一种准分布式湿度在线监测系统

1.本发明涉及湿度监测领域，特别是涉及一种准分布式湿度在线监测系统。


背景技术：

2.光纤湿度传感器是基于光纤传光特性的一种新型测量方法。利用一些湿敏物质的光学参量随着环境湿度的变化而发生改变的原理，通过检测其光学参量的变化实现对环境湿度的测量。基于介质薄膜的光纤湿度传感器是一种优良的传感元件，具有稳定性好，抗电磁干扰能力强等优点；光纤湿度传感器采用光信号进行测量，是一种抗电磁干扰能力强，无源，本质安全的传感器。由于光信号在测量精度和抗干扰等诸多方面的优势，光纤湿度传感器具有巨大的潜在应用价值。
3.光纤具有抗电磁干扰、体积小、抗腐蚀和可远程测量等优点，所以将光纤与湿敏薄膜结合制成的光纤湿度传感器可满足一些极端环境中的湿度测量需求，并且光纤湿度传感器的出现使得环境湿度的远程监控和分布式测量成为可能。光纤湿度传感器是在光纤侧面或者端面制作湿度敏感薄膜使得环境湿度能够对光纤中传播的光进行调制，通过光纤中传播的光束的光学性质变化情况可以计算出环境的相对湿度大小。光纤湿度传感器的核心就是湿敏薄膜与光纤的结合，不同的湿敏薄膜性能差异巨大，其作用机理也不尽相同。能够吸收水分子而导致薄膜光学性质改变的湿敏薄膜通常制作在光纤端面，而能够吸收水分子导致薄膜膨胀变形的高分子湿敏薄膜通常制作在光纤光栅侧面，无论湿敏薄膜是制作在光纤端面还是侧面，其目的都是为了调制光纤中传输的光波。当环境湿度发生变化时，环境湿度的改变就会影响光纤的传光性能，经过不断的研究探索，各种类型的光纤湿度传感器不断涌现出来。按照传感探头结构可以分为干涉型、微镜型、消逝场型、f
‑
p型及光纤光栅型。目前研究中所报道的湿敏材料主要包括：天然高分子壳聚糖、cocl2掺杂pva/sio2、多孔sio2、聚乙烯醇、聚酰亚胺。武汉理工大学课题组将混合了偶联剂的聚酰亚胺涂层沉积在弱光栅阵列上，可以在同一路光纤中对上千个位置的湿度同时进行监测，在大容量测量湿度设施中具有较好的应用前景。
4.然而目前，采用光学原理的湿度传感技术均采用波长解调方案，利用敏感膜层对水蒸气的响应，通过检测频域内的波长漂移实现对相对湿度的传感。已报道的基于多层介质膜的干涉型光纤湿度传感器，虽然灵敏度较高，可以达到0.15nm/％rh，但因工作于可见光波段，因此难以进行远程监控和准分布式测量，只适用于单点监测。已报道的聚酰亚胺涂覆型光纤光栅湿度传感器的工作波段在光纤通信波段内，能够进行远程监控和分布式测量，但需要利用光纤光谱仪或光纤光栅解调仪进行信号的解调。如用光纤光谱仪进行解调，光纤光谱仪的波长分辨率直接影响检测精度，高精度的监测对光纤光谱仪的波长分辨率要求较高，导致成本急剧增加。光纤光栅解调仪的成本也较高。更主要的是，此类传感器的灵敏度较低，为0.76pm/％rh，受传感机理的制约，灵敏度的提高受到限制。即，现有的光纤湿度传感器的高灵敏度、远程监控和分布式测量不能同时实现。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种准分布式湿度在线监测系统，以解决现有技术中光纤湿度传感器的高灵敏度、远程监控和分布式测量不能同时实现的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种准分布式湿度在线监测系统，包括系统终端、n个探头模块以及n个传输模块；
8.所述系统终端包括c波段ase宽带光源、光纤环形器、第一波分复用器、第二波分复用器、光电探测器阵列以及数据采集卡；
9.所述c波段ase宽带光源和所述光纤环形器连接；所述光纤环形器和所述第一波分复用器连接；所述光纤环形器还和所述第二波分复用器连接；所述c波段ase宽带光源用于提供光纤通信c波段的宽带光；所述光纤环形器用于将所述宽带光发送至所述第一波分复用器；所述第一波分复用器用于将所述宽带光分解为多路窄带光；所述第一波分复用器与所述传输模块连接；所述传输模块与所述探头模块连接；所述光纤环形器还用于将所述第一波分复用器接收的所述传输模块反射回来的光发送至所述第二波分复用器；所述第二波分复用器用于将所述传输模块反射回来的光重新分解为多路窄带光；所述第二波分复用器和所述光电探测器阵列连接；所述光电探测器阵列用于将窄带光的光信号转换成电信号；所述光电探测器阵列与所述数据采集卡连接；所述数据采集卡用于对所述电信号进行数据处理，以得到湿度；所述传输模块用于所述系统终端和所述探头模块之间光的传输；
10.所述探头模块包括玻璃直角棱镜和第一光纤准直器；
11.所述传输模块与所述第一光纤准直器连接；所述第一光纤准直器与所述玻璃直角棱镜的第一直角边连接；所述第一光纤准直器用于将所述第一波分复用器输出的光准直成平行光；所述玻璃直角棱镜用于对准直后的平行光进行反射；所述玻璃直角棱镜的第二直角边上设置有第一金膜，所述玻璃直角棱镜的斜边上设置有湿敏薄膜，所述湿敏薄膜用于激发表面等离子体共振。
12.可选的，所述系统终端还包括：第二光纤准直器、光功率稳定器、单模光纤耦合系统以及工控机；
13.所述c波段ase宽带光源、所述第二光纤准直器、所述光功率稳定器、所述单模光纤耦合系统以及所述光纤环形器依次连接；所述工控机分别与所述c波段ase宽带光源和所述数据采集卡连接；
14.所述第二光纤准直器用于将所述宽带光转换成平行光；所述光功率稳定器用于稳定所述第二光纤准直器输出的平行光的光功率；所述单模光纤耦合系统用于将所述光功率稳定器输出的平行光耦合进入所述光纤环形器；所述工控机用于控制所述c波段ase宽带光源的开关以及控制所述数据采集卡进行数据采集。
15.可选的，所述湿敏薄膜包括第一氧化铟锡膜、第二金膜、第二氧化铟锡膜、二氧化硅膜以及氧化铜膜；
16.所述第一氧化铟锡膜覆于所述玻璃直角棱镜的斜边，所述第二金膜覆于所述第一氧化铟锡膜表面，所述第二金膜用于激发表面等离子共振；所述第二氧化铟锡膜覆于所述第二金膜表面；所述二氧化硅膜覆于所述第二氧化铟锡膜的表面，所述二氧化硅膜用于调节表面等离子共振的条件；所述氧化铜膜覆于所述二氧化硅膜的表面，所述氧化铜膜用于吸附水蒸气。
17.可选的，所述探头模块还包括：接头和硬塑料直管；所述第一光纤准直器的一端通过所述接头与所述传输模块连接，所述第一光纤准直器的另一端通过所述硬塑料直管与所述玻璃直角棱镜连接。
18.可选的，所述传输模块具体包括：光纤反射器、第一常规光纤法兰盘、2个第二常规光纤法兰盘、第一光纤以及第二光纤；
19.所述接头、所述第一常规光纤法兰盘、所述第一光纤以及一个所述第二常规光纤法兰盘依次连接作为传感光路；
20.所述光纤反射器、所述第二光纤以及另一个所述第二常规光纤法兰盘依次连接作为参考光路。
21.可选的，所述第一波分复用器以及所述第二波分复用器最多有80路通道。
22.可选的，所述光电探测器阵列中光电探测器的数量与所述第一波分复用器的通道数和所述第二波分复用器的通道数相同。
23.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
24.所述系统终端内的c波段ase宽带光源发射出的宽带光通过第一波分复用器，被分解成多路窄带光，窄带光进入探头模块，在湿敏薄膜表面产生表面等离子体共振，表面等离子体共振对湿敏薄膜外或湿敏薄膜的介电常数变化具有高灵敏度的响应，且本发明提出的系统工作于光纤通信c波段，光信号可以在光纤中传播数十里，光纤通信c波段处的表面等离子体共振角谱响应极陡峭，所以强度调制传感的灵敏度比短波长处的高，因此，在光纤通信c波段工作，不仅可以提高强度调制传感的灵敏度，还可以实现远程监测。另外多路窄带光通过多个传输模块入射到多个探头模块中，通过多个探头构成准分布式传感网络，可以实现准分布式监测。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明提供的一种准分布式湿度在线监测系统的原理图；
27.图2为本发明提供的一种准分布式湿度在线监测系统的探头模块的示意图。
28.符号说明：1
‑
玻璃直角棱镜；2
‑
湿敏薄膜；3
‑
第一金膜；4
‑
硬塑料直管；5第一光纤准直器；6
‑
接头；7
‑
光纤反射器；8
‑
第一常规光纤法兰盘；9
‑
第一光纤；10
‑
第二光纤；11
‑
第二常规光纤法兰盘；12
‑
c波段ase宽带光源；13
‑
第二光纤准直器；14
‑
光功率稳定器；15
‑
单模光纤耦合系统；16
‑
光纤环形器；17
‑
第一波分复用器；18
‑
第二波分复用器；19
‑
光电探测器阵列；20
‑
数据采集卡；21
‑
工控机；22
‑
探头模块。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的目的是提供一种准分布式湿度在线监测系统，以解决现有技术中光纤湿度传感器的高灵敏度、远程监控和分布式测量不能同时实现的问题。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.图1为本发明提供的一种准分布式湿度在线监测系统的原理图，如图1所示，一种准分布式湿度在线监测系统，包括系统终端、n个探头模块22以及n个传输模块。
33.所述系统终端包括c波段ase宽带光源12、光纤环形器16、第一波分复用器17、第二波分复用器18、光电探测器阵列19以及数据采集卡20。在实际应用中，采用合肥脉锐光电技术有限公司型号为ase
‑
c
‑
100
‑
t
‑
b的c波段ase宽带光源12，采用合肥脉锐光电技术有限公司型号为smcir
‑
1550nm
‑
311
‑
1的光纤环形器16，采用深圳市飞宇光纤系统有限公司型号为c
‑
band 50gawg的波分复用器，所述第一波分复用器17以及所述第二波分复用器18有80路通道。采用索雷博光电科技(上海)有限公司的光电探测器阵列19，最多支持80个det01cfc，采用上海恩艾仪器有限公司型号为usb
‑
6255的数据采集卡20。
34.所述c波段ase宽带光源12和所述光纤环形器16连接；所述光纤环形器16和所述第一波分复用器17连接；所述光纤环形器16还和所述第二波分复用器18连接。所述c波段ase宽带光源12用于提供光纤通信c波段的宽带光；所述光纤环形器16用于将所述宽带光发送至所述第一波分复用器17；所述第一波分复用器17用于将所述宽带光分解为80路具有不同中心波长的窄带光，且将探头模块22和参考光路反射回的光重新耦合进入所述光纤环形器16。所述第一波分复用器17与所述传输模块连接；所述传输模块与所述探头模块22连接；所述光纤环形器16还用于将所述第一波分复用器17接收的所述探头模块22反射回来的光和参考光路反射回来的光发送至所述第二波分复用器18；所述第二波分复用器18用于将所述探头模块22反射回来的光以及参考光路反射回来的光重新分解为80路具有不同中心波长的窄带光；所述第二波分复用器18和所述光电探测器阵列19连接；所述光电探测器阵列19用于将窄带光的光信号转换成电信号；所述光电探测器阵列19与所述数据采集卡20连接；所述数据采集卡20用于对所述电信号进行数据处理，以得到湿度；所述传输模块用于所述系统终端和所述探头模块22之间光的传输。光电探测器最多支持80个，与波分复用器的通道数对应。所以，本发明的准分布式湿度在线监测系统可以支持40个探头模块22同时工作。
35.所述系统终端还包括：第二光纤准直器13、光功率稳定器14、单模光纤耦合系统15以及工控机21；所述c波段ase宽带光源12、所述第二光纤准直器13、所述光功率稳定器14、所述单模光纤耦合系统15以及所述光纤环形器16依次连接；所述工控机21分别与所述c波段ase宽带光源12和所述数据采集卡20连接。在实际应用中，第二光纤准直器13采用索雷博光电科技(上海)有限公司型号为cfc11a
‑
c的光纤准直器，采用索雷博光电科技(上海)有限公司型号为nel04/m的光功率稳定器14，采用索雷博光电科技(上海)有限公司型号为mbt613d/m的单模光纤耦合系统15，采用北京研华兴业电子科技有限公司型号为ipc
‑
610mb
‑
bto的工控机21。
36.所述第二光纤准直器13用于将所述宽带光转换成平行光；所述光功率稳定器14用于稳定所述第二光纤准直器13输出的平行光的光功率；所述单模光纤耦合系统15用于将所述光功率稳定器14输出的平行光耦合进入所述光纤环形器16；所述工控机21用于控制所述
c波段ase宽带光源12的开关以及控制所述数据采集卡20进行数据采集。
37.c波段ase宽带光源12发出的光纤通信c波段宽带光经过光纤传输，进入第二光纤准直器13，输出准直的光，入射到光功率稳定器14，从光功率稳定器14出射功率稳定且准直的宽带光，利用单模光纤耦合系统15将光耦合进光纤环形器16，从光纤环形器16出射后，进入第一波分复用器17，分为80路不同波长的窄带光，从80个第二常规光纤法兰盘11输出，其中每相邻的两个itu通道作为一组，一路通过传感光路的第一光纤9后，与第一常规光纤法兰盘8连接，进入探头模块22，作为探头模块22的入射光；另一路通过参考光路的第二光纤10后，入射到光纤反射器7。其中传感光路的第一光纤9和参考光路的第二光纤10匝到一起，同时受到外界对其影响(光纤拉伸和弯曲)。探头模块22反射回的光经过第一常规光纤法兰盘8、第一光纤9以及第二常规光纤法兰盘11，返回第一波分复用器17，光纤反射器7反射回的光经过第二光纤10以及第二常规光纤法兰盘11，返回第一波分复用器17，从光纤环形器16的反射端口出射，进入第二波分复用器18，从第二波分复用器18出射后，被光电探测器阵列19接收，光电探测器阵列19输出与光强呈线性关系的电信号，数据采集卡20采集电信号。工控机21控制数据采集卡20的数据采集和信号处理功能，兼具控制c波段ase宽带光源12的开关功能。
38.图2为本发明提供的一种准分布式湿度在线监测系统的探头模块的示意图，如图2所示，所述探头模块22包括玻璃直角棱镜1和第一光纤准直器5。在实际应用中，玻璃直角棱镜1采用大恒新纪元科技股份有限公司型号为gcl
‑
030101a的k9材质玻璃直角棱镜，第一光纤准直器5采用索雷博光电科技(上海)有限公司型号为50
‑
1550a
‑
apc的单模光纤准直器。
39.所述传输模块与所述第一光纤准直器5连接；所述第一光纤准直器5与所述玻璃直角棱镜1的第一直角边连接；所述第一光纤准直器5用于将所述第一波分复用器17输出的光准直成平行光；所述玻璃直角棱镜1用于对准直后的平行光进行反射；玻璃直角棱镜1提供表面等离子体共振的耦合条件，通过增加入射光的波矢使得入射光和湿敏薄膜2上的表面等离子体波矢相匹配，激发表面等离子体共振(surface plasmon resonance，spr)。所述玻璃直角棱镜1的第二直角边上设置有第一金膜3，所述玻璃直角棱镜1的斜边上设置有湿敏薄膜2，所述湿敏薄膜2用于激发表面等离子体共振。第一金膜3的厚度为400nm。所述湿敏薄膜2采用ito/au/ito/sio2/cuo薄膜。
40.所述湿敏薄膜2包括第一氧化铟锡膜、第二金膜、第二氧化铟锡膜、二氧化硅膜以及氧化铜膜。
41.所述第一氧化铟锡膜覆于所述玻璃直角棱镜1的斜边，所述第二金膜覆于所述第一氧化铟锡膜表面，所述第二金膜用于激发表面等离子共振；所述第二氧化铟锡膜覆于所述第二金膜表面；所述二氧化硅膜覆于所述第二氧化铟锡膜的表面，所述二氧化硅膜用于调节表面等离子共振的条件；所述氧化铜膜覆于所述二氧化硅膜的表面，所述氧化铜膜用于吸附水蒸气。
42.其中，第一氧化铟锡膜厚度为5nm，用于增加第二金膜和玻璃直角棱镜1的附着力；第二金膜厚度为40nm，用于激发spr；第二氧化铟锡膜厚度为5nm，用于增加第二金膜和二氧化硅膜的附着力；二氧化硅膜的厚度为74nm左右，其一是起到调节spr共振条件的作用，其二是使第二金膜和氧化铜膜不接触，即绝缘的作用；氧化铜膜厚度为10nm左右，用于对水蒸气即湿度敏感。利用真空镀膜设备制备薄膜样品，在空气环境下进行400℃退火60分钟，自
然冷却至室温。氧化铜膜具有吸湿性，空气环境中的水分子会以物理吸附的形式吸附在氧化铜膜表面，改变氧化铜膜表面的折射率，进而使表面等离子体共振条件发生变化，使反射率发生变化，最终使光电探测器阵列19探测的光强发生变化，使数据采集卡20采集到的电信号发生变化，实现传感功能。
43.从第一常规光纤法兰盘8出射的光，通过接头6，从第一光纤准直器5正入射进入玻璃直角棱镜1，在湿敏薄膜2上以45度入射角激发湿敏薄膜2上的表面等离子体共振，反射光正入射到厚度400nm的第一金膜3，被厚度400nm的第一金膜3反射，再次经过湿敏薄膜2的反射，进入第一光纤准直器5，从接头6出射，出射光经过第一常规光纤法兰盘8和第一光纤9，进入第二常规光纤法兰盘11。
44.表面等离子体共振传感技术常被用来检测外界折射率的变化或湿敏薄膜表面处介质的折射率的变化，具有高灵敏度的特点。准分布式湿度在线监测系统将氧化铜对水蒸气的响应转化为可远程传输的光信号，通过工作波段的选择，可以实现远程监测和高灵敏度测量，还具有可准分布式传感的优点。
45.所述探头模块22还包括：接头6和硬塑料直管4；所述第一光纤准直器5的一端通过所述接头6与所述传输模块连接，所述第一光纤准直器5的另一端通过所述硬塑料直管4与所述玻璃直角棱镜1连接。所述接头6为fc/apc接头。硬塑料直管4用来固定玻璃直角棱镜1和第一光纤准直器5，用紫外固化胶固定。
46.如图1所示，所述传输模块具体包括：光纤反射器7、第一常规光纤法兰盘8、2个第二常规光纤法兰盘11、第一光纤9以及第二光纤10。
47.所述接头6、所述第一常规光纤法兰盘8、所述第一光纤9以及一个所述第二常规光纤法兰盘11依次连接作为传感光路。
48.所述光纤反射器7、所述第二光纤10以及另一个所述第二常规光纤法兰盘11依次连接作为参考光路。光纤反射器7用于反射参考光，和参考光路的第二光纤10构成参考光路，用于减小远程传感监测中，传感光路的第一光纤9受到的外界扰动对测量结果的影响。第一光纤9以及第二光纤10分别用于传感光路和参考光路中光的传输。
49.为获得相对湿度远程监测的功能，准分布式湿度在线监测系统采用光纤通信c波段为工作波长，该波段是普通单模光纤唯一的低损耗波段。
50.准分布式湿度在线监测系统采用表面等离子体共振传感原理，为了采用强度调制的方式进行工作，必须使用光纤
‑
棱镜结合的探头形式，否则入射角度难以固定到某一确定值。
51.为了获得可准分布式传感的功能，结合准分布式湿度在线监测系统，必须使用波分复用器将ase宽带光源出射的宽带光同时分解为多路窄带光。
52.为了获得对相对湿度的敏感响应，准分布式湿度在线监测系统采用cuo薄膜作为敏感薄膜，不排除其他材料的薄膜对水蒸气也有敏感响应，但其他材料不在受专利保护的范围。
53.为了使初始反射率在0.5，即反射率变化最陡峭的角度位置，准分布式湿度在线监测系统利用一定厚度的sio2薄膜来调节共振条件，不排除其他材料的电解质薄膜也能够完成此功能，但其他材料不在受专利保护的范围。
54.相对于现有湿度传感技术，本发明提供的传感手段具有灵敏度更高、可远程监测、
可进行准分布式监测的优点。
55.高灵敏度来源于探头模块22，湿敏薄膜2的表面等离子体共振传感原理的应用。表面等离子体共振对薄膜外或薄膜介电常数变化具有高灵敏度的响应，因此基于表面等离子体共振的传感技术是近年来传感器研究的一个热点。准分布式湿度在线监测系统采用光纤通信c波段处的强度调制传感原理，当入射角度固定时，共振条件随湿敏薄膜2介电常数的变化而变化，湿敏薄膜2最外层氧化铜膜被水分子吸附后，湿敏薄膜2的介电常数变化导致反射光强度的变化。准分布式湿度在线监测系统将湿敏薄膜2对水蒸气的响应通过表面等离子体共振原理，转换成了光信号进行探测。因光纤通信c波段处的表面等离子体共振角谱响应极陡峭，所以其强度调制传感的灵敏度比短波长处的高。
56.可远程监测来源于系统终端的引入。准分布式湿度在线监测系统的工作波长选在光纤通信c波段，光纤通信c波段是光纤通信的低损耗波段，光信号可以在光纤中传播数十公里，因此光纤通信c波段不仅可以用来提高强度调制传感的灵敏度，还可以实现远程监测。
57.可进行准分布式监测的优点来源于系统终端。准分布式湿度在线监测系统的入射光是用第一波分复用器17从c波段ase宽带光源12中滤出而得到，最多将80路具有不同中心波长的光中的40路作为探头模块22的入射光，可以构成准分布式传感网络，最多支持40个探头模块22。
58.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
59.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。