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1、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(1.新疆计量测试研究院，乌鲁木齐830011；2.清华大学自动化系，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±0.2℃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
2、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）
3、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 StructureoftheFBGtemperatureandrelativehumidity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F
4、BG1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
5、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传感光栅阵列,使整个系统正常工作。系统中,使延时开关与时钟信号的频率保持相同。这样相邻的两个脉冲光会进入不同的通路,完成对不同点的测量。经过延时开关的选通,宽带光入射到传感光纤光栅阵列中。满足布喇格波长匹配条件的光从各个光栅反射回来,被解调系统接收。解调系统采用的是阵列波导光栅(AWG),从AWG阵列各个通路透射出的光照射到各
6、个光电管。此时,光信号转化为电信号。电信号输入到计算机后进行处理,即可以实现对光纤光栅的波长解调,从而实现对温湿度的同时测量。图2分布式光纤光栅温湿度同时测量系统Fig.2DistributedFiberBraggGratingSystemforSimultaneousMeasurementofthetemperatureandrelativehumidity对已有试验结果进行分析,不难看出:在（20～80）℃,10%～90%RH范围内,光纤光栅式湿度传感器的输出功率与温度、湿度变化呈线性关系。光纤光栅式湿度传感器的湿滞回差≤±1.5%,长期稳定性优于电量湿度传感器;动态响应时间小于
7、15s(取决于PI湿敏涂覆层厚度)。主要受FBG解调系统精度和PI湿敏涂覆层厚度均匀性的限制,光纤光栅式湿度传感器的相对湿度和温度测量精度分别为±5%RH和±0.2℃。3结论光纤光栅型温湿度传感器由于采用湿敏线性度好、化学性能稳定的PI改性湿敏薄膜,具有设计灵活、长期稳定性和互换性好、响应速度快的突出优点1此外,FBG传感器固有的测量精度高、本质安全、复用能力强等特点,使该传感器在石油化工、电力、纺织等领域的高温、腐蚀等特殊环境中的多点位、分布式温湿度测量
