[发明专利]光纤温/湿度传感器及其制造方法和计量装置

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术，具体为一种光纤温度传感器、光纤湿度传感器及其制造方法和使用它们的温湿度计量装置，国际专利分类号拟为Int.C1.G01K11/32(2006.01)。

背景技术

光纤具有直径细、重量轻，且是绝缘体的特性，有利于在电磁噪音强、高压区域内使用，不受干扰，特别是玻璃光纤具有可以在高温和可燃性气体环境中使用的优点，因此各种光纤传感器的研究是为重点。

将折射率可以变化的Er一类的无机材料搀杂在玻璃内，可以获得一种特殊的光纤。用激光照射该光纤，使在纤芯内的Er的折射率发生变化，从而沿光纤的长度方向可形成一个布朗格光栅(以下简称FBG)。当从光纤的一端入射光线时，FBG只反射特定波长的光；如果对FBG施加伸长变形，则反射光的波长向长波长的方向位移。如果利用FBG的上述特性，则可以将FBG作为温度传感器使用。这种情况下，温度变化造成光纤的伸长变形或者弯曲变形，从而使FBG的周期产生微小的变化，FBG所反射的光的波长亦将产生一个位移，通过测定这个反射光的波长位移量，则可测量温度的变化量。

米格那尔等人，于1995年在(IEEE J.Lightwave Techol)第13卷第7期1396～1406页上发表了生体内使用的多功能光纤监控传感器的文章。它可以利用光传感器，同时测定生体内的pH值、酸度值、二氧化碳成分等参数。该研究在医学强调了用光传感器测定生体信号的魅力。生体光纤传感器的整合是今后迈向全光学化的潮流。米格那尔提出的光学传感器中，利用热电偶测定体内温度，用其他光纤温度传感器修正误差。

维尔切斯等人于1991年，在(IEEE Trans.Biomed.eng.)第38卷第10期974～981页上发表了生理光纤温度传感器的文章。由于它是在系统上将温度传感器加在光纤上，所以在制造上存在问题。从外部对光纤施加的温度传感器是一种能够发出荧光的化学物质。荧光的寿命与温度有关，利用该信号测定温度。由于其后面的信号处理线路复杂，所以不能进行实时测定。

众所周知，尽管FBG光纤传感器应用价值很高，但为了检测温度变化，对于输入波长来说，为了检测到输出波长的极其微小的变化量，就需要价格昂贵的检波器，再加上制作FBG传感器需要使用高价格的特殊光纤，及高难度的封装技术，所以其综合成本太高，特别是在民用领域难于推广应用。

关于光纤湿度传感器，主要是特开2003-270141以及特开2003-130863特许公报所公示的技术。考虑到塑料光纤的反射层易于从纤芯剥除，直径大，容易加工等因素，因此所公开的技术局限在使用塑料光纤方面。其制作技术为将包覆层材料涂敷在纤芯上，通过自然干燥法形成感应包覆层，制成光纤湿度传感器。

不过，迄今为止所公开的光纤湿度传感器的技术，尚存在以下问题。

首先，在公开的技术中，不仅从原理上要求包覆层的折射率只能比纤芯的折射率高，而传感器工作的充要条件是：感应包覆层的折射率因感应湿度的变化必须降低到足以使传感器由感应前的光泄漏状态(Leaky Mode)转变为感应后的波导状态(Wave Guide Mode)。因此为了提高传感器的灵敏度和响应速度，实质上二者的折射率的差要求控制在0.005以内。这一要求给制造上带来调节折射率的难度，从而限制了选择材料的范围。

其次，一般地来说，塑料光纤纤芯和包覆层的高聚物材料间的相容性差，特别是在使用混合材料时，在溶液状态下，多会发生相分离，容易形成不均匀的感应包覆层，同时存在感应包覆层容易从纤芯剥离等问题。因此湿度传感器的个体差异大，使用寿命短。

此外，采用塑料光纤纤芯时，由于纤芯也具有吸湿性，因此影响到湿度传感器的性能稳定性，又由于塑料纤芯受温度的影响太大，在低湿度(小于50％)范围内，较大的温度变化所引起的输出光强度的变化将淹没因湿度的变化而引起的光强度的变化。

再次，目前所公开的技术只能采用常温干燥成膜，没有对感应包覆层进行高温老化处理，所以存在结构及化学性能的不稳定性，精度低，耐久性差，很难实用。

最后，由于包覆层的折射率比纤芯高，光的损失大。如果使用这种传感器制作湿度测量装置时，特别是需要长距离输送时，不仅存在上述因光损失大而带来的光强度不足等问题，而且由于构成传感器的塑料光纤端面积为玻璃光纤的数十倍以上，所以塑料纤芯的传感器与传输用的玻璃光纤之间的结合损失也太大，根本不能实用。

发明内容