本发明专利技术公开了温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置及方法，该装置包括封装主体、滤芯、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光栅套管和铠装引线，封装主体两端分别设滤芯和光栅套管，光栅套管外部设铠装引线，第一、第二光纤光栅从滤芯、封装主体和光栅套管穿出再固定于出线端子。本发明专利技术中，采用光纤感测技术进行温度、湿度和吸力三参量的同时监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广，利用光纤感测技术实现了准分布式监测，具有结构简单、尺寸小巧、易于安装、稳定性好、安全性高、测量精度高、灵敏度高、响应速度快、可批量生产等突出的优点，适用于地表空气温湿度的精细化监测以及非饱和土体的温度、湿度和吸力的监测。监测。监测。
【技术实现步骤摘要】
温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置及方法
[0001]本专利技术属于环境监测
，具体涉及温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置及方法。
技术介绍
[0002]湿度是一个重要的环境参量，它的测量对航空航天、采矿、医药、食品、农业、石化、电力等领域具有重要意义。目前常用的湿度传感器主要有电解质型湿度传感器、陶瓷型湿度传感器及高分子型湿度传感器，这些湿度传感器均存在一定的局限性：电解质型湿度传感器湿滞严重，测湿量程小，抗污性和耐久性差；陶瓷型湿度传感器精度不高，难以集成化；电容或电阻类高分子型湿度传感器的测量结果易受环境温度影响。
[0003]吸力是非饱和土中最重要的参数之一，目前几类监测方法中，非接触滤纸法、冷镜露点仪法、蒸汽平衡法一般用于室内试验，需预先制备压实土样，并受温度的影响，不适于原位测量，且无法满足实时测量的要求。热电偶湿度计、高分子电容湿度传感器、Sol
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gel电阻湿度传感器等经过封装后可被用于总吸力的原位测量中，但是，这三种方式均是基于电信号进行测量，在长期测量中其测试精度及稳定性会变差，且传感器的成本高、体积大、对电磁的敏感性高，无法在高温、高放射性、强电磁干扰的处置库中使用。
[0004]光纤监测技术具有体积小、成本低、耐高温、抗电磁干扰、耐久性好、可分布式和实时测量的独特优势，若能够基于光纤技术同步实现上述湿度和吸力的监测，将有广泛的应用前景。
[0005]中国专利技术专利，申请号为201810780619.7，公开了光纤湿度传感器、制作方法、数据处理方法及采集装置，该专利中的FBG涂覆有聚酰亚胺涂覆层，能响应湿度和温度的变化，但聚酰亚胺所需的响应时间较长、湿度灵敏度系数不高，且PI制作工艺复杂，固化温度及固化时间会影响湿敏元件的湿敏特性。中国专利技术专利，申请号为201921507331.9，公开了一种基于聚乙烯醇薄膜的全光纤湿度传感装置，将聚乙烯醇溶液滴在光纤光栅上，经过干燥处理后形成聚乙烯醇薄膜，当外界环境的湿度发生变化时，聚乙烯醇薄膜能够快速吸收和解析周围的水分，与外界湿度达到平衡，由此引起微纳光纤光栅的波长发生漂移，但聚乙烯醇的制作工艺复杂，与湿度之间的线性度一般，测量精度较低，稳定性较差，湿滞性较差，无法满足现在的测量要求。中国专利技术专利，申请号为201320883480.1，公开了一种基于光纤布拉格光栅的湿度传感结构，采用沉淀二氧化硅作为吸水材料，实现了湿度与温度的测量，但其将温度与湿度分为了两个独立个体，通过管内填充吸水材料的方式实现湿度敏感，但封装结构较为复杂，实际应用不便。
技术实现思路
[0006]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置及方法。
[0007]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，包括封装主体、滤芯、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光栅套管和铠装引线，所述封装主体一端设置有滤芯，封装主体相对的另一端设置有光栅套管，光栅套管外部设置有铠装引线，第一光纤光栅和第二光纤光栅均依次从滤芯、封装主体和光栅套管穿出再固定于出线端子。
[0009]进一步的，所述封装主体一端可拆卸式设置有连接套头，所述连接套头远离封装主体的一端与滤芯固定。
[0010]进一步的，所述封装主体包括空心套筒、螺纹连接柱、光栅固定板和光纤出线孔，所述空心套筒、螺纹连接柱与光栅固定板同轴设置，所述空心套筒一端部设置有螺纹连接柱，所述螺纹连接柱上设置有外螺纹，所述连接套头上设置与外螺纹相适配的内螺纹，所述光栅固定板一端穿过螺纹连接柱并伸入至空心套筒内，所述光栅固定板相对的另一端设置有滤芯，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别固定于光栅固定板的两面，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均通过粘结剂单端固定，所述螺纹连接柱上设置有若干个光纤出线孔，光纤出线孔分布于光栅固定板的不同侧。
[0011]进一步的，所述螺纹连接柱上设置有两个光纤出线孔，两个光纤出线孔对称分布于光栅固定板相对的两侧，所述光纤出线孔的直径为0.3～0.5mm，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的尾纤分别穿过一个光纤出线孔再伸入至空心套筒内，再从光栅套管中心穿出。
[0012]进一步的，所述滤芯为高温下粉末烧结的不锈钢多孔结构，孔径1～65μm，直径为10～12mm，高度20～50mm，所述滤芯通过粘结剂与连接套头固定，所述滤芯的直径与封装主体的空心套筒的直径相同。
[0013]进一步的，所述第一光纤光栅为湿度、吸力测量光栅，能响应湿度与吸力的变化，所述第一光纤光栅的栅区长度为10
±
4mm，光栅区域涂覆的湿度敏感材料为涂覆的厚度为30
±
5μm，涂覆的长度为15
±
5mm；所述第二光纤光栅为温度测量光栅，所述第二光纤光栅的栅区长度为10
±
4mm，光栅区域涂覆的材料为丙烯酸酯，仅能响应温度的变化。
[0014]进一步的，所述光栅套管的直径为0.9～1.2mm，所述光栅套管中心穿过铠装引线，所述铠装引线的直径为3～5mm。
[0015]本专利技术还公开了如上所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置在地表空气温湿度的精细化监测以及非饱和土体的温度、湿度和吸力的监测中的应用。
[0016]本专利技术公开的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置在地表空气温湿度的精细化监测中的应用方法，包括以下步骤：
[0017](1)将支撑立杆锤击入土体，入土深度大于30cm，保证稳固；
[0018](2)按照设计间距将温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置插入支撑立杆预留的孔洞中，通过螺丝紧固；
[0019](3)可将3
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6个温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置通过分路器并联，接入光纤解调设备，获取监测波长数据。
[0020](4)通过公式(1)、(2)计算近地表空气温度与湿度：
[0021][0022][0023]其中，RH为近地表空气相对湿度，％；t为近地表空气温度，℃；K
t1
、K
t2
分别是第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的温度灵敏度系数，pm/℃；K
RH
为第一光纤光栅14的湿度灵敏度系数，pm/％；Δλ1和Δλ2为第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的波长变化量，pm；t0、RH0分别为初始温度(℃)和初始相对湿度(％)。
[0024]本专利技术公开的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置在非饱和土体的温度、湿度和吸力的监测中的应用方法，包括以下步骤：
[0025](1)按照设计深度钻孔，清理孔内残渣；
[0026](2)将温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置固定于相适配的连接杆上，连接杆与温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置置于外围柱形框架内，将第一光纤光栅和第二光纤光栅的尾纤拉直并进行固本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，包括封装主体、滤芯、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光栅套管和铠装引线，所述封装主体一端设置有滤芯，封装主体相对的另一端设置有光栅套管，光栅套管外部设置有铠装引线，第一光纤光栅和第二光纤光栅均依次从滤芯、封装主体和光栅套管穿出再固定于出线端子。2.根据权利要求1所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，所述封装主体一端可拆卸式设置有连接套头，所述连接套头远离封装主体的一端与滤芯固定。3.根据权利要求2所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，所述封装主体包括空心套筒、螺纹连接柱、光栅固定板和光纤出线孔，所述空心套筒、螺纹连接柱与光栅固定板同轴设置，所述空心套筒一端部设置有螺纹连接柱，所述螺纹连接柱上设置有外螺纹，所述连接套头上设置与外螺纹相适配的内螺纹，所述光栅固定板一端穿过螺纹连接柱并伸入至空心套筒内，所述光栅固定板相对的另一端设置有滤芯，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别固定于光栅固定板的两面，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均通过粘结剂单端固定，所述螺纹连接柱上设置有若干个光纤出线孔，光纤出线孔分布于光栅固定板的不同侧。4.根据权利要求3所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，所述螺纹连接柱上设置有两个光纤出线孔，两个光纤出线孔对称分布于光栅固定板相对的两侧，所述光纤出线孔的直径为0.3～0.5mm，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅的尾纤分别穿过一个光纤出线孔再伸入至空心套筒内，再从光栅套管中心穿出。5.根据权利要求2所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，所述滤芯为高温下粉末烧结的不锈钢多孔结构，孔径1～65μm，直径为10～12mm，高度20～50mm，所述滤芯通过粘结剂与连接套头固定，所述滤芯的直径与封装主体的空心套筒的直径相同。6.根据权利要求1所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，所述第一光纤光栅为湿度、吸力测量光栅，能响应湿度与吸力的变化，所述第一光纤光栅的栅区长度为10
±
4mm，光栅区域涂覆的湿度敏感材料为涂覆的厚度为30
±
5μm，涂覆的长度为15
±
5mm；所述第二光纤光栅为温度测量光栅，所述第二光纤光栅的栅区长度为10
±
4mm，光栅区域涂覆的材料为丙烯酸酯，仅能响应温度的变化。7.根据权利要求1所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，其特征在于，所述光栅套管的直径为0.9～1.2mm，所述光栅套管中心穿过铠装引线，所述铠装引线的直径为3～5mm。8.根据权利要求1
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7任一所述的温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置在地表空气温湿度的精细化监测以及非饱和土体的温度、湿度和吸力的...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭君仪，施斌，贾立翔，卢俊武，魏广庆，史立洋，
申请(专利权)人：苏州南智传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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