光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)研究

許遠(yuǎn)標(biāo)，魏 鵬

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引言

傳統(tǒng)的電力溫度和濕度傳感器是單點(diǎn)測(cè)量，每個(gè)傳感器都需要兩根導(dǎo)線，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)會(huì)增大組網(wǎng)的困難，增加了系統(tǒng)的整體質(zhì)量，使用上非常的不方便，而且在電磁干擾環(huán)境下測(cè)量誤差增大。光纖光柵溫度和濕度傳感器具有體積小、質(zhì)量輕，抗電磁干擾，化學(xué)性能穩(wěn)定，組網(wǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電類溫濕度傳感器的缺點(diǎn)。

1 光纖光柵工作原理

1.1 光纖光柵溫度和濕度傳感器原理

把一束寬帶光通入光纖光柵中，在特定的條件下光纖光柵會(huì)反射回一束窄帶光，當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，反射光的中心波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)反射光中心波長(zhǎng)變化量從而檢測(cè)出被測(cè)量。

圖1、圖2是光纖光柵結(jié)構(gòu)和工作原理圖。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)圖

圖2 入射光、反射光和透射光

根據(jù)光纖光柵模式耦合原理[1]，光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)滿足以下公式：

λ=2·neff·Λ

(1)

式中：λ為光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)；neff為光纖光柵的有效折射率；Λ為光纖光柵的周期。

由式(1)可知，改變光纖光柵有效折射率和周期的外界環(huán)境都可以改變光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)。

1.2 光纖光柵溫度傳感模型

光纖光柵溫度傳感器測(cè)量被測(cè)物溫度的工作原理[2-4]：當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵溫度傳感器的有效折射率和周期都會(huì)隨著溫度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。由式(1)對(duì)溫度進(jìn)行偏微分得：

(2)

10-6/℃。

所以公式(2)可以化簡(jiǎn)為

(3)

光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)可以表示為

K=α+ξ

(4)

摻雜鍺的石英光纖K≈7.22×10-6/℃，波長(zhǎng)為1 510～1 590 nm波段的裸光纖光柵單位溫度引起光纖光柵波長(zhǎng)的漂移量為10.9～11.5 pm，但是由于光纖中摻雜成分的不一致，光纖光柵的靈敏度就會(huì)有一定的差異，所以要提高測(cè)溫的精度，必須進(jìn)行光纖光柵的溫度標(biāo)定，得到每個(gè)傳感器的溫度靈敏度系數(shù)。

1.3 光纖光柵濕度傳感模型

光纖光柵濕度傳感器是通過(guò)在光纖光柵的柵區(qū)表面上涂覆一層濕度敏感材料[5-9]，利用濕度敏感材料的吸水特性發(fā)生收縮或者膨脹使光柵產(chǎn)生軸向的應(yīng)變，從而導(dǎo)致光柵的有效折射率和周期發(fā)生變化。光纖光柵濕度傳感器對(duì)濕度敏感的同時(shí)也對(duì)溫度敏感，所以光纖光柵濕度傳感器的中心波長(zhǎng)的變化量通常是溫度和濕度共同作用的結(jié)果。由式(1)對(duì)濕度進(jìn)行偏微分得到下列的公式：

(5)

單次照射3 d后，處死大鼠取0.5 cm小腸組織，4%福爾馬林液固定組織，交由病理科制作組織切片，常規(guī)HE染色，顯微鏡下測(cè)量絨毛高度、黏膜厚度。

(6)

式中：KRH=(1-Pe)αRH；KT=α+ξ+(1-Pe)αT。

從式(6)可以看出光纖光柵濕度傳感器的波長(zhǎng)漂移量是溫度和濕度的函數(shù)，所以要想測(cè)量相對(duì)濕度，必須同時(shí)進(jìn)行溫度的檢測(cè)。

2 光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)組成

光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)主要包括寬帶激光光源、光隔離器、耦合器、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)、光纖光柵解調(diào)模塊和上位機(jī)。寬帶激光光源波長(zhǎng)范圍是1 510～1 590 nm，該激光光源掃描功率大、噪聲小、性能穩(wěn)定，根據(jù)波分復(fù)用技術(shù)可知，光源的帶寬越寬，可攜帶的傳感器數(shù)量就越多。采用波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行組建光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，波分復(fù)用技術(shù)編碼簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，適合建立光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。光纖光柵解調(diào)模塊采用F-P腔的解調(diào)原理進(jìn)行解調(diào)，該種波長(zhǎng)解調(diào)方法成熟，解調(diào)模塊體積小，波長(zhǎng)解調(diào)精度高，性能穩(wěn)定，一次掃描解調(diào)的傳感器數(shù)目多，適合多傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)。

搭建的光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)

3 軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW進(jìn)行編寫光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)軟件[10-14]。光纖光柵溫濕度檢測(cè)軟件程序分為解調(diào)儀和上位機(jī)通信的開始界面、參數(shù)設(shè)置、圖表、溫度傳感器曲線、濕度傳感器曲線、溫度直方圖和濕度直方圖共7個(gè)功能模塊。

光纖光柵溫濕檢測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件之間通信整體框架圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

光纖光柵解調(diào)模塊采集的是光纖光柵溫濕度傳感器的中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，所以對(duì)采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)行處理，根據(jù)光纖光柵溫濕度傳感器的工作原理將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

圖5 溫濕度傳感器軟件界面

軟件的界面簡(jiǎn)潔明了，功能齊全。軟件可兼容32位和64位的操作系統(tǒng)，而且對(duì)硬件性能要求低，通用性強(qiáng)。另外，軟件的可擴(kuò)展性好，采用LabVIEW2014圖形化編程語(yǔ)言編寫效率高、周期短，有利于軟件后續(xù)功能的擴(kuò)展和優(yōu)化。

4 溫度和濕度實(shí)驗(yàn)

光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的溫度和濕度實(shí)驗(yàn)是在恒溫恒濕箱中進(jìn)行，以恒溫恒濕箱的溫度和濕度為標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行誤差的校正和系統(tǒng)穩(wěn)定性檢定。

溫度實(shí)驗(yàn)設(shè)定為-10～60 ℃，溫度由-10 ℃向60 ℃增加，溫度的增量為10 ℃，溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后向下個(gè)溫度段運(yùn)行。濕度實(shí)驗(yàn)設(shè)定為40%～95%,濕度由40%向95%增加，濕度的增量是5%，由于恒溫恒濕箱的濕度波動(dòng)大，所以穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，待穩(wěn)定后向下個(gè)濕度段運(yùn)行。

光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)如圖6所示，光纖光柵溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)繪制的溫度變化曲線和恒溫恒濕箱的整個(gè)溫度變化過(guò)程一致。恒溫恒濕箱的溫度在沒(méi)有到達(dá)設(shè)定溫度之前先上升后下降，有一個(gè)超調(diào)的過(guò)程，這是反饋控制的振蕩過(guò)程，當(dāng)恒溫恒濕達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，恒溫恒濕箱的內(nèi)的溫度在設(shè)定的溫度上下波動(dòng)，所以光纖光柵溫度傳感器準(zhǔn)確的反映了恒溫恒濕箱的整個(gè)溫度變化過(guò)程。

濕度檢測(cè)的結(jié)果如圖7所示。

圖6 溫度變化曲線

圖7 濕度變化曲線

光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)采集的濕度數(shù)據(jù)如圖7所示，該濕度曲線反映了恒溫恒濕箱的濕度在未達(dá)到設(shè)定濕度前，濕度先上升后下降，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定的濕度時(shí)，恒溫恒濕箱內(nèi)的濕度在設(shè)定的濕度附近上下波動(dòng)，所以光纖光柵濕度傳感器準(zhǔn)確的反映了恒溫恒濕箱的整個(gè)濕度變化過(guò)程。

從濕度曲線圖可以看出恒溫恒濕箱的濕度波動(dòng)較大，比溫度的波動(dòng)要大得多，另外，由于恒溫恒濕箱在加濕度工作時(shí)，恒溫恒濕箱的電機(jī)振動(dòng)比單加溫度時(shí)較大，所以光纖光柵濕度傳感器受到振動(dòng)的影響，產(chǎn)生白噪聲，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理可以將該噪聲濾除。

對(duì)所有的溫度和濕度傳感器采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波和限幅濾波，得到傳感器在設(shè)定溫度下和濕度下的溫度均值和濕度均值，得到表1和表2。表1是恒溫恒濕箱平均溫度和光纖光柵溫度傳感器所測(cè)得平均溫度的對(duì)比，表2是恒溫恒濕箱平均濕度和光纖光柵濕度傳感器所測(cè)得平均濕度的對(duì)比。

表1 溫度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表2 濕度測(cè)試結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)以恒溫恒濕箱的溫度平均值為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)定該溫度是真實(shí)值，進(jìn)行誤差分析。用同樣的方法對(duì)濕度的實(shí)驗(yàn)的誤差進(jìn)行分析。圖8、圖9分別是溫度和濕度絕對(duì)誤差直方圖。

圖8 溫度檢測(cè)絕對(duì)誤差

圖9 濕度檢測(cè)絕對(duì)誤差

從直方圖8可以直觀的看出光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的溫度絕對(duì)誤差兩端大、中間小。常溫附近的溫度檢測(cè)誤差小，溫度上升到50 ℃后，誤差就突然變大，同樣，溫度低于0 ℃時(shí)，誤差也突然變大，符合實(shí)際的溫度檢測(cè)誤差分布。系統(tǒng)溫度檢測(cè)的最大的絕對(duì)誤差為0.25 ℃，溫度在-10～50 ℃范圍時(shí)，溫度的絕對(duì)誤差≤0.2 ℃。從直方圖9可以看出，隨著濕度的增大，誤差也在逐漸的增大，濕度的最大絕對(duì)誤差為2.5%。

綜上溫濕度實(shí)時(shí)曲線和溫濕度絕對(duì)誤差直方圖可以得出，光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映環(huán)境溫濕度的變化，而且光纖光柵溫度和濕度檢測(cè)的誤差較小，滿足室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度測(cè)量的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

光纖光柵溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、集成度高、便攜、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間短、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，為室內(nèi)環(huán)境溫濕度的研究提供很好的檢測(cè)研究平臺(tái)，非常適合飛機(jī)，高鐵，客車等室內(nèi)溫濕度的監(jiān)測(cè)。