光纤光栅温湿度检测系统研究

许远标，魏 鹏

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

0 引言

传统的电力温度和湿度传感器是单点测量，每个传感器都需要两根导线，当检测点数目较多时会增大组网的困难，增加了系统的整体质量，使用上非常的不方便，而且在电磁干扰环境下测量误差增大。光纤光栅温度和湿度传感器具有体积小、质量轻，抗电磁干扰，化学性能稳定，组网简单等优点，弥补了传统电类温湿度传感器的缺点。

1 光纤光栅工作原理

1.1 光纤光栅温度和湿度传感器原理

把一束宽带光通入光纤光栅中，在特定的条件下光纤光栅会反射回一束窄带光，当被测量发生变化时，反射光的中心波长就会发生变化，通过检测反射光中心波长变化量从而检测出被测量。

图1、图2是光纤光栅结构和工作原理图。

图1 光纤光栅结构图

图2 入射光、反射光和透射光

根据光纤光栅模式耦合原理[1]，光纤光栅反射光的中心波长满足以下公式：

λ=2·neff·Λ

(1)

式中：λ为光纤光栅反射光的中心波长；neff为光纤光栅的有效折射率；Λ为光纤光栅的周期。

由式(1)可知，改变光纤光栅有效折射率和周期的外界环境都可以改变光纤光栅反射光的中心波长。

1.2 光纤光栅温度传感模型

光纤光栅温度传感器测量被测物温度的工作原理[2-4]：当温度发生变化时，光纤光栅温度传感器的有效折射率和周期都会随着温度发生变化，从而导致光纤光栅反射光的中心波长发生漂移。由式(1)对温度进行偏微分得：

(2)

10-6/℃。

所以公式(2)可以化简为

(3)

光纤光栅的温度灵敏度系数可以表示为

K=α+ξ

(4)

掺杂锗的石英光纤K≈7.22×10-6/℃，波长为1 510～1 590 nm波段的裸光纤光栅单位温度引起光纤光栅波长的漂移量为10.9～11.5 pm，但是由于光纤中掺杂成分的不一致，光纤光栅的灵敏度就会有一定的差异，所以要提高测温的精度，必须进行光纤光栅的温度标定，得到每个传感器的温度灵敏度系数。

1.3 光纤光栅湿度传感模型

光纤光栅湿度传感器是通过在光纤光栅的栅区表面上涂覆一层湿度敏感材料[5-9]，利用湿度敏感材料的吸水特性发生收缩或者膨胀使光栅产生轴向的应变，从而导致光栅的有效折射率和周期发生变化。光纤光栅湿度传感器对湿度敏感的同时也对温度敏感，所以光纤光栅湿度传感器的中心波长的变化量通常是温度和湿度共同作用的结果。由式(1)对湿度进行偏微分得到下列的公式：

(5)

单次照射3 d后，处死大鼠取0.5 cm小肠组织，4%福尔马林液固定组织，交由病理科制作组织切片，常规HE染色，显微镜下测量绒毛高度、黏膜厚度。

(6)

式中：KRH=(1-Pe)αRH；KT=α+ξ+(1-Pe)αT。

从式(6)可以看出光纤光栅湿度传感器的波长漂移量是温度和湿度的函数，所以要想测量相对湿度，必须同时进行温度的检测。

2 光纤光栅温湿度检测系统组成

光纤光栅温湿度检测系统主要包括宽带激光光源、光隔离器、耦合器、光纤光栅传感网络、光纤光栅解调模块和上位机。宽带激光光源波长范围是1 510～1 590 nm，该激光光源扫描功率大、噪声小、性能稳定，根据波分复用技术可知，光源的带宽越宽，可携带的传感器数量就越多。采用波分复用技术进行组建光纤光栅传感网络，波分复用技术编码简单、可靠性高、成本低，适合建立光纤光栅传感网络。光纤光栅解调模块采用F-P腔的解调原理进行解调，该种波长解调方法成熟，解调模块体积小，波长解调精度高，性能稳定，一次扫描解调的传感器数目多，适合多传感网络的解调。

搭建的光纤光栅温湿度检测系统如图3所示。

图3 光纤光栅温湿度检测系统

3 软件设计

采用LabVIEW进行编写光纤光栅温湿度检测系统软件[10-14]。光纤光栅温湿度检测软件程序分为解调仪和上位机通信的开始界面、参数设置、图表、温度传感器曲线、湿度传感器曲线、温度直方图和湿度直方图共7个功能模块。

光纤光栅温湿检测系统硬件和软件之间通信整体框架图如图4所示。

图4 系统的结构框图

光纤光栅解调模块采集的是光纤光栅温湿度传感器的中心波长数据，所以对采集的数据要进行处理，根据光纤光栅温湿度传感器的工作原理将波长数据转换为对应的温度和湿度数据。

图5 温湿度传感器软件界面

软件的界面简洁明了，功能齐全。软件可兼容32位和64位的操作系统，而且对硬件性能要求低，通用性强。另外，软件的可扩展性好，采用LabVIEW2014图形化编程语言编写效率高、周期短，有利于软件后续功能的扩展和优化。

4 温度和湿度实验

光纤光栅温湿度检测系统的温度和湿度实验是在恒温恒湿箱中进行，以恒温恒湿箱的温度和湿度为标准值，进行误差的校正和系统稳定性检定。

温度实验设定为-10～60 ℃，温度由-10 ℃向60 ℃增加，温度的增量为10 ℃，温度稳定一段时间后向下个温度段运行。湿度实验设定为40%～95%,湿度由40%向95%增加，湿度的增量是5%，由于恒温恒湿箱的湿度波动大，所以稳定时间长，待稳定后向下个湿度段运行。

光纤光栅温湿度检测系统采集的温度数据如图6所示，光纤光栅温度传感器采集的温度数据绘制的温度变化曲线和恒温恒湿箱的整个温度变化过程一致。恒温恒湿箱的温度在没有到达设定温度之前先上升后下降，有一个超调的过程，这是反馈控制的振荡过程，当恒温恒湿达到设定的温度时，恒温恒湿箱的内的温度在设定的温度上下波动，所以光纤光栅温度传感器准确的反映了恒温恒湿箱的整个温度变化过程。

湿度检测的结果如图7所示。

图6 温度变化曲线

图7 湿度变化曲线

光纤光栅温湿度检测系统采集的湿度数据如图7所示，该湿度曲线反映了恒温恒湿箱的湿度在未达到设定湿度前，湿度先上升后下降，当湿度达到设定的湿度时，恒温恒湿箱内的湿度在设定的湿度附近上下波动，所以光纤光栅湿度传感器准确的反映了恒温恒湿箱的整个湿度变化过程。

从湿度曲线图可以看出恒温恒湿箱的湿度波动较大，比温度的波动要大得多，另外，由于恒温恒湿箱在加湿度工作时，恒温恒湿箱的电机振动比单加温度时较大，所以光纤光栅湿度传感器受到振动的影响，产生白噪声，后续的数据处理可以将该噪声滤除。

对所有的温度和湿度传感器采集的温度和湿度数据进行均值滤波和限幅滤波，得到传感器在设定温度下和湿度下的温度均值和湿度均值，得到表1和表2。表1是恒温恒湿箱平均温度和光纤光栅温度传感器所测得平均温度的对比，表2是恒温恒湿箱平均湿度和光纤光栅湿度传感器所测得平均湿度的对比。

表1 温度测试结果对比

表2 湿度测试结果

本实验以恒温恒湿箱的温度平均值为标准，认定该温度是真实值，进行误差分析。用同样的方法对湿度的实验的误差进行分析。图8、图9分别是温度和湿度绝对误差直方图。

图8 温度检测绝对误差

图9 湿度检测绝对误差

从直方图8可以直观的看出光纤光栅温湿度检测系统的温度绝对误差两端大、中间小。常温附近的温度检测误差小，温度上升到50 ℃后，误差就突然变大，同样，温度低于0 ℃时，误差也突然变大，符合实际的温度检测误差分布。系统温度检测的最大的绝对误差为0.25 ℃，温度在-10～50 ℃范围时，温度的绝对误差≤0.2 ℃。从直方图9可以看出，随着湿度的增大，误差也在逐渐的增大，湿度的最大绝对误差为2.5%。

综上温湿度实时曲线和温湿度绝对误差直方图可以得出，光纤光栅温湿度检测系统可以实时反映环境温湿度的变化，而且光纤光栅温度和湿度检测的误差较小，满足室内环境温度和湿度测量的要求。

5 结束语

光纤光栅温湿度检测系统能实现对室内环境的温湿度实时监测，显示和数据存储。。该系统具有操作简单、成本低、集成度高、便携、测量精度高、响应时间短、实时性好等优点，为室内环境温湿度的研究提供很好的检测研究平台，非常适合飞机，高铁，客车等室内温湿度的监测。