一種相對溼度測量裝置的製造方法

2023-05-29 23:51:31

專利名稱:一種相對溼度測量裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及傳感技術領域，尤其涉及一種相對溼度測量裝置，信號採集裝置包括重量測量裝置、柵結構和兩個分別設置於重量測量裝置的上表面與下表面的光纖光柵，重量測量裝置的端部設置柵結構，以通過柵結構吸收水分增加重量使重量測量裝置的端部產生豎直方向上的彎曲形變；當重量測量裝置的端部彎曲形變時，位於重量測量裝置的上表面的光纖光柵拉長，位於重量測量裝置的下表面的光纖光柵的縮短；光信號處理裝置與光纖光柵連接，以對光纖光柵發射光信號並將接收到的由光纖光柵反射回的光信號轉化為數位訊號；數據處理裝置與光信號處理裝置連接，以對接收到的光信號處理裝置的數位訊號進行處理形成相對溼度的實時變化數據。
【專利說明】
一種相對溼度測量裝置
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種相對溼度測量裝置。
【背景技術】
[0002]光纖光柵探測技術是探測領域的一次變革，這種探測技術的實現得益於光纖光柵的製作工藝(包括位相掩模技術，低溫高壓氫擴散工藝)的提升。傳統的電子式傳感器在溼度測量方面的應用時，往往受到有源供電、電磁幹擾等因素制約，且工作性質穩定度較低，信號遠程傳輸不穩定，數據傳輸容量受限，很難在極端惡劣的環境下進行溼度檢測。現通過將光纖光柵探測技術應用於傳感器和溼度檢測領域中，以克服傳統電子式傳感器在進行溼度測量時的應用缺陷。
【實用新型內容】
[0003](一)要解決的技術問題
[0004]本實用新型要解決的技術問題是解決現有的相對溼度測量裝置容易受到有源供電、電磁幹擾等因素制約，很難在極端惡劣的環境下進行溼度檢測的問題。
[0005](二)技術方案
[0006]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種相對溼度測量裝置，包括信號採集裝置、光信號處理裝置和數據處理裝置，所述信號採集裝置包括重量測量裝置、柵結構和兩個分別設置於所述重量測量裝置的上表面與下表面的光纖光柵，所述重量測量裝置的端部設置所述柵結構，以通過所述柵結構吸收水分增加重量使所述重量測量裝置的端部產生豎直方向上的彎曲形變；當所述重量測量裝置的端部彎曲形變時，位於所述重量測量裝置的上表面的所述光纖光柵拉長，位於所述重量測量裝置的下表面的所述光纖光柵的縮短；所述光信號處理裝置與所述光纖光柵連接，以對所述光纖光柵發射光信號並將接收到的由所述光纖光柵反射回的光信號轉化為數位訊號;所述數據處理裝置與所述光信號處理裝置連接，以對接收到的所述光信號處理裝置的數位訊號進行處理形成相對溼度的實時變化數據。
[0007]其中，所述光信號處理裝置包括FBG解調儀，所述FBG解調儀包括局端與信號處理元件，所述局端用於對所述光纖光柵發射光信號並接收所述光纖光柵反射回的光信號，所述信號處理元件均與所述局端和所述數據處理裝置連接，以將所述局端接收到的光信號轉化為數位訊號並發射至所述數據處理裝置。
[0008]其中，所述柵結構的表面塗覆有高分子溼度敏感材料。
[0009]其中，所述高分子溼度敏感材料為聚丙烯醯胺。
[0010]其中，所述柵結構為鋁製材料。
[0011]其中，所述光纖光柵通過信號傳輸裝置與所述光信號處理裝置連接，所述信號傳輸裝置為OPGW光纜或OPPC光纜。
[0012]其中，所述重量測量裝置包括基座與懸臂梁，所述懸臂梁的一端與所述柵結構垂直連接，另一端與所述基座固定連接，所述懸臂梁的上表面與下表面均設有所述光纖光柵。
[0013]其中，所述信號採集裝置的外部設有保護殼，所述懸臂梁通過所述基座與所述保護殼連接，所述信號傳輸裝置穿入所述保護殼與所述光纖光柵連接。
[0014]其中，還包括顯示裝置，所述顯示裝置與所述數據處理裝置連接，用於對所述數據處理裝置處理形成的相對溼度的實時變化數據進行顯示。
[0015](三)有益效果
[0016]本實用新型的上述技術方案具有如下優點:本實用新型的相對溼度測量裝置的柵結構吸收所測環境空氣中的水分，產生重量變化後對重量測量裝置的端部產生微應力，並使重量測量裝置的端部發生豎直向下的彎曲形變，設置於重量測量裝置上的光纖光柵因重量測量裝置的端部的彎曲形變而發生相應的微形變，因此其自身的反射光譜中心波長隨其形變而發生實時變化，光纖光柵將光信號處理裝置發射的光信號中與其自身形變後得到反射光譜中心波長相匹配的光信號反射回光信號處理裝置，再經過光信號處理裝置將接受的實時光信號轉化為數位訊號，最後通過相應的數據處理裝置進行建模及數據處理，對接收的光纖光柵反射光譜中心波長變化的數位訊號進行分析處理，從而計算出實時環境相對溼度，獲得相對溼度的實時變化。
[0017]與傳統的溼度測量裝置相比，本實用新型的相對溼度測量裝置的優勢主要體現在信號採集裝置的無源(電源)以及抗電磁波幹擾的能力上。信號採集裝置的光纖光柵具有無源化、抗電磁幹擾、精度高、體積小質量輕和抗腐蝕的特點，並且集信息傳感與傳輸於一身，本實用新型的工作性質較為穩定，只需要連接光纜便可以進行無源的監測，對於強電磁幹擾，本實用新型幾乎不受影響，所以可用於多種極端惡劣的環境下的溼度監測。同時，因溫度對光纖光柵的反射波長也會造成影響，所以在重量測量裝置上、下表面分別設置光纖光柵，兩個光纖光柵因重量測量裝置的端部的彎曲形變而發生相應的伸長和縮短，數位訊號進入數據處理模塊後，兩個光纖光柵處測得的波長數據再通過做差的方式補償光纖光柵由於溫度交叉敏感引起的信號波長的誤差，這樣可以溫度對排除光纖光柵的幹擾，有效地補償溫度的交叉敏感，減少溫度對波長值的影響，使結果更精確，實現對環境相對溼度的精確測量。
[0018]除了上面所描述的本實用新型解決的技術問題、構成的技術方案的技術特徵以及有這些技術方案的技術特徵所帶來的優點之外，本實用新型的其他技術特徵及這些技術特徵帶來的優點，將結合附圖作出進一步說明。
【附圖說明】

[0019]圖1是本實用新型實施例相對溼度測量裝置的結構示意圖；
[0020]圖2是本實用新型實施例相對溼度測量裝置的信號採集裝置的結構示意圖。
[0021 ]圖中:1:信號採集裝置;2:光信號處理裝置;3:數據處理裝置;4:信號傳輸裝置;5:顯示裝置;11:重量測量裝置;12:柵結構；13:光纖光柵;111:基座;112:懸臂梁。
【具體實施方式】
[0022]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0023]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0024]此外，在本實用新型的描述中，除非另有說明，「多個」、「多根」、「多組」的含義是兩個或兩個以上，「若干個」、「若干根」、「若干組」的含義是一個或一個以上。
[0025]如圖1和圖2所示，本實用新型實施例提供的相對溼度測量裝置，包括信號採集裝置1、光信號處理裝置2和數據處理裝置3，信號採集裝置I包括重量測量裝置11、柵結構12和兩個分別設置於重量測量裝置11的上表面與下表面的光纖光柵13，重量測量裝置11的端部設置柵結構12，以通過柵結構12吸收水分增加重量使重量測量裝置11的端部產生豎直方向上的彎曲形變；當重量測量裝置11的端部彎曲形變時，位於重量測量裝置11的上表面的光纖光柵13拉長，位於重量測量裝置11的下表面的光纖光柵13的縮短;光信號處理裝置2與光纖光柵13連接，以對光纖光柵13發射光信號並將接收到的由光纖光柵13反射回的光信號轉化為數位訊號;數據處理裝置3與光信號處理裝置2連接，以對接收到的光信號處理裝置2的數位訊號進行處理形成相對溼度的實時變化數據。
[0026]本實用新型的相對溼度測量裝置的柵結構吸收所測環境空氣中的水分，產生重量變化後對重量測量裝置的端部產生微應力，並使重量測量裝置的端部發生豎直向下的彎曲形變，設置於重量測量裝置上的光纖光柵因重量測量裝置的端部的彎曲形變而發生相應的微形變，因此其自身的反射光譜中心波長隨其形變而發生實時變化，光纖光柵將光信號處理裝置發射的光信號中與其自身形變後得到反射光譜中心波長相匹配的光信號反射回光信號處理裝置，再經過光信號處理裝置將接受的實時光信號轉化為數位訊號，最後通過相應的數據處理裝置進行建模及數據處理，對接收的光纖光柵反射光譜中心波長變化的數位訊號進行分析處理，從而計算出實時環境相對溼度，獲得相對溼度的實時變化。
[0027]與傳統的溼度測量裝置相比，本實用新型的相對溼度測量裝置的優勢主要體現在信號採集裝置的無源(電源)以及抗電磁波幹擾的能力上。信號採集裝置的光纖光柵具有無源化、抗電磁幹擾、精度高、體積小質量輕和抗腐蝕的特點，並且集信息傳感與傳輸於一身，本實用新型的工作性質較為穩定，只需要連接光纜便可以進行無源的監測，對於強電磁幹擾，本實用新型幾乎不受影響，所以可用於多種極端惡劣的環境下的溼度監測。同時，因溫度對光纖光柵的反射波長也會造成影響，所以在重量測量裝置上、下表面分別設置光纖光柵，兩個光纖光柵因重量測量裝置的端部的彎曲形變而發生相應的伸長和縮短，數位訊號進入數據處理模塊後，兩個光纖光柵處測得的波長數據再通過做差的方式補償光纖光柵由於溫度交叉敏感引起的信號波長的誤差，這樣可以溫度對排除光纖光柵的幹擾，有效地補償溫度的交叉敏感，減少溫度對波長值的影響，使結果更精確，實現對環境相對溼度的精確測量。
[0028]其中，光信號處理裝置2包括FBG解調儀(Fiber Bragg Grating，即光纖布拉格光柵)，FBG解調儀包括局端與信號處理元件，局端用於對光纖光柵13發射光信號並接收光纖光柵13反射回的光信號，信號處理元件均與局端和數據處理裝置3連接，以將局端接收到的光信號轉化為數位訊號並發射至數據處理裝置3 ABG解調儀的局端產生窄帶掃頻光，即頻率大小連續變化的窄帶光，並將窄帶掃頻光通過光纖通道等數據傳輸裝置向遠程的光纖光柵處發射。當掃頻光的波長與光纖光柵的反射光譜中心波長匹配時將發生反射，反射的光信號再次被局端接收，從而在FBG解調儀處可探測到被反射回來的光功率，進而FBG解調儀的信號處理元件將接收到的光信號解調成波長編碼的數位訊號，並將數位訊號傳輸至數據處理裝置進行進一步分析處理，獲得所測環境的相對溼度的實時變化。
[0029]其中，柵結構12的表面塗覆有高分子溼度敏感材料。柵結構通過預處理及塗覆材料溶液後的後續乾燥處理，再與高分子溼敏材料緊密粘連。在重量測量裝置末端連接已經塗覆、固化好溼度敏感高分子材料的柵結構，這樣的柵結構可以增大高分子材料與空氣接觸面積，增大相對溼度感應的靈敏性和精確性。當所測環境中空氣的相對溼度變化時，導致柵結構上塗覆的高分子材料吸收的水分不同，從而導致其重量的變化，高分子溼敏材料物理尺寸變化對重量測量裝置產生微應力，從而導致的光纖光柵的反射光譜中心波長的變化。
[0030]優選的，高分子溼度敏感材料為聚丙烯醯胺。聚丙烯醯胺(PAM)為高分子聚合物，具有良好的絮凝性，應用於本實用新型的相對溼度測量裝置中也起到了節能環保的效果。
[0031]具體的，柵結構12為鋁製材料。鋁製的柵結構質量輕，不易損壞，在不同溼度的環境中均可保證較長的使用壽命，耐用性強，有利於減輕整體裝置的重量和增加裝置的使用壽命O
[0032]進一步的，光纖光柵13與光信號處理裝置2通過信號傳輸裝置4連接，信號傳輸裝置2為OPGW光纜(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，即光纖複合架空地線)或OPPC光纜(Optical Phase Conductor，即光纖複合相線)。光信號處理裝置用於完成光纖光柵與FBG解調儀的局端之間數據信號的傳輸。相關的具體數據傳輸內容是將局端的窄帶掃頻光通OPGW或OPPC中的光纖通道傳輸至光纖光柵，並將固定在重量測量裝置上的光纖光柵產生的反射光信號通過OPGW或OPPC中的光纖通道傳輸至局端。焊接在重量測量裝置上的光纖光柵，通過OPGW或OPPC接續盒與其中的光纖串接。OPGW和OPPC分別是把光纖放置在架空高壓輸電線的地線和相線中，用以構成輸電線路上的光纖通信網，這種結構形式兼具地線與通信或相線與通信雙重功能，提高了本實用新型相對溼度測量裝置的信號遠程傳輸穩定，擴大了數據傳輸容量。
[0033]具體的，如圖2所示，重量測量裝置11包括基座111與懸臂梁112，懸臂梁112的一端與柵結構12垂直連接，懸臂梁112的另一端與基座111固定連接，懸臂梁112的上表面與下表面均設有光纖光柵13。兩個光纖光柵分別焊接在重懸臂梁的上、下表面，柵結構與懸臂梁一端垂直連接，吸水增重後可對懸臂梁產生微應力，使懸臂梁發生向下彎曲的微形變，基座對懸臂梁的另一端起固定作用。
[0034]具體的，信號採集裝置I的外部設有保護殼，懸臂梁112通過基座111與保護殼連接，信號傳輸裝置4穿入保護殼與光纖光柵13連接。保護殼對內部的信號採集裝置起保護作用，以保證信號採集裝置在惡劣的檢測環境下也能夠正常工作，減小外界環境對信號採集裝置的影響，減輕惡劣環境對裝置的損害。
[0035]另外，本實用新型的相對溼度測量裝置還包括顯示裝置5，顯示裝置5與數據處理裝置4連接，用於對數據處理裝置4處理形成的相對溼度的實時變化數據進行顯示。顯示裝置不僅可以先死所測環境的相對溼度的實時變化數據，還可用於操作人員進行電子地理顯示、電網參量監測、日誌查詢和幫助中的任意操作。
[0036]實際裝置使用時，具體工作過程如下:
[0037]由光信號處理裝置的FBG解調儀發射窄帶掃頻光經數據傳輸裝置的OPGW或OPPC光纜傳輸到遠程的信號採集裝置中；在信號採集裝置裡，與重量測量裝置連接的光纖光柵反射回與其實時形變後產生的反射光譜中心波長相匹配的光譜，該光譜攜帶了塗覆溼度敏感材料的柵結構重量變化，即所測環境中相對溼度的相關信息；由此信號採集裝置採集的信息以光信號的形式再次經數據傳輸裝置的OPGW或OPPC光纜傳輸到FBG解調儀中，在FBG解調儀中光信號被解調成以波長編碼的數位訊號;數位訊號進入數據處理模塊，經過建模及數據處理，從上述接收到的光纖光柵的反射波長的數位訊號獲取重量測量裝置的端部所受的微應力的實時變化，可求得實時柵結構的重量變化，進而計算實時的相對溼度，並進行數據的保存，重要數據都被保存進資料庫，以便查詢。
[0038]綜上所述，本實用新型的相對溼度測量裝置的柵結構吸收所測環境空氣中的水分，產生重量變化後對重量測量裝置的端部產生微應力，並使重量測量裝置的端部發生豎直向下的彎曲形變，設置於重量測量裝置上的光纖光柵因重量測量裝置的端部的彎曲形變而發生相應的微形變，因此其自身的反射光譜中心波長隨其形變而發生實時變化，光纖光柵將光信號處理裝置發射的光信號中與其自身形變後得到反射光譜中心波長相匹配的光信號反射回光信號處理裝置，再經過光信號處理裝置將接受的實時光信號轉化為數位訊號，最後通過相應的數據處理裝置進行建模及數據處理，對接收的光纖光柵反射光譜中心波長變化的數位訊號進行分析處理，從而計算出實時環境相對溼度，獲得相對溼度的實時變化。
[0039]最後應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換;而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和範圍。
【主權項】
1.一種相對溼度測量裝置，其特徵在於:包括信號採集裝置、光信號處理裝置和數據處理裝置，所述信號採集裝置包括重量測量裝置、柵結構和兩個分別設置於所述重量測量裝置的上表面與下表面的光纖光柵，所述重量測量裝置的端部設置所述柵結構，以通過所述柵結構吸收水分增加重量使所述重量測量裝置的端部產生豎直方向上的彎曲形變;當所述重量測量裝置的端部彎曲形變時，位於所述重量測量裝置的上表面的所述光纖光柵拉長，位於所述重量測量裝置的下表面的所述光纖光柵的縮短;所述光信號處理裝置與所述光纖光柵連接，以對所述光纖光柵發射光信號並將接收到的由所述光纖光柵反射回的光信號轉化為數位訊號;所述數據處理裝置與所述光信號處理裝置連接，以對接收到的所述光信號處理裝置的數位訊號進行處理形成相對溼度的實時變化數據。2.根據權利要求1所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述光信號處理裝置包括FBG解調儀，所述FBG解調儀包括局端與信號處理元件，所述局端用於對所述光纖光柵發射光信號並接收所述光纖光柵反射回的光信號，所述信號處理元件均與所述局端和所述數據處理裝置連接，以將所述局端接收到的光信號轉化為數位訊號並發射至所述數據處理裝置。3.根據權利要求1所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述柵結構的表面塗覆有高分子溼度敏感材料。4.根據權利要求3所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述高分子溼度敏感材料為聚丙烯醯胺。5.根據權利要求1所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述柵結構為鋁製材料。6.根據權利要求1所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述光纖光柵通過信號傳輸裝置與所述光信號處理裝置連接，所述信號傳輸裝置為OPGW光纜或OPPC光纜。7.根據權利要求6所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述重量測量裝置包括基座與懸臂梁，所述懸臂梁的一端與所述柵結構垂直連接，另一端與所述基座固定連接，所述懸臂梁的上表面與下表面均設有所述光纖光柵。8.根據權利要求7所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:所述信號採集裝置的外部設有保護殼，所述懸臂梁通過所述基座與所述保護殼連接，所述信號傳輸裝置穿入所述保護殼與所述光纖光柵連接。9.根據權利要求1-8任意一項所述的相對溼度測量裝置，其特徵在於:還包括顯示裝置，所述顯示裝置與所述數據處理裝置連接，用於對所述數據處理裝置處理形成的相對溼度的實時變化數據進行顯示。
【文檔編號】G01N21/17GK205719929SQ201620390322
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】李路明, 張治國, 李志國, 韓佳兵
【申請人】國家電網公司, 國網江西省電力公司信息通信分公司, 北京郵電大學