[发明专利]一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。

背景技术

环境的干湿程度称为“湿度”，航空航天、发电变电、纺织、食品、医药和仓储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进行正常生产、生活的前提。湿度大小常用绝对湿度、相对湿度等物理量来衡量。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，它的极限是饱和状态下的最高湿度，绝对湿度与热力学温度成反比；相对湿度是绝对湿度与最高湿度的比值，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度，温度每变化1℃将产生5％RH的湿度变化。因此在对湿度进行监测时也要同时对温度进行监测。

与本发明最为接近的湿度传感器是“气体湿度传感器”（参见文献：徐定杰，“气体湿度传感器”，实用新型专利说明书，1998年8月26日，授权公告号：CN2289238Y，专利号：96206614.1）。该技术利用湿度变化引起毛发伸缩使金属片与涡流传感器的间隙发生变化来对湿度进行监测。由于采用了涡流传感器，该湿度传感器在易燃、易爆等场合的使用受到限制，且该传感器没有涉及对温度的同时测量。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器及其使用方法，以用于解决传感器在易燃、易爆等场合的使用受到限制、环境温湿度的同时在线监测问题。

本发明的技术方案是：一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器，包括调节螺钉1、支架2、固定螺丝3、光纤Bragg光栅4、等强度悬臂梁5、毛发束6、毛发钩7、连接体8；其中等强度悬臂梁5固定端通过固定螺丝3固定在支架2内侧，等强度悬臂梁5自由端通过连接体8与毛发束6的一端相连，毛发束6另一端通过连接体8固定在毛发钩7上，毛发钩7与支架2的底座连成一体，通过支架2底部设有的调节螺钉1对毛发束6的受力进行调节，粘贴在等强度悬臂梁5上、下表面对称中心线上同一型号的光纤Bragg光栅4与信号处理装置连接。

所述毛发束6一端穿过连接体8上的毛发孔后沿顺时针方向缠绕在连接体8上并用粘结剂固定。 

一种基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器的使用方法，首先根据信号处理装置分析光纤Bragg光栅4反射的波长的移位，再通过光纤Bragg光栅4的波长移位量与温度变化量的关系式                                               计算出环境的温度并通过光纤Bragg光栅4的波长移位量与相对湿度的关系式计算出环境的相对湿度；式中：和分别为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位，S_T为温度敏感系数，为中心波长；为应变敏感系数，h为等强度悬臂梁5的厚度，L₀为等强度悬臂梁5的长度，n为毛发束6中毛发的根数，E₁为毛发的弹性模量，r为单根毛发的半径，L为毛发束6中毛发的长度，E₂为等强度悬臂梁5的弹性模量，b₀为等强度悬臂梁5固定端的宽度，为等强度悬臂梁5上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅4的波长移位差值。

本发明的工作原理是：

将对环境湿度的监测转化为对光纤Bragg光栅4的波长调制，并采用差动式温度补偿法来消除温度对湿度测量结果的影响，从而实现对环境温、湿度的测量：

基于光纤Bragg光栅的毛发温湿度传感器使用方法的测量原理是：当环境湿度降低时毛发束6收缩△L，毛发束6由于收缩而产生弹性拉力，毛发束6在受弹性拉力产生弹性伸长量△x的同时也将力传递到等强度悬臂梁5的自由端，等强度悬臂梁5的自由端受力产生大小为△d的挠度变化，带动粘贴在等强度悬臂梁5表面的光纤Bragg光栅4发生波长移位。相对湿度RH与毛发收缩量△L的关系为：

                                               （1）

式中：L为毛发束6中毛发的长度。

毛发束6的弹性伸长量△x与其受到的弹性拉力F₁的关系为：

                                                （2）