温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置及方法与流程

1.本发明属于环境监测技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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-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。
4.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。
5.中国发明专利，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。中国发明专利，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。中国发明专利，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。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明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。
7.为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.本发明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。
16.本发明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：
17.(1)将支撑立杆锤击入土体，入土深度大于30cm，保证稳固；
18.(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；
19.(3)可将3-6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。
20.(4)通过公式(1)、(2)计算近地表空气温度与湿度：
21.[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]
本发明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定；
[0027]
(3)将连接杆、温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置、外围柱形框架整体送入孔内，外围柱形框架与孔的内壁贴合，回填经过筛选的原状土，回填高度为5～10cm；
[0028]
(4)安装击实质量块，击实质量块中心开孔，略大于连接杆的直径；
[0029]
(5)通过击实质量块击实原状土，提拉击实质量块以及外围柱形框架至原状土表层，按照上述步骤继续回填原状土，分层击实，直至孔口；
[0030]
(6)将3-6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；
[0031]
(7)通过公式(1)、(2)计算非饱和土体的温度与相对湿度，通过公式(3)计算总吸力：
[0032][0033]
其中，s
t
是非饱和土体的总吸力，kpa；r是通用气体常数，r＝8.31432j/(mol k)；t是绝对温度(k)，t＝273.16 t；t是以℃为单位的温度；ρw是水的密度，当t＝20℃时，ρw＝998kg/m3；υ0是水的密度的倒数，υ0＝1/ρw，m3/kg；ωv是水蒸气的克分子量，ωv＝18.016kg/kmol；rh为土体孔隙气体湿度，％rh。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0035]
1)采用光纤感测技术进行温湿度和吸力的同时监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广，相比于传统的点式监测法，利用光纤感测技术实现了准分布式监测。
[0036]
2)第一光纤光栅的光栅区域涂覆的湿度敏感材料为第二光纤光栅的光栅区域涂覆的材料为丙烯酸酯，可实现温度、湿度、吸力三参量同步监测，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，可在油气工业、核电工业、武器炸药库等复杂恶劣环境中使用。
附图说明
[0037]
图1是本发明的整体立体结构示意图；
[0038]
图2为本发明的爆炸图；
[0039]
图3为本发明的内部剖视图；
[0040]
图4为本发明的封装主体的立体结构示意图；
[0041]
图5为本发明的封装主体的右视图；
[0042]
图6为本发明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示意图；
[0043]
图7为本发明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示意图；
[0044]
图8为本发明的限位装置的示意图；
[0045]
图9为本发明的温度与湿度的标定图；其中，图a为在湿度11.3％、温度10～60℃条件时，第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长与温度的关系，图b为在温度25℃、湿度11.3～97.8％rh条件时，第一光纤光栅的波长与湿度的关系；
[0046]
图10为本发明的非饱和土体的湿度与总吸力的曲线图；其中，图a为在25℃下非饱和土孔隙空气的相对湿度与总吸力的曲线图，图b为在25℃下非饱和土中总吸力与第一光纤光栅的波长曲线图。
具体实施方式
[0047]
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0048]
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0049]
一方面，本发明公开了温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置，如图1-5所示，该装置包括封装主体11、滤芯12、连接套头13、第一光纤光栅14、第二光纤光栅15、光栅套管16、铠装引线17和出线端子18，封装主体11一端设置有连接套头13，连接套头13与滤芯12固定相连，封装主体11相对的另一端设置有光栅套管16，光栅套管16外部设置有铠装引线17，光栅套管16中心穿过铠装引线17，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤、光栅套管16以及铠装引线17中心穿过出线端子18，并通过粘结剂与出线端子18固定。
[0050]
封装主体11包括空心套筒21、螺纹连接柱22、光栅固定板23和光纤出线孔24，空心套筒21、螺纹连接柱22与光栅固定板23为一整体且三者同轴设置，空心套筒21一端部设置有螺纹连接柱22，螺纹连接柱22上设置有与连接套头13相适配的外螺纹，光栅固定板23一端穿过螺纹连接柱22并伸入至空心套筒21内，光栅固定板23相对的另一端设置有滤芯12，空心套筒21与滤芯12的直径相同，螺纹连接柱22上设置有两个光纤出线孔24，两个光纤出线孔24对称分布于光栅固定板23两侧，光纤出线孔24的直径为0.3～0.5mm。
[0051]
连接套头13一端与滤芯12固定，其另一端为开孔结构，孔内设置与外螺纹相适配的内螺纹，连接套头13通过内螺纹与外螺纹的配合固定于螺纹连接柱22上，滤芯12为高温
下粉末烧结的不锈钢多孔结构，孔径1～65μm，直径10～12mm，高度20～50mm，滤芯12通过粘结剂与连接套头13固定。
[0052]
第一光纤光栅14为湿度、吸力测量光栅，第一光纤光栅14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。
[0053]
第二光纤光栅15为温度测量光栅，第二光纤光栅15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。
[0054]
第一光纤光栅14和第二光纤光栅15固定于光栅固定板23两面，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15均通过粘结剂单端固定，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤分别穿入一个光纤出线孔24再穿出，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤穿过光纤出线孔24伸入至空心套筒21内，再从光栅套管16中心穿过，光栅套管16的直径为0.9～1.2mm，光栅套管16中心穿过铠装引线17，铠装引线17的直径为3～5mm。
[0055]
另一方面，本发明还公开了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。
[0056]
本发明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，如图6所示，包括以下步骤：
[0057]
(1)将支撑立杆31锤击入土体32，入土深度大于30cm，保证稳固；
[0058]
(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33插入支撑立杆31预留的孔洞中，通过螺丝34紧固；
[0059]
(3)可将3-6个温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33通过分路器并联，接入光纤解调设备，获取监测波长数据。
[0060]
(4)通过公式(1)、(2)计算近地表空气温度与湿度：
[0061][0062][0063]
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(％)。
[0064]
本发明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，如图7-8所示，包括以下步骤：
[0065]
(1)按照设计深度钻出直径为5～10cm的孔41，清理孔内残渣；
[0066]
(2)将温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33固定于连接杆42上，连接杆42为空心结构，其外径与温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33的外径一致，将第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤43拉直，通过连接杆42上部的锁线器44固定；
[0067]
(3)将连接杆42、温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33、外围柱形框架46整体送入孔41内，连接杆42通过限位装置45与外围柱形框架46固定于孔41内，外围柱
形框架46与孔41的内壁贴合；回填经过筛选的原状土48，回填高度为5～10cm；限位装置45配有固定孔51和限位孔52，固定螺丝穿过固定孔51将限位装置45与外围柱形框架46固定，限位螺丝通过限位孔52将限位装置45与连接杆42固定，如图7a所示；
[0068]
(4)将限位装置45拆除，安装击实质量块47，击实质量块47中心开孔，直径略大于连接杆42的直径，如图7b所示；
[0069]
(5)通过击实质量块47击实原状土48，提拉击实质量块47以及外围柱形框架46至原状土48表层，按照上述步骤继续回填钻出的孔，分层击实，直至孔口，如图7c所示；
[0070]
(6)将3-6个温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33通过分路器并联，接入光纤解调设备，获取监测波长数据；
[0071]
(7)通过公式(1)、(2)计算非饱和土体的温度与相对湿度，通过公式(3)计算总吸力：
[0072][0073]
其中，s
t
是非饱和土体的总吸力，kpa；r是通用气体常数，r＝8.31432j/(mol k)；t是绝对温度(k)，t＝273.16 t；t是以℃为单位的温度；ρw是水的密度，当t＝20℃时，ρw＝998kg/m3；υ0是水的密度的倒数，υ0＝1/ρw，m3/kg；ωv是水蒸气的克分子量，ωv＝18.016kg/kmol；rh为土体孔隙气体湿度，％rh。
[0074]
实施例1
[0075]
如图1-6和图9所示，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11、滤芯12、连接套头13、第一光纤光栅14、第二光纤光栅15、光栅套管16、铠装引线17和出线端子18，封装主体11一端设置有连接套头13，连接套头13与滤芯12固定相连，封装主体11相对的另一端设置有光栅套管16，光栅套管16外部设置有铠装引线17，光栅套管16中心穿过铠装引线17，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤、光栅套管16以及铠装引线17中心穿过出线端子18，并通过粘结剂与出线端子18固定。
[0076]
封装主体11包括空心套筒21、螺纹连接柱22、光栅固定板23和光纤出线孔24，空心套筒21、螺纹连接柱22与光栅固定板23为一整体且三者同轴设置，空心套筒21一端部设置有螺纹连接柱22，螺纹连接柱22上设置有与连接套头13相适配的外螺纹，光栅固定板23一端穿过螺纹连接柱22并伸入至空心套筒21内，光栅固定板23相对的另一端设置有滤芯12，空心套筒21与滤芯12的直径相同，螺纹连接柱22上设置有两个光纤出线孔24，两个光纤出线孔24对称分布于光栅固定板23两侧，光纤出线孔24的直径为0.5mm。
[0077]
连接套头13一端与滤芯12固定，其另一端为开孔结构，孔内设置与外螺纹相适配的内螺纹，连接套头13通过内螺纹与外螺纹的配合固定于螺纹连接柱22上，滤芯12为高温下粉末烧结的不锈钢多孔结构，孔径1～65μm，直径12mm，高度30mm，滤芯12通过粘结剂与连接套头13固定。
[0078]
第一光纤光栅14为湿度、吸力测量光栅，第一光纤光栅14的栅区长度为10mm，光栅区域涂覆的湿度敏感材料为涂覆的厚度为30μm，涂覆的长度为15mm。
[0079]
第二光纤光栅15为温度测量光栅，第二光纤光栅15的栅区长度为10mm，光栅区域涂覆的材料为丙烯酸酯，仅能响应温度的变化。
[0080]
第一光纤光栅14和第二光纤光栅15固定于光栅固定板23两面，第一光纤光栅14和
第二光纤光栅15均通过粘结剂单端固定，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤分别穿入一个光纤出线孔24再穿出，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤穿过光纤出线孔24伸入至空心套筒21内，再从光栅套管16中心穿过，光栅套管16的直径为0.9mm，光栅套管16中心穿过铠装引线17，铠装引线17的直径为3mm。
[0081]
本实施例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，如图6所示，包括以下步骤：
[0082]
(1)将支撑立杆31锤击入土体32，入土深度大于30cm，保证稳固；
[0083]
(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33插入支撑立杆31预留的孔洞中，通过螺丝34紧固；
[0084]
(3)可将3个温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33通过分路器并联，接入光纤解调设备，获取监测波长数据。
[0085]
(4)通过公式(1)、(2)计算近地表空气温度与湿度：
[0086][0087][0088]
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(％)。
[0089]
图9为温度与湿度的标定图，图a为在湿度11.3％、温度10～60℃条件时，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的波长与温度的关系，图b为在温度25℃、湿度11.3～97.8％rh条件时，第一光纤光栅14的波长与湿度的关系。
[0090]
实施例2
[0091]
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，如图7-8所示，包括以下步骤：
[0092]
(1)按照设计深度钻出直径为5cm的孔41，清理孔内残渣；
[0093]
(2)将温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33固定于连接杆42上，连接杆42为空心结构，其外径与温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33的外径一致(均为12mm)，将第一光纤光栅14和第二光纤光栅15的尾纤43拉直，通过连接杆42上部的锁线器44固定；
[0094]
(3)将连接杆42、温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33、外围柱形框架46整体送入孔41内，连接杆42通过限位装置45与外围柱形框架46固定于孔41内，外围柱形框架46与孔41的内壁贴合；回填经过筛选的原状土48，回填高度为5cm；限位装置45配有固定孔51和限位孔52，固定螺丝穿过固定孔51将限位装置45与外围柱形框架46固定，限位螺丝通过限位孔52将限位装置45与连接杆42固定，如图7a所示；
[0095]
(4)将限位装置45拆除，安装击实质量块47，击实质量块47中心开孔，直径为12.4mm，略大于连接杆42的直径，如图7b所示；
[0096]
(5)通过击实质量块47击实原状土48，提拉击实质量块47以及外围柱形框架46至
原状土48表层，按照上述步骤继续回填钻出的孔，分层击实，直至孔口，如图7c所示；
[0097]
(6)将3个温湿度和总吸力三参量同步测量的光纤监测装置33通过分路器并联，接入光纤解调设备，获取监测波长数据；
[0098]
(7)通过公式(1)、(2)计算非饱和土体的温度与相对湿度，通过公式(3)计算总吸力：
[0099][0100]
其中，s
t
是非饱和土体的总吸力，kpa；r是通用气体常数，r＝8.31432j/(mol k)；t是绝对温度(k)，t＝273.16 t；t是以℃为单位的温度；ρw是水的密度，当t＝20℃时，ρw＝998kg/m3；υ0是水的密度的倒数，υ0＝1/ρw，m3/kg；ωv是水蒸气的克分子量，ωv＝18.016kg/kmol；rh为土体孔隙气体湿度，％rh。
[0101]
图10为非饱和土体的湿度与总吸力的曲线图，图a为在25℃下非饱和土孔隙空气的相对湿度与总吸力的曲线图，图b为在25℃下非饱和土中总吸力与第一光纤光栅14的波长曲线图。
[0102]
余同实施例1。
[0103]
本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。
[0104]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。