用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器及传感装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术属于传感器技术领域，具体涉及一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器及传感装置。解决了现有技术中对土壤温度、湿度及pH进行单独测量存在的程序复杂、信号精度低等问题，包括设置在传感单元上的温度探测单元、湿度探测单元及pH探测单元；传感单元为光纤布拉格光栅；温度探测单元为第一段光纤布拉格光栅；湿度探测单元为包裹在第二段光纤布拉格光栅上的对水分敏感的聚合物层及包裹在对水分敏感的聚合物层上的纳米材料层；pH探测单元为包裹在第三段光纤布拉格光栅上的对pH值敏感的水凝胶层及包裹在对pH值敏感的水凝胶层上的纳米材料层。通过将该传感单元插入土壤中可以同时实现对土壤的温度、水分和pH值的实时检测。

【技术实现步骤摘要】
用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器及传感装置
本技术属于传感器
，具体涉及一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器。
技术介绍
随着工业化进程的快速发展、农药的大量使用，土壤污染越来越严重；土壤的土质很大程度上决定了农产品生长的品质。为改善土质，对土壤的主要参数实行检测是一种必要技术手段。主要包括温度、湿度和pH值的检测。现有的土壤温度、湿度及pH大都分别采用温度、湿度及pH电类传感器进行单独测量，具有以下缺点：1)、单独测量及管理，程序复杂；2)、单独多次插入传感设备，对植物周围土壤状态有影响；3)、如果要实现多点的检测，需要布置很多的传感点，供电和信号传输变得较为复杂；4)、电类的传感器容易受到外界电磁场的干扰，且容易被腐蚀，其使用寿命有限(一般不超过3年)。5)、单独测量不能保证位置及时间的统一，同时湿度和pH值的测量值会受到温度测量值变化的影响，需要考虑温度对其他两个测量值的影响。
技术实现思路
为了解决现有技术中对土壤温度、湿度及pH进行单独测量存在的上述问题，本技术提供一种可以同时实现温度、水分和pH值同时检测的一体式光纤传感器，能够同时检测温度、湿度及pH三个参量，在同一温度下检测湿度和pH值，排除温度对湿度和pH值的影响。本技术的技术方案是提供一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，包括传感单元，其特殊之处在于：还包括设置在传感单元上的温度探测单元、湿度探测单元及pH探测单元；上述传感单元为光纤布拉格光栅；将光纤布拉格光栅划分为三段，分别为第一段光纤布拉格光栅、第二段光纤布拉格光栅及第三段光纤布拉格光栅；上述温度探测单元为第一段光纤布拉格光栅；上述湿度探测单元为包裹在第二段光纤布拉格光栅上的对水分敏感的聚合物及包裹在对水分敏感的聚合物层上的纳米材料层；上述pH探测单元为包裹在第三段光纤布拉格光栅上的对pH值敏感的水凝胶及包裹在对pH值敏感的水凝胶层上的纳米材料层。进一步地，为了增加温度探测单元对温度的敏感度，上述温度探测单元还包括包裹在第一段光纤布拉格光栅上的温度增敏纳米材料层。进一步地，上述温度增敏材料为碳纳米管材料。进一步地，上述对水分敏感的聚合物为PMMA、PVC或硅胶材料；上述纳米材料为四氧化三铁、碳纳米管或石墨烯。进一步地，对水分敏感的聚合物层与纳米材料层的总层厚为10um～50um。进一步地，上述对pH值敏感的水凝胶为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸或聚丙烯酰胺。进一步地，对pH值敏感的水凝胶层和纳米材料总厚度为10um～50um。进一步地，第一段光纤布拉格光栅、第二段光纤布拉格光栅及第三段光纤布拉格光栅的长度相等。本技术还提供另一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，其特殊之处在于：包括网状金属管及位于所述网状金属管内的上述的用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器。本技术还提供另一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，包括通过光纤串联的多个上述的用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器。本技术的有益效果是：1、本技术选用光纤布拉格光栅作为传感单元，一个光栅上有三个临近的探测单元，分别用于温度、湿度及pH的实时监测，通过将该传感单元进行可靠的封装(网状金属管封装)，插入土壤中可以同时实现对土壤的温度、水分和pH值的实时检测，检测过程简单、方便，插入一次即可实现三组参数的测量，且采用光纤传感器使用寿命长。2、本技术将同时检测到的温度数据作为湿度和pH值检测的温度参考，消除湿度和pH值的测量值受温度测量值变化的影响，提高湿度和pH值的检测精度。3、本技术通过将多个上述传感器串联，实现对多个位置的温度、湿度和pH值的检测。附图说明图1为本技术实施例一中用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器结构示意图；图2为本技术实施例二中用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器结构示意图。图中附图标记为：1-温度探测单元，2-湿度探测单元，3-pH探测单元，4-一体式光纤布拉格光栅传感器；具体实施方式本技术选用光纤布拉格光栅作为传感单元，一个光纤布拉格光栅上有三个临近的探测单元，其中一段光纤布拉格光栅用于土壤温度的实时检测，一段通过涂覆对水分敏感的聚合物材料用于实现水分的实时测量，最后一段通过涂覆对pH值敏感的水凝胶实现对pH值的实时检测，三段光纤布拉格光栅的长度可以相等，也可以根据实际需求设定具体长度。通过将该传感单元进行可靠的封装，如利用网状金属管封装，插入土壤中可以同时实现对土壤的温度、水分和pH值的实时检测。以下结合附图及具体实施例对本技术做进一步地描述。实施例一从图1可以看出，本实施例用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器包括由光纤布拉格光栅构成的传感单元及依次设置在光纤布拉格光栅上的温度探测单元1、湿度探测单元2及pH探测单元3；可以将光纤布拉格光栅均划分为三段。其中第一段可以是裸光栅，用于对温度进行探测，也可以在其上涂覆温度增敏材料，如碳纳米管等，以提高该段对温度的敏感性。在第二段上涂覆对水分敏感的聚合物材料，用于对湿度进行探测，其中对水分敏感的聚合物材料包括PMMA、PVC或硅橡胶；为了进一步地提高湿度检测能力，还可以在对水分敏感的聚合物层表面喷涂纳米材料，如四氧化三铁、纳米管或石墨烯，本实施例中对水分敏感的聚合物层与纳米材料层的总层厚为10um-50um，在其他实施例中可以在10um～50um范围内取值。在第三段上涂覆对pH值敏感的水凝胶实现对pH值的检测，该水凝胶可以为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸或聚丙烯酰胺。水凝胶层和纳米材料层厚也可以在10um～50um范围内取值。该传感器由于三种涂覆材料的不同，探测时，会分裂出三个波长峰值，解调仪发出的宽带光源经过传感头后被反射回来，通过检测三个波长峰值的漂移可以同时实现对温度、湿度和pH值的同时检测，同时利用其中的用于温度检测的波峰作为湿度和pH值检测的温度参考。实施例二如图2所示，本实施例用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器包括通过连接光纤串联的n个实施例中的传感器，实现对多个位置的温度、湿度和pH值的检测，可以利用波分复用技术把传感器进行波分复用，对从传感头1～n反射回来的光波长进去解调仪进行处理。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，包括传感单元，其特征在于：还包括设置在传感单元上的温度探测单元、湿度探测单元及pH探测单元；/n所述传感单元为光纤布拉格光栅；将光纤布拉格光栅划分为三段，分别为第一段光纤布拉格光栅、第二段光纤布拉格光栅及第三段光纤布拉格光栅；/n所述温度探测单元为第一段光纤布拉格光栅；/n所述湿度探测单元为包裹在第二段光纤布拉格光栅上的对水分敏感的聚合物层及包裹在对水分敏感的聚合物层上的纳米材料层；/n所述pH探测单元为包裹在第三段光纤布拉格光栅上的对pH值敏感的水凝胶层及包裹在对pH值敏感的水凝胶层上的纳米材料层。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，包括传感单元，其特征在于：还包括设置在传感单元上的温度探测单元、湿度探测单元及pH探测单元；
所述传感单元为光纤布拉格光栅；将光纤布拉格光栅划分为三段，分别为第一段光纤布拉格光栅、第二段光纤布拉格光栅及第三段光纤布拉格光栅；
所述温度探测单元为第一段光纤布拉格光栅；
所述湿度探测单元为包裹在第二段光纤布拉格光栅上的对水分敏感的聚合物层及包裹在对水分敏感的聚合物层上的纳米材料层；
所述pH探测单元为包裹在第三段光纤布拉格光栅上的对pH值敏感的水凝胶层及包裹在对pH值敏感的水凝胶层上的纳米材料层。


2.根据权利要求1所述的用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，其特征在于：所述温度探测单元还包括包裹在第一段光纤布拉格光栅上的温度增敏材料层。


3.根据权利要求2所述的用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，其特征在于：所述温度增敏材料为碳纳米管。


4.根据权利要求3所述的用于温湿度、pH值检测的一体式光纤布拉格光栅传感器，其特征在于：所述对水分敏感的聚合物为PMMA、PVC或硅橡胶材料；所述纳米材料为四氧化三铁、碳纳米管或石墨烯。

【专利技术属性】
技术研发人员：董波，陈智坤，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西;61