CN108318062B - 一种光纤光栅温湿度传感器及温湿度测量*** - Google Patents

一种光纤光栅温湿度传感器及温湿度测量*** Download PDF

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Abstract

本申请公开一种光纤光栅温湿度传感器及温湿度测量***,所述传感器包括:纤芯、包层和保护套管,包层套设于纤芯的外部,纤芯包括第一纤芯段和第二纤芯段,包层包括第一层段和第二层段,第一层段与第一纤芯段对应,第二层段与第二纤芯段对应;保护套管套设于第二层段的外部,第一纤芯段中刻有第一光纤光栅,第二纤芯段中刻有第二光纤光栅;包层采用环烯烃聚合物;保护套管采用聚甲基丙烯酸甲酯。温湿度测量***包括光源、准直透镜、上述光纤光栅温湿度传感器、光电转换器及信号处理电路。本申请能提高传感器测量温湿度的精度和灵敏度,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,实现光学互感器工作环境温湿度的精确监测。

Description

一种光纤光栅温湿度传感器及温湿度测量***
技术领域
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及温湿度测量***。
背景技术
电力***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***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。
发明内容
本申请提供一种光纤光栅温湿度传感器及温湿度测量***,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。
第一方面,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,所述纤芯为单模纤芯。
第二方面,本申请还提供一种温湿度测量***,包括:光传感测量子***和信号处理电路;
所述光传感测量子***包括:光源、准直透镜、光电转换器以及如上所述的光纤光栅温湿度传感器;
所述准直透镜,用于将光源发出的散射光转化为平行光;
所述光纤光栅温湿度传感器,用于实时测量温度和相对湿度,并向所述光电转换器发送第一光信号和第二光信号;
所述光电转换器,用于将第一光信号和第二光信号转换成第一电信号和第二电信号;
所述信号处理电路包括:放大电路、A/D转换器和中央处理单元;
所述中央处理单元,用于根据第一光纤光栅和第二光纤光栅的温湿度响应特性,计算温度测量值和相对湿度测量值。
进一步地,所述第一光纤光栅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。
进一步地,所述第二光纤光栅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。
进一步地,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。
可选地,所述***还包括报警单元,所述报警单元与所述中央处理单元连接;
当温度测量值低于预设温度范围的下限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第一报警信号;所述报警单元根据第一报警信号,发出报警提示;
当温度测量值高于预设温度范围的上限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第二报警信号;所述报警单元根据第二报警信号,发出报警提示;
当相对湿度测量值低于预设湿度范围的下限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第三报警信号;所述报警单元根据第三报警信号,发出报警提示;
当相对湿度测量值高于预设湿度范围的上限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第四报警信号;所述报警单元根据第四报警信号,发出报警提示。
可选地,所述***还包括温湿度反馈调节单元,用于根据所述中央处理单元的测量结果,对工作环境的温度和相对湿度进行反馈调节。
可选地,所述***还包括通信模块,所述通信模块包括人机接口、WIFI单元、RS485接口和USB接口;所述人机接口连接键盘和显示器。
本申请提供的光纤光栅温湿度传感器及温湿度测量***的有益效果如下:
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。在本申请提供的温湿度测量***中,光源发出的散射光经准直透镜后转化为平行光,平行光入射到光纤光栅温湿度传感器中,在外界相应的温度和湿度环境中,分别获取两个光纤光栅反射波长的光信号,通过信号的转化处理后,分别根据两个光纤光栅的温湿度响应特性,计算当前环境的温度值和湿度值,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一种温湿度测量***的组成结构图;
图3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4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5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:
1-光纤光栅温湿度传感器;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;2-光源;3-准直透镜;4-光电转换器;5-信号处理电路;51-放大电路;52-A/D转换器;53-中央处理单元;54-报警单元;55-温湿度反馈调节单元;56-通信模块;561-WIFI单元;562-RS485接口;563-USB接口;564-人机接口;565-键盘;566-显示器。
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***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(FiberBragg Grating,FBG)。纤芯11为单模纤芯,有利于光信号的远距离传输。
本实施例示出一种上述光纤光栅温湿度传感器的制作方法,具体步骤如下所示:
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。
本申请实施例还提供一种温湿度测量***,如图2所示,所述***包括:光传感测量子***和信号处理电路5;
光传感测量子***包括:光源2、准直透镜3、光电转换器4以及如上所述的光纤光栅温湿度传感器1;
光源2可采用LD光源,用于为光纤光栅温湿度传感器1提供入射光;
准直透镜3,用于将光源2发出的散射光转化为平行光;
光纤光栅温湿度传感器1,用于实时测量温度和相对湿度,并向所述光电转换器4发送第一光信号和第二光信号;
光电转换器4,用于将第一光信号和第二光信号转换成第一电信号和第二电信号;
信号处理电路5包括:放大电路51、A/D转换器52和中央处理单元53;
放大电路51,用于将第一电信号和第二电信号进行放大处理;A/D转换器52,用于将放大处理后的第一电信号和第二电信号进行A/D转换;
中央处理单元53,用于根据第一光纤光栅113和第二光纤光栅114的温湿度响应特性,计算温度测量值和相对湿度测量值。
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。
作为本实施例的可选方案,所述***还包括报警单元54和温湿度反馈调节单元55,报警单元54与中央处理单元53连接;为了使光学传感器处于一个稳定的工作环境中,为避免环境中温度和湿度出现异常,可以在中央处理单元53中预设一个温度范围/区间,以及一个湿度范围/区间,当温度测量值不在温度范围/区间内,或者相对湿度测量值不在湿度范围/区间内,则发出警报,温湿度反馈调节单元55还可根据中央处理单元53的测量结果,对工作环境的温度和相对湿度进行反馈调节。
当温度测量值低于预设温度范围的下限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第一报警信号;所述报警单元根据第一报警信号,发出报警提示;
当温度测量值高于预设温度范围的上限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第二报警信号;所述报警单元根据第二报警信号,发出报警提示;
当相对湿度测量值低于预设湿度范围的下限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第三报警信号;所述报警单元根据第三报警信号,发出报警提示;
当相对湿度测量值高于预设湿度范围的上限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第四报警信号;所述报警单元根据第四报警信号,发出报警提示。
上述四种报警信号所发出的报警提示不同,比如发出不同的声音和/或不同颜色的提示光等,以使现场人员能更好地区分当前环境的异常状态,异常状态包括:温度过高、温度过低、相对湿度过高、相对湿度过低。
所述***还包括通信模块56,所述通信模块56包括人机接口564、WIFI单元561、RS485接口562和USB接口563。人机接口564连接键盘565和显示器566,显示器566用于实时显示当前环境温度和相对湿度的变化和状态,实现远程监控,还可通过键盘565修改***预设参数等,使***达到远程监控、动态、可控的工作模式。还可通过WIFI单元561和RS485接口562连接上位管理机,即通过有线/无线连接的方式,实现***的监测、管理和数据共享。还可通过USB接口563实现测量数据的导出和另存。
下面示出采用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3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4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5所示,根据表1的数据并结合前述公式,可通过测量***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及其测量***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。在本申请提供的温湿度测量***中,光源发出的散射光经准直透镜后转化为平行光,平行光入射到光纤光栅温湿度传感器中,在外界相应的温度和湿度环境中,分别获取两个光纤光栅反射波长的光信号,通过信号的转化处理后,分别根据两个光纤光栅的温湿度响应特性,计算当前环境的温度值和湿度值,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发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、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发明的一般性原理并包括本发明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,本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是,本发明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。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种温湿度测量***,其特征在于,包括:光传感测量子***和信号处理电路;
所述光传感测量子***包括:光源、准直透镜、光电转换器以及光纤光栅温湿度传感器;所述光纤光栅温湿度传感器包括纤芯(11)、包层(12)和保护套管(13),所述包层(12)套设于所述纤芯(11)的外部,其特征在于,所述纤芯(11)包括第一纤芯段(111)和第二纤芯段(112),所述包层(12)包括第一层段(121)和第二层段(122),所述第一层段(121)与所述第一纤芯段(111)对应,所述第二层段(122)与所述第二纤芯段(112)对应;所述保护套管(13)套设于所述第二层段(122)的外部,所述第一纤芯段(111)中刻有第一光纤光栅(113),所述第二纤芯段(112)中刻有第二光纤光栅(114);所述包层(12)采用环烯烃聚合物;所述保护套管(13)采用聚甲基丙烯酸甲酯;
所述准直透镜,用于将光源发出的散射光转化为平行光;
所述光纤光栅温湿度传感器,用于实时测量温度和相对湿度,并向所述光电转换器发送第一光信号和第二光信号;
所述光电转换器,用于将第一光信号和第二光信号转换成第一电信号和第二电信号;
所述信号处理电路包括:放大电路、A/D转换器和中央处理单元;
所述中央处理单元,用于根据第一光纤光栅和第二光纤光栅的温湿度响应特性,计算温度测量值和相对湿度测量值;
其中,所述第一光纤光栅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;
所述第二光纤光栅的温湿度响应特性为:
Δλ2=α2ΔT+β2ΔH+γ2ΔH2
上式中,Δλ2为第二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。
2.根据权利要求1所述的温湿度测量***,其特征在于,所述***还包括报警单元,所述报警单元与所述中央处理单元连接;
当温度测量值低于预设温度范围的下限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第一报警信号;所述报警单元根据第一报警信号,发出报警提示;
当温度测量值高于预设温度范围的上限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第二报警信号;所述报警单元根据第二报警信号,发出报警提示;
当相对湿度测量值低于预设湿度范围的下限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第三报警信号;所述报警单元根据第三报警信号,发出报警提示;
当相对湿度测量值高于预设湿度范围的上限值时,所述中央处理单元向所述报警单元发送第四报警信号;所述报警单元根据第四报警信号,发出报警提示。
3.根据权利要求1所述的温湿度测量***,其特征在于,所述***还包括温湿度反馈调节单元,用于根据所述中央处理单元的测量结果,对工作环境的温度和相对湿度进行反馈调节。
4.根据权利要求1所述的温湿度测量***,其特征在于,所述***还包括通信模块,所述通信模块包括人机接口、WIFI单元、RS485接口和USB接口;所述人机接口连接键盘和显示器。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110864830A (zh) * 2018-08-27 2020-03-06 南京采薇且歌信息科技有限公司 一种适于宽温度范围的光纤光栅传感器
CN112254749A (zh) * 2020-10-30 2021-01-22 杭州柔米科技有限公司 一种高聚物双光纤光栅微检测***及其制备方法
CN112763458A (zh) * 2020-12-24 2021-05-07 汕头大学 一种基于马赫曾德干涉的光纤湿度检测装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202869694U (zh) * 2012-11-13 2013-04-10 长城信息产业股份有限公司 一种光纤光栅温度/湿度传感器
CN203629606U (zh) * 2013-10-21 2014-06-04 武汉福翰科技有限公司 光纤光栅温湿传感器及温湿度检测***
CN103852428A (zh) * 2014-03-12 2014-06-11 西安石油大学 一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器及其制备方法
WO2015181155A1 (en) * 2014-05-26 2015-12-03 Danmarks Tekniske Universitet Optical sensor for measuring humidity, strain and temperature
CN105928989A (zh) * 2016-07-18 2016-09-07 南京信息工程大学 基于π型巨压阻结构的湿度传感器及其温漂修正方法
CN106546274A (zh) * 2016-10-19 2017-03-29 暨南大学 细芯光纤布拉格光栅温度和应变传感器及其检测方法
CN106650064A (zh) * 2016-12-09 2017-05-10 华东师范大学 一种基于粒子模型的凝结现象仿真方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8123400B2 (en) * 2008-04-16 2012-02-28 Ofs Fitel, Llc Multi-core fiber grating sensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202869694U (zh) * 2012-11-13 2013-04-10 长城信息产业股份有限公司 一种光纤光栅温度/湿度传感器
CN203629606U (zh) * 2013-10-21 2014-06-04 武汉福翰科技有限公司 光纤光栅温湿传感器及温湿度检测***
CN103852428A (zh) * 2014-03-12 2014-06-11 西安石油大学 一种基于多模纤芯和光纤光栅的湿度传感器及其制备方法
WO2015181155A1 (en) * 2014-05-26 2015-12-03 Danmarks Tekniske Universitet Optical sensor for measuring humidity, strain and temperature
CN105928989A (zh) * 2016-07-18 2016-09-07 南京信息工程大学 基于π型巨压阻结构的湿度传感器及其温漂修正方法
CN106546274A (zh) * 2016-10-19 2017-03-29 暨南大学 细芯光纤布拉格光栅温度和应变传感器及其检测方法
CN106650064A (zh) * 2016-12-09 2017-05-10 华东师范大学 一种基于粒子模型的凝结现象仿真方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Simultaneous measurement of humidity and temperature based on a partially coated optical fiber long period grating;Aitor Urrutia等;《Sensors and Actuators B: Chemical》;第227卷;第 、135-141页 *
光纤湿度传感器研究进展;曾传卿;《计测技术》;第30卷;第11-15页 *

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