本申请涉及光学传感测量技术领域，尤其涉及一种光纤光栅温湿度传感器。
背景技术：
电力系统的安全稳定运行离不开相应的测量设备，如电压互感器、电流互感器等。以电压互感器为例，传统的电压互感器一般采用电容分压、电阻分压或电磁式电压互感器的型式，由于工作原理的限制，这类互感器通常测量频带窄、绝缘性能差，限制了其在电力系统中的应用。而光学互感器的出现和发展成为解决这一问题的重要途径，光学互感器具有无源设计、体积小、绝缘性好、频率特性好、灵敏度高等特点。
但光学互感器也存在一些问题与缺陷，光学互感器的测量特性主要取决于光电晶体的转换特性，但这类光电晶体的转换特性受温度和湿度影响较大。因此，为了进一步提高光学互感器的长期监测精度，确保其工作的可靠性，需要对光学互感器工作的相关环境参数进行有效的监控，而温度和湿度就是需要重点监控的指标。
目前，一般在光学互感器附近的工作环境中分别设置温度传感器和湿度传感器，但现有的电子式温度传感器和湿度传感器容易受到电磁干扰，如采用光纤式的温度传感器和湿度传感器，还会额外增加设备成本。为此，本领域技术人员研发出了单独的光纤式传感器同时测量温度和湿度，然而关于光纤式温湿度传感器的研究相对较少，且测量的灵敏度和精度并不理想。
技术实现要素：
本申请提供一种光纤光栅温湿度传感器，以解决现有光纤式温湿度传感器的灵敏度和测量精度较低的问题。
本申请提供一种光纤光栅温湿度传感器，包括：纤芯、包层和保护套管，所述包层套设于所述纤芯的外部，所述纤芯包括第一纤芯段和第二纤芯段，所述包层包括第一层段和第二层段，所述第一层段与所述第一纤芯段对应，所述第二层段与所述第二纤芯段对应；
所述保护套管套设于所述第二层段的外部，所述第一纤芯段中刻有第一光纤光栅，所述第二纤芯段中刻有第二光纤光栅；
所述包层采用环烯烃聚合物；
所述保护套管采用聚甲基丙烯酸甲酯。
可选地，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为光纤布拉格光栅。
可选地，所述纤芯为直径8μm的单模纤芯。
可选地，所述包层的直径为100μm。
可选地，所述保护套管的外径为150μm。
可选地，所述第一光纤光栅的布拉格中心波长为841.21nm。
可选地，所述第二光纤光栅的布拉格中心波长为855.32nm。
本申请提供的一种光纤光栅温湿度传感器，其包层采用环烯烃聚合物，该聚合物材料具有较好的耐热性和低吸湿性，而在包层的第二层段套设有保护套管，该保护套管采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，这种材料对湿度具有高敏感度。第一光纤光栅刻在第一纤芯段，第一纤芯段外部仅套设有包层的第一层段；第二光纤光栅刻在第二纤芯段，第二纤芯段外部依次套设有包层的第二层段以及保护套管，由于环烯烃聚合物的湿度灵敏性相对于聚甲基丙烯酸甲酯的湿度灵敏性低一些，因此，第一光纤光栅和第二光纤光栅的温湿度响应特性不同，可根据两者的温湿度响应特性，协同计算出温度值和湿度值，从而提高了传感器的测量精度，且本申请提供的传感器具有良好的温湿度灵敏性以及较大的测量范围，具有抗电磁干扰、测量精度高、响应速度快和降低设备成本等优点，有利于精确监测光学互感器工作环境的温度和湿度，进而保证光学互感器工作的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光纤光栅温湿度传感器的结构图；
图2为本申请实施例示出的50℃时第一光纤光栅和第二光纤光栅的湿度响应图；
图3为本申请实施例示出的相对湿度为50％时第一光纤光栅和第二光纤光栅的温度响应图；
图4为本申请实施例示出的校验值与传感器测量值的对比图。
图例说明：
11-纤芯；111-第一纤芯段；112-第二纤芯段；12-包层；121-第一层段；122-第二层段；13-保护套管；113-第一光纤光栅；114-第二光纤光栅。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本申请实施例提供一种光纤光栅温湿度传感器，包括：纤芯11、包层12和保护套管13，包层12套设于纤芯11的外部，纤芯11包括第一纤芯段111和第二纤芯段112，包层12包括第一层段121和第二层段122，第一层段121与第一纤芯段111对应，第二层段122与第二纤芯段112对应；
保护套管13套设于第二层段122的外部，第一纤芯段111中刻有第一光纤光栅113，第二纤芯段112中刻有第二光纤光栅114；
包层12采用环烯烃聚合物；
保护套管13采用聚甲基丙烯酸甲酯。
在本实施例提供的技术方案中，第一光纤光栅113刻在第一纤芯段111，第一纤芯段111的外部对应套设有包层12的第一层段121，第一层段121采用环烯烃聚合物，比如ZEONEX480R型号的环烯烃聚合物材料；第二光纤光栅114刻在第二纤芯段112，第二纤芯段112的外部依次套设有包层12的第二层段122、以及保护套管13，第二层段122采用环烯烃聚合物，保护套管13采用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)。
环烯烃聚合物，具有高耐热性、低吸湿、透明度高、弹性模量低，且具有良好的光学性能。聚甲基丙烯酸甲酯，具有良好的绝缘性和机械强度，透光率高，耐冲击，耐高温，且对湿度具有高敏感性。由于第一光纤光栅113和第二光纤光栅114封装条件和密封材料的不同，使得第一光纤光栅113和第二光纤光栅114具有不同的温湿度响应特性。本申请根据两个光纤光栅的温湿度响应特性，协同计算环境的温度值和湿度值。相较于传统的光纤光栅温湿度传感器采用将温度和湿度分离测量或补偿测量的方式，本实施例提供的传感器能同时测量温度和湿度两个环境参数，可以降低设备成本，减少安装空间的占用，且测量精度更高，对温湿度灵敏性更好，尤其对于电力系统而言，由于光纤光栅具有强抗电磁干扰能力，可以大大降低测量误差，测量结果更加稳定可靠。
本实施例中，第一光纤光栅113和第二光纤光栅114为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)。纤芯11为单模纤芯，有利于光信号的远距离传输。
制作该传感器时，首先在纤芯11的外部套设包层12，在整体包层12的外部再套设PMMA管，最后拉成平均直径150μm的纤维。包层12的直径为100μm，保护套管13厚度为25μm，即保护套管13的外径为150μm。纤芯11是直径为8μm，孔距比为0.42的单模纤芯。
然后，取长度为50cm的按照上述方法制得的光纤，将光纤的末端连接起来，从光纤前端起，用丙酮将PMMA管前5cm对应的一段蚀刻(对应图1中的虚线部分)，则将包层12的第一层段121显露出来，PMMA管剩余的未被蚀刻的部分形成保护套管13，保护套管13仅包裹包层12的第二层段122。在第一层段121对应的第一纤芯段111中，距离光纤前端4cm处刻有第一光纤光栅(FBG1)，其布拉格波长为865.62nm，然后将FBG1置于常规烘箱中，在90℃下退火3小时，其布拉格波长蓝移至847.79nm。FBG1退火2厘米后，第二光纤光栅(FBG2)被刻在第二纤芯段112中，FBG2的布拉格波长为866.11nm。本方法中使用的光栅铭刻技术可参照现有技术进行。最后，在环境气候室(CLIMACELL，MMM组)中，两个光纤光栅在85℃和90％的相对湿度(Relative Humidity，RH)下一起退火24小时，以稳定操作传感器。退火后的FBG1和FBG2的新布拉格波长分别为841.21nm和855.32nm。用微结构聚合物材料得到的纤维去制作该传感器，可以同时测量温度和湿度。
本申请所述的光纤光栅温湿度传感器的制造材料选用微结构聚合物，由于聚合物光纤光栅传感器具有加工温度低，弯曲柔韧性高，断裂韧性高，易于操作等特点，可以减小传感器的制作难度和成本。另外，传感器材料的低杨氏模量、高弹性应变极限和生物相容性，利于基于光纤光栅的温湿度检测的研究和应用。本实施例所述的传感器具有良好的耐高温和高湿的能力，以及对温度和湿度的高灵敏性，不仅能实现温度和湿度双参数同时测量，还能保证良好的测量精度和响应速度。
具体地，第一光纤光栅113的温湿度响应特性为：
Δλ1＝α1ΔT+β1ΔH
上式中，Δλ1为第一光纤光栅的波长变化值；ΔT为温度变化值；ΔH为相对湿度的变化值；α1为第一光纤光栅的温度拟合系数；β1为第一光纤光栅的相对湿度拟合系数。
第二光纤光栅114的温湿度响应特性为：
Δλ2＝α2ΔT+β2ΔH+γ2ΔH2
上式中，Δλ2为第一光纤光栅的波长变化值；ΔT为温度变化值；ΔH为相对湿度的变化值；α2为第二光纤光栅的温度拟合系数；β2为第二光纤光栅的一阶相对湿度拟合系数；γ2为第二光纤光栅的二阶相对湿度拟合系数。
按照下式计算温度变化值ΔT和相对湿度变化值ΔH：
上式中，
根据所述温度变化值ΔT和所述相对湿度变化值ΔH，计算当前环境下的温度测量值和相对湿度测量值。
第一光纤光栅的温度拟合系数α1、第一光纤光栅的相对湿度拟合系数β1、第二光纤光栅的温度拟合系数α2、第二光纤光栅的一阶相对湿度拟合系数β2以及为第二光纤光栅的二阶相对湿度拟合系数γ2，这些系数与传感器的结构和材料特性有关的值，因此，通过多次实验数据进行多项式拟合，得到对应的系数值，然后结合两个光纤光栅的波长信号Δλ1和Δλ2，即可计算出温度变化值ΔT和相对湿度变化值ΔH，从而计算出当前环境下温度测量值和相对湿度测量值。
下面示出按照前述制作方法所得到的传感器的校准实验，在一个气候室内，使用超连续谱光源(SuperK Compact，NKT Photonics)作为宽带光源，在气候箱实验期间使用光谱仪(CCS175-Compact Spectrometer，Thorlabs)连续跟踪和记录光栅的工作状态。首先，相对湿度测量是在恒温50℃，相对湿度10-90％RH的条件内进行，如图2所示，为50℃时50℃时第一光纤光栅FBG1和第二光纤光栅FBG2的湿度响应图；以及，温度测量是在相对湿度50％，温度20-80℃的条件下进行的，如图3所示，为相对湿度为50％时第一光纤光栅FBG1和第二光纤光栅FBG2的温度响应图。
在气候室内不同温湿度条件下，根据光谱仪，可获取第一光纤光栅FBG1和第二光纤光栅FBG2波长变化，即得到Δλ1和Δλ2，进行可计算得到第一光纤光栅的温度拟合系数α1、第一光纤光栅的相对湿度拟合系数β1、第二光纤光栅的温度拟合系数α2、第二光纤光栅的一阶相对湿度拟合系数β2以及为第二光纤光栅的二阶相对湿度拟合系数γ2，如下表1所示：
表1
如图4所示，根据表1的数据并结合前述公式，可通过配备的测量系统计算得到传感器温湿度的测量值/重建值(Reconstruction)，并根据实验过程中得到的标准数据(Calibration)，得到重建值的相对湿度的均方根偏差仅为1.04％RH，温度的均方根偏差仅为0.8℃，说明本申请提供的光纤光栅温湿度传感器不仅能有效实现温度和湿度双参数的同时测量，还能提高温湿度测量的精度和可靠性。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种光纤光栅温湿度传感器，其包层采用环烯烃聚合物，该聚合物材料具有较好的耐热性和低吸湿性，而在包层的第二层段套设有保护套管，该保护套管采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，这种材料对湿度具有高敏感度。第一光纤光栅刻在第一纤芯段，第一纤芯段外部仅套设有包层的第一层段；第二光纤光栅刻在第二纤芯段，第二纤芯段外部依次套设有包层的第二层段以及保护套管，由于环烯烃聚合物的湿度灵敏性相对于聚甲基丙烯酸甲酯的湿度灵敏性低一些，因此，第一光纤光栅和第二光纤光栅的温湿度响应特性不同，可根据两者的温湿度响应特性，协同计算出温度值和湿度值，从而提高了传感器的测量精度，且本申请提供的传感器具有良好的温湿度灵敏性以及较大的测量范围，具有抗电磁干扰、测量精度高、响应速度快和降低设备成本等优点，有利于精确监测光学互感器工作环境的温度和湿度，进而保证光学互感器工作的可靠性和稳定性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。