許遠標，魏 鵬

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

0 引言

傳統(tǒng)的電力溫度和濕度傳感器是單點測量，每個傳感器都需要兩根導線，當檢測點數(shù)目較多時會增大組網(wǎng)的困難，增加了系統(tǒng)的整體質量，使用上非常的不方便，而且在電磁干擾環(huán)境下測量誤差增大。光纖光柵溫度和濕度傳感器具有體積小、質量輕，抗電磁干擾，化學性能穩(wěn)定，組網(wǎng)簡單等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)電類溫濕度傳感器的缺點。

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反射回一束窄帶光，當被測量發(fā)生變化時，反射光的中心波長就會發(fā)生變化，通過檢測反射光中心波長變化量從而檢測出被測量。

圖1、圖2是光纖光柵結構和工作原理圖。

圖1 光纖光柵結構圖

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；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。

1.2 光纖光柵溫度傳感模型

光纖光柵溫度傳感器測量被測物溫度的工作原理[2-4]：當溫度發(fā)生變化時，光纖光柵溫度傳感器的有效折射率和周期都會隨著溫度發(fā)生變化，從而導致光纖光柵反射光的中心波長發(fā)生漂移。由式(1)對溫度進行偏微分得：

(2)

10-6/℃。

所以公式(2)可以化簡為

(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有一定的差異，所以要提高測溫的精度，必須進行光纖光柵的溫度標定，得到每個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)生軸向的應變，從而導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濕度敏感的同時也對溫度敏感，所以光纖光柵濕度傳感器的中心波長的變化量通常是溫度和濕度共同作用的結果。由式(1)對濕度進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漂移量是溫度和濕度的函數(shù)，所以要想測量相對濕度，必須同時進行溫度的檢測。

2 光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)組成

光纖光柵溫濕度檢測系統(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、光纖光柵解調模塊和上位機。寬帶激光光源波長范圍是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)波分復用技術可知，光源的帶寬越寬，可攜帶的傳感器數(shù)量就越多。采用波分復用技術進行組建光纖光柵傳感網(wǎng)絡，波分復用技術編碼簡單、可靠性高、成本低，適合建立光纖光柵傳感網(wǎng)絡。光纖光柵解調模塊采用F-P腔的解調原理進行解調，該種波長解調方法成熟，解調模塊體積小，波長解調精度高，性能穩(wěn)定，一次掃描解調的傳感器數(shù)目多，適合多傳感網(wǎng)絡的解調。

搭建的光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)

3 軟件設計

采用LabVIEW進行編寫光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)軟件[10-14]。光纖光柵溫濕度檢測軟件程序分為解調儀和上位機通信的開始界面、參數(shù)設置、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個功能模塊。

光纖光柵溫濕檢測系統(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)的結構框圖

光纖光柵解調模塊采集的是光纖光柵溫濕度傳感器的中心波長數(shù)據(jù)，所以對采集的數(shù)據(jù)要進行處理，根據(jù)光纖光柵溫濕度傳感器的工作原理將波長數(shù)據(jù)轉換為對應的溫度和濕度數(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)，而且對硬件性能要求低，通用性強。另外，軟件的可擴展性好，采用LabVIEW2014圖形化編程語言編寫效率高、周期短，有利于軟件后續(xù)功能的擴展和優(yōu)化。

4 溫度和濕度實驗

光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)的溫度和濕度實驗是在恒溫恒濕箱中進行，以恒溫恒濕箱的溫度和濕度為標準值，進行誤差的校正和系統(tǒng)穩(wěn)定性檢定。

溫度實驗設定為-10～60 ℃，溫度由-10 ℃向60 ℃增加，溫度的增量為10 ℃，溫度穩(wěn)定一段時間后向下個溫度段運行。濕度實驗設定為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大，所以穩(wěn)定時間長，待穩(wěn)定后向下個濕度段運行。

光纖光柵溫濕度檢測系統(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溫度變化過程一致。恒溫恒濕箱的溫度在沒有到達設定溫度之前先上升后下降，有一個超調的過程，這是反饋控制的振蕩過程，當恒溫恒濕達到設定的溫度時，恒溫恒濕箱的內的溫度在設定的溫度上下波動，所以光纖光柵溫度傳感器準確的反映了恒溫恒濕箱的整個溫度變化過程。

濕度檢測的結果如圖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到設定濕度前，濕度先上升后下降，當濕度達到設定的濕度時，恒溫恒濕箱內的濕度在設定的濕度附近上下波動，所以光纖光柵濕度傳感器準確的反映了恒溫恒濕箱的整個濕度變化過程。

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

對所有的溫度和濕度傳感器采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)進行均值濾波和限幅濾波，得到傳感器在設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得平均溫度的對比，表2是恒溫恒濕箱平均濕度和光纖光柵濕度傳感器所測得平均濕度的對比。

表1 溫度測試結果對比

表2 濕度測試結果

本實驗以恒溫恒濕箱的溫度平均值為標準，認定該溫度是真實值，進行誤差分析。用同樣的方法對濕度的實驗的誤差進行分析。圖8、圖9分別是溫度和濕度絕對誤差直方圖。

圖8 溫度檢測絕對誤差

圖9 濕度檢測絕對誤差

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

綜上溫濕度實時曲線和溫濕度絕對誤差直方圖可以得出，光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)可以實時反映環(huán)境溫濕度的變化，而且光纖光柵溫度和濕度檢測的誤差較小，滿足室內環(huán)境溫度和濕度測量的要求。

5 結束語

光纖光柵溫濕度檢測系統(tǒng)能實現(xiàn)對室內環(huán)境的溫濕度實時監(jiān)測，顯示和數(shù)據(jù)存儲。。該系統(tǒng)具有操作簡單、成本低、集成度高、便攜、測量精度高、響應時間短、實時性好等優(yōu)點，為室內環(huán)境溫濕度的研究提供很好的檢測研究平臺，非常適合飛機，高鐵，客車等室內溫濕度的監(jiān)測。