专利名称：一种光纤光栅传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅传感器，是借助光纤和光纤光栅进行探测湿度变化的传感 器，属于传感技术领域。
背景技术：
湿度的测量在工农业生产和日常生活中应用非常广泛，如农业生产的温室环境，烟 草、茶叶、木材加工的干燥过程，制药车间、医院、手术室、细菌培养室等人工环境， 博物馆、图书馆、档案室、实验室、机房等重要场所都需要进行湿度测量和控制。尤其 在矿井环境中，水层对岩石的渗透容易引发坍塌，通过对环境湿度变化的监测，可有效 地避免此类矿难的发生。
目前最常用的湿度测量仪器是干湿球湿度计，利用湿球水分蒸发吸收潜热大于干 球，使得湿球附近温度低于干球附近温度，根据温度差获得相对湿度值。但为了正确地 得到湿球温度，湿球附近空气应有足够的风速。同时该方法很难实现数字化远距离传输 结果，无法满足很多生产生活的实际需要。

发明内容
本发明的目的是制定一种使用光纤光栅(如布拉格光栅)的传感器，以避免上述缺陷。 为此，本发明提出了一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波 器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测湿度变化的光纤光栅，其特征在于-一该光纤光栅表面镀有一层聚酰亚胺，
一固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其 允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带 有预设波长差值，
一宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，探测光通过固定波长的滤波器后， 只有上述的一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测湿度变化达到一定量值时，位于 测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择 性作用波长带，至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量 点处的光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的 反射或耗散，即通过固定波长滤波器的光信号减少，探测器探测到光信号有明显的变化， 从而探测到所述湿度的变化。
本发明是探测受监测湿度变化的一种光纤光栅传感器，是在光纤光栅表面镀有一层聚 酰亚胺，其厚度为20-50微米，当聚酰亚胺吸收或释放水蒸气并使其自身发生变形时，光 纤光栅也随之改变，从而使光纤光栅发生轴向应变，导致光纤光栅选择性作用波长带位置 漂移。如果在一个镀有聚酷亚胺的光纤光栅附近的受监测的湿度发生了变化，且发生的变 化达到了我们关心的程度，这时光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了预设波长差值， 从而使该选择性作用波长带至少覆盖了可以通过固定波长滤波器的波长带的一部分，这 时，该测量点处的光纤光栅就对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号 产生了一定的反射或耗散，探测器检测到透射光的变化，这说明有应力存在，从而可探测 到相应湿度的变化。
在实际工程中，我们常常只需要获取一部分湿度变化的数据，就可以达到我们的目标，如在一个需要监测湿度的现场中的湿度报警系统中，对在65%RH至75%RH之间时的湿 度状态我们不是迫切需要了解，我们只需设定一个监测报警湿度，如60%RH，然后测量 出该光纤光栅在60%RH时的选择性作用波长带并选取一个波长作为固定波长的滤波器的 通过波长，所述光纤光栅在70。/。RH时，其反射的光信号的波长带与安装的固定波长的滤 波器允许通过的波长带有波长差，这时探测器可以探测到光信号，将该传感器安装在监测 的地方，在通常情况下，环境湿度在65%胆至75%胆之间时，其反射的光信号的波长 带与安装的固定波长的滤波器允许通过的波长带有波长差，这时探测器可以探测到光信 号，只有当测量点处的湿度接近或达到60MRH时，该测量点处的光纤光栅选择性作用波 长带就会漂移并与固定波长的滤波器允许通过的波长带交叉重叠，从而对固定波长的滤波 器允许通过的探测光信号产生相当的反射或耗散，这时，探测器上会监测到透过光信号的 强度的明显的变化，从而触发了湿度报警条件，达到了监测的目的。
在实际工程条件下，仅监测湿度的一个量值常常是不够的，所以可以设置多个固定波 长的滤波器，其允许不同的光波长带通过，且其允许通过的波长带都不在光纤光栅的选择 性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有不同的预设波长差值，从而可以探测出 测量点处湿度变化的多个量值，同时就可以看出测量点湿度变化的趋势，以便更好的监测。
可以在一根光纤上的多个测量点分别设置多个光纤光栅，且光纤光栅具有基本相同的 选择性作用波长带，从而测量多个点的湿度的变化。


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图1是表示一个布拉格光栅的反射光谱、 一个固定波长的滤波器允许通过的光谱及两 者的关系图2是表示一个长周期光纤光栅的透射光谱、 一个固定波长的滤波器允许通过的光谱 及两者的关系图3是表示有关本发明的第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图； 图4是表示有关本发明的第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图； 图5是表示有关本发明的第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图中 3—宽带光源，
4一光分路器，
5， 5a， 5b， 5n —镀有聚酰亚胺的光纤光栅， 6， 6a， 6b， 6n—光探测器， 7 —光纤，
10， 10a， 10b， 10n—固定波长的滤波器。
具体实施例方式
图1中的曲线1示意性地表示了一个布拉格光栅的反射光谱，A i和入2分别是该布拉 格光栅反射波长的下限和上限波长，在这两个波长内所有的波长都是布拉格光栅可以反射 的波长，这里称为反射波长带。曲线2示意性地表示了一个固定波长的滤波器允许通过的
光谱，入3和、分别是该波长带的下沿和上沿波长，入2和入3之间的距离就是所述的预设
波长差。
图2中的曲线11示意性地表示了一个长周期光纤光栅的透射光谱，X t和入2分别是 该长周期光纤光栅耦合衰减波长的下限和上限波长，长周期光纤光栅对在这两个波长内 所有的波长都是有衰减的，这里称为耗散波长带。曲线2示意性地表示了一个固定波长 的滤波器允许通过的光谱，入3和、分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，入2和入3
4之间的距离就是所述的预设波长差。 第一实施方式
图3是表示第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第一实施方式的光纤光栅 传感器由宽带光源3、光探测器6、固定波长的滤波器10、位于测量点处用于监测湿度 变化的镀有聚酰亚胺的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。
固定波长的滤波器10允许通过的波长带与光纤光栅5的反射波长带有一个预设的差 值，从宽带光源3输出的探测光信号通过光纤7，而达到光纤光栅5，光纤光栅5对宽带 光源3注入的探测光信号有一窄带光反射，在被监测湿度无变化或变化未达到我们关心 的程度时，反射光信号的波长不在固定波长的滤波器10允许通过的波长带内，即这时宽 带光源中必有一窄光信号通过固定波长的滤波器IO，到达探测器；当被监测点的湿度变 化到我们关心的程度时，位于所述测量点的光纤光栅5的反射波长带至少漂移了所述的 预设波长差值，即该测量点处的光纤光栅反射波长带就与固定波长的滤波器允许通过的 波长带有交叉重叠，此时，会至少有一部分能通过固定波长的滤波器的光信号被反射掉， 这时通过固定波长的滤波器的光信号减少，探测器上会监测到明显的光信号变化，从而 检测到湿度的变化。
第二实施方式
图4是表示第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第二实施方式的光纤光栅 传感器由宽带光源3、光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n、光分路器4、固定波长 的滤波器10a、固定波长的滤波器10b、固定波长的滤波器10n、位于测量点用于监测湿 度变化的镀有聚酰亚胺的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。
从宽带光源3输出的探测光信号，光纤光栅5对宽带光源3注入的探测光信号有一 窄带光反射，透射的光信号经过光分路器4和光纤7到达固定波长的滤波器10a、固定 波长的滤波器10b和固定波长的滤波器10n，固定波长的滤波器10a、固定波长的滤波器 10b、固定波长的滤波器10n有不同的允许通过的波长带，并与光纤光栅5的反射波长带 有不同的预设差值，被监测湿度的变化会引起光纤光栅5的反射波长带的漂移，当反射 波长带漂移了不同的预设波长差值时，光探测器6a、光探测器6b、光探测器6n会探测 到明显的光信号，我们就可以检测到湿度变化的多个量值。
第三实施方式
图5是表示第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第三实施方式的光纤光栅 传感器由宽带光源3、固定波长的滤波器10、光探测器6、位于测量点用于监测湿度变 化的镀有聚酰亚胺的光纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n、以及光纤7构成。各部 件之间以光纤连接。
从宽带光源3输出的探测光信号，通过光纤7，而达到具有基本相同反射波长带的光 纤光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n，固定波长的滤波器10允许通过的波长带与光纤 光栅5a、光纤光栅5b、光纤光栅5n的反射波长带有一个预设的差值，当位于某个测量 点的被监测湿度的变化引起光纤光栅的反射波长带的漂移，且反射波长带漂移了所述的 预设波长差值时，就会有一部分通过固定波长的滤波器10的光信号被反射掉，这样通过 固定波长的滤波器10进入到光探测器6的光信号减少，从而我们就可以检测到湿度的变 化。
可见，根据本发明的探测的方法比现有技术的方法简单。
当然，本发明并不限于前面所介绍的实施方式，我们可以将整个装置用另一种等价装 置代替，而不超出本发明的范围。
权利要求
1. 一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测湿度变化的光纤光栅，其特征在于—该光纤光栅表面镀有一层聚酰亚胺，—固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，—宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，探测光通过固定波长的滤波器后，只有上述的一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测湿度变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带，至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的反射或耗散，即通过固定波长滤波器的光信号减少，探测器探测到光信号有明显的变化，从而探测到所述湿度的变化。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于可以设置多个固定波长的滤 波器，其允许不同的光波长带通过,且其允许通过的波长带都不在光纤光栅的反射波长带内， 并与所述的反射波长带有不同的预设波长差值，从而可以探测出测量点处湿度变化的多个量 值。
3. 根据权利要求1或2所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于可以在一根光纤上的多 个测量点分别设置多个光纤光栅，且这些光纤光栅具有基本相同的反射波长带。
全文摘要
本发明涉及一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和光纤光栅，其特征在于该光纤光栅表面镀有一层聚酰亚胺，固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，宽带光源注入的探测光通过固定波长的滤波器后，只有一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测湿度变化达到一定量值时，光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，这时，光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了反射或耗散，探测器探测到光信号的变化，从而探测到湿度的变化。
文档编号G01B11/16GK101424623SQ20081023223
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者兵 杜 申请人:西安金和光学科技有限公司