为由第一反射面和第 三反射面所形成的第三F-P腔的特征频率为ξ₃、相位项为

(2)由于紫外固化胶有吸水性，环境湿度的变化会引起紫外固化胶的膨胀或收缩， 折射率减小或增大，从而使和发生变化；而环境温度的变化会同时引起光纤和紫外固 化胶的膨胀或收缩，以及折射率的改变，从而引起和同时变化；通过数据采集处理 器检测和的变化，根据以下公式，可以同时得到环境的湿度和温度信息：

$\left(\begin{array}{c}\Delta RH\\ \Delta T\end{array}\right)=\frac{1}{\left|k_{RH1}{k}_{T3}-k_{T1}{k}_{RH3}\right|}\times \left(\begin{array}{cc}{k}_{T3}& -k_{T1}\\ -k_{RH3}& k_{RH1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \phi }}_1\\ {\mathrm{\Delta \phi }}_3\end{array}\right)$

式中，k_RH1和k_RH3分别是和的湿度灵敏系数，k_T1和k_T3分别是和的温度灵敏 系数，Δφ₁和Δφ₃分别是和的变化量。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明提出的基于微结构光纤和紫外固化胶的温湿度传感器是光纤反射式结 构，具有结构紧凑、体积小、抗电磁干扰等特点，尤其在大范围、远距离、恶劣环境下易于实 现多点准分布式光纤传感。

2、本发明提出的温湿度解调方法是基于频率信息进行的，通过对光谱进行傅里叶 变换得到相位信息，实现温湿度传感信息解调。与传统的光谱波长、强度等解调方法相比， 具有更高的灵敏度，且对干涉式的准分布式传感而言，多个传感头的反射信息叠加后形成 的光谱杂乱，很难提取波长、强度变化信息，而在频域中进行分析时，不同腔长对应的特征 频率可以很容易分开和提取，方便传感信息的解调，优势明显。

3、由于相对湿度是温度的函数，实际应用场合要给出某个温度下的湿度信息才有 意义。本发明提出的基于微结构光纤和紫外固化胶的光纤温湿度传感器是双F-P腔结构，可 以同时解调温度和湿度信息，从而可以满足实际应用层面对湿度的精确传感要求。

附图说明

图1是本发明中所使用的四叶草微结构光纤截面示意图；

图2是本发明的基于四叶草微结构光纤和紫外固化胶的光纤温湿度传感器的结构 示意图；

图3是本发明的温湿度传感系统示意图；

图4是基于本发明的传感器样品测试频谱图；

图5是基于图4中所用传感器样品的温湿度传感系统的湿度响应测量结果图；

图6是基于图4中所用传感器样品的温湿度传感系统的温度响应测量结果图。

具体实施方式

本发明是基于在普通单模光纤上熔接一段四叶草微结构光纤并在其后制备紫外 固化胶层形成复合F-P腔的结构。其原理是由于不同湿度和温度会改变相应F-P腔的有效腔 长，导致其中光波相位的变化，通过同时探测多个不同腔长对应特征频率下光波相位的变 化量，联立求解可以解调出温度和湿度多参量信息。

具体来讲，本发明中所用的紫外固化胶具有吸水性，吸水后折射率变小，因此当外 界湿度发生变化时，紫外固化胶单独形成的F-P腔、紫外固化胶和四叶草微结构光纤共同形 成的复合F-P腔的有效腔长都会发生变化，对光谱傅里叶变换后，相应特征频率的相位量会 随着湿度变化而变化；而四叶草微结构光纤所形成的F-P腔不受湿度变化影响，因此傅里叶 变换后其对应特征频率的相位量将保持恒定。对于温度变化来讲，受材料的热膨胀效应和 热光效应作用，三个F-P腔的有效腔长均会受到温度影响，因此傅里叶变换后其对应特征频 率的相位量都会随着温度的变化而变化。由于不同材料的热膨胀系数和热光系数存在差 异，不同F-P腔的温度响应也大不相同。因此任选两个F-P腔，通过对应的两个特征频率下相 位对温度和湿度的不同响应，利用矩阵法就可以实现对环境温、湿度的同时监测。

根据多光束干涉理论，三个反射面1、2和3反射的总光强可以表述为：

式(1)中，I₁，I₂，I₃为三个反射面的反射光强，n₁，n₂分别为四叶草微结构光纤芯层 模式有效折射率和紫外固化胶的折射率，分别为三个反射面位置光波的初始 相位。对光谱图进行FFT变换，可以得到频域信息。由于有三个反射面，因此可形成三个FP 腔，对应频域谱的三个特征频率：ξ₁＝2n₁l，ξ₂＝2n₂t，ξ₃＝ξ₁+ξ₂＝2(n₁l+n₂t)。若用波数 来进行代换，则三个特征频率所对应的相位项可以表示为：

对(1)式进行傅里叶变换，可得F(ξ_i)＝∑A_n(ξ_i)δ(ξ_i)，i＝1,2,3。由于 可知的范围是(-π,π)，因此当相位达到-π或π时会发 生2π的跳变，可通过(m为整数)进行相位展开(phase-unwrapped)，保证相 位随传感量的单调变化。

由于紫外固化胶和四叶草微结构光纤的长度和折射率都会随温度发生改变，当温 度变化时，存在以下关系式：

$\frac{\partial {\Phi }_1}{\partial T}=2\pi u\frac{\partial \left({\xi }_1\right)}{\partial T}=4\pi u\frac{\partial \left(n_{1}l\right)}{\partial T}---\left(5\right)$

$\frac{\partial {\Phi }_2}{\partial T}=2\pi u\frac{\partial \left({\xi }_2\right)}{\partial T}=4\pi u\frac{\partial \left(n_{2}t\right)}{\partial T}---\left(6\right)$

$\frac{\partial {\Phi }_3}{\partial T}=2\pi u\frac{\partial \left({\xi }_3\right)}{\partial T}=4\pi u[\frac{\partial \left(n_{1}l\right)}{\partial T}+\frac{\partial \left(n_{2}t\right)}{\partial T}]---\left(7\right)$

因而可分别得到Φ₁，Φ₂，Φ₃的温度灵敏度k_T1，k_T2，k_T3。

由于紫外固化胶有吸水性，对湿度敏感，当外界环境湿度改变时，紫外固化胶的腔 长、折射率均发生改变；而四叶草光纤对湿度不敏感，腔长和折射率不随湿度变化，即 则当湿度变化时，存在以下关系式：

$\frac{\partial {\Phi }_1}{\partial RH}=2\pi u\frac{\partial \left({\xi }_1\right)}{\partial RH}=0---\left(18\right)$

$\frac{\partial {\Phi }_2}{\partial RH}=2\pi u\frac{\partial \left({\xi }_2\right)}{\partial RH}=4\pi u\frac{\partial \left(n_{2}t\right)}{\partial RH}---\left(9\right)$

$\frac{\partial {\Phi }_3}{\partial RH}=2\pi u\frac{\partial \left({\xi }_3\right)}{\partial RH}=4\pi u\frac{\partial \left(n_{2}t\right)}{\partial RH}---\left(10\right)$

因此，由以上关系式可知，Φ₁对湿度不敏感，即k_RH1≈0，可利用它来解调环境温度 信息；Φ₂，Φ₃都对湿度敏感，且湿度灵敏度相同，即k_RH2＝k_RH3，两者任选其一都可用来解调 环境湿度信息。

以Φ₁，Φ₃为例，两个相位变化量与湿度和温度变化存在以下矩阵关系：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \phi }}_1\\ {\mathrm{\Delta \phi }}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{k}_{RH1}& k_{T1}\\ k_{RH3}& k_{T3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\Delta RH\\ \Delta T\end{array}\right)---\left(11\right)$

通过对上述矩阵求解可以得到相应的湿度和温度变化：

$\left(\begin{array}{c}\Delta RH\\ \Delta T\end{array}\right)=\frac{1}{\left|k_{RH1}{k}_{T3}-k_{T1}{k}_{RH3}\right|}\times \left(\begin{array}{cc}{k}_{T3}& -k_{T1}\\ -k_{RH3}& k_{RH1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \phi }}_1\\ {\mathrm{\Delta \phi }}_3\end{array}\right)---\left(12\right)$

从而实现对环境湿度和温度的同时监测。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。

附图1给出了本发明中所用的四叶草微结构光纤截面示意图。此种光纤的外径与 普通单模光纤相同，均为125微米，光纤纤芯的内径为11微米。由于纤芯4的周围对称分布着 四个圆心角85度，半径64微米的扇形空气孔5，因此命名此种特殊的微结构光纤为四叶草微 结构光纤。

附图2给出了本发明的基于四叶草微结构光纤和紫外固化胶的光纤温湿度传感器 的结构示意图，它主要由单模光纤1、四叶草微结构光纤2、紫外固化胶层3三部分组成。单模 光纤1和四叶草光纤2利用光纤熔接机进行熔接，由于四叶草微结构光纤纤芯4的直径为11 微米，与单模光纤芯层直径失配，因此此处形成一个第一反射面6。显微镜下，通过点胶的方 式在四叶草微结构光纤2后端制备紫外固化胶层3，并在紫外固化灯下进行固化，形成四叶 草微结构光纤2与紫外固化胶层3之间的第二反射面7，以及紫外固化胶层3与空气之间的第 三反射面8。由三个反射面6，7，8形成的三个F-P腔结构，最终构成本发明的光纤F-P型温湿 度传感器。

如附图3所示，利用上述光纤温湿度传感器13的温湿度传感系统包括宽谱光源10、 光纤耦合器12、光谱仪11、数据采集处理器15以及温湿度控制箱14。首先将光纤耦合器12的 两个分路端12-1,12-2分别与宽谱光源10和光谱仪11进行连接，再将光纤耦合器12的合路 端12-3与光纤温湿度传感器13相连，最后将光纤温湿度传感器13放入温湿度控制箱14中， 进行温湿度测试，再将光谱仪11接收到的光谱信息传输到数据采集处理器15中进行数据分 析得到各F-P腔的温湿度灵敏度。

按上述的光纤温湿度传感器，四叶草微结构光纤2长度在150微米左右，紫外固化 胶层3的厚度在几十微米量级，具体可根据对形成的复合F-P腔反射谱快速傅里叶变换 (FFT)后空间频率的实际要求，通过调整四叶草微微结构光纤2的长度以及紫外固化胶层3 的点胶厚度，来设计复合F-P腔的不同腔长比例。

实施例：

对某一传感样品进行温湿度测试，通过对得到的反射光谱进行傅里叶变换得到附 图4所示的频域谱信息，三个F-P腔对应三个特征频率，由于特征频率的大小正比于F-P腔 长，因此三个谱峰从左到右依次对应紫外固化胶层3、四叶草微结构光纤2和复合F-P腔(紫 外固化胶层3的长度小于四叶草微结构光纤2的长度)。任选两个峰的相位信息作为温湿度 解调的依据，此处以后两个峰为例。

利用温湿度控制箱保持环境温度在21℃，以5％为调节单位，将相对湿度从15％逐 渐提高至90％，分别记录每个湿度下的光谱信息，并进行傅里叶变换，得到附图5所示的两 个F-P腔的相位变化，通过对绘制的相位-温度曲线进行直线拟合，并计算直线斜率可知四 叶草微结构光纤F-P腔相位的湿度灵敏度k_RH1≈0,复合F-P腔相位的湿度灵敏度k_RH3＝ 0.025rad/％RH。

利用温湿度控制箱保持环境湿度在30％，以5℃为调节单位，将温度从30℃逐渐提 高至55℃，分别记录每个温度下的光谱信息，并进行傅里叶变换，得到附图6所示的两个F-P 腔的相位变化，通过对绘制的相位-温度曲线进行直线拟合，并计算直线斜率可知四叶草微 结构光纤F-P腔相位的温度灵敏度k_T1＝0.018rad/℃,复合F-P腔相位的温度灵敏度k_T3＝ 0.065rad/℃。

最后，将这两个F-P腔的四个温湿度灵敏度代入(12)式中，通过相位变化，求解如 下矩阵式(13)就可以实现对环境湿度和温度的同时解调：

$\left(\begin{array}{c}\Delta RH\\ \Delta T\end{array}\right)=\frac{1}{0.00117}\times \left(\begin{array}{cc}0.065& -0.018\\ -0.025& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \phi }}_1\\ {\mathrm{\Delta \phi }}_3\end{array}\right)---\left(13\right).$