为了获得农场物理模型的水分，已经开发出一种覆盖有聚酰亚胺膜的光纤布拉格光栅湿度传感器。出了聚酰亚胺溶液与光纤布拉格光栅之间的耦合方法。用拉伸法对布拉格光纤湿度传感器（PFBG）进行水分监测涂层校准相对湿度范围为20％至90％。理模型材料在35°C的环境温度条件和35％至65％的湿度下进行测试，这给出了加湿过程中内部水分的平衡时间。湿，以及温度变化规律。验表明，在加湿过程中，模型的内部温度和湿度在相同的时间内达到稳定状态，而在除湿过程中，模型的内部湿度达到稳定状态。度达到相应时间的2.5倍。于模型内外的湿度差异，模型的内部加湿响应率相当于除湿率的3倍，室外湿度变化30％RH和温度2.3°C模型。究结果有助于理解干燥过程并确定物理相似性模型。燥时间。型的材料;光纤布拉格湿度传感器;湿度反应;测试技术中图分类号：TD 325文献编码：CHAI Jing1，2，LIU Qi1，ZHANG Bo1光纤湿度传感器，物理模型材料的温湿度耦合，李毅1，2，张定Ding1，2，袁强1（1.科学和能源的技术学院，科技西安，西安710054，中国科学技术大学;用于预防重点实验室来自西方的采矿和灾害，教育部摘要：为了获得物理相似性模型的水分，开发了一种光纤布拉格光栅湿度传感器，涂覆的聚酰亚胺膜。聚酰亚胺溶液（PI）和布拉格光栅的光纤，以及将所述提拉法为布拉格湿度传感器光纤，这在腔室中被校准的制造方法之间湿度范围为20至90％RH的气候。理模型设备在恒温（35°C）和35％至65％相对湿度的相对湿度下进行测试，以及模型内部时间和温度的变化。得了干燥课程。模型材料的内部温度和湿度所需的时间达到一个相对稳定的状态是相似的，但在外部除湿的过程中，对内部的水分所需的时间达到平衡状态是等于内部温度的2.5倍。型内外的相对湿度差异相同，加湿的响应速度比除湿的响应速度高3倍。环境湿度从30°H而变化，该模型内部的温度从2.3℃下的搜索的结果的范围为理解之时物理相似度模型和估计的干燥过程的规则关键词：模型材料，基于FBG的湿度传感器，水分响应，测试技术水分（含水量）是影响岩石物理力学性质的主要因素之一不仅是岩体的应力条件和变形特征，而且还有岩体的强度和稳定性。孔介质（模型材料）中水的运输（湿度变化）与其温度相关[1]。理模型试验是岩石力学的主要实验方法之一。进行岩层控制的物理相似性模型试验时，改变模型材料的水分（含水量）可能导致机械性能的变化（如湿度限制）和物理性质的改变（如强度，弹性模量，即软化）。干燥时间的模型是基于习惯[2]通常确定，并且通常的判断方法将导致模型的机械性能，这可能导致模型与实际机械条件之间类似误差的偏差，影响模型。试的准确性。分是从近年来出现的湿球和干球灯湿度传感器，恒温阀芯电子湿度传感器和光纤湿度传感器测量的。纤布拉格光栅（FBG）传感器因其与传统测量方法的不同特性而被广泛应用于各个领域[3]。有的电容式，电感式和电阻式电感水分仪具有较差的长期漂移和互换性，不能用于受电磁干扰严重干扰的环境[4-5] 。参数传感器装置比干球和湿球传感器更实用，更准确。电子传感器相比，光纤光栅传感器装置对电磁干扰不敏感，构成测量装置本质安全（即阻燃，防爆），并且由于其体积小，更容易安装在狭小的空间内并进行远距离网络测量即使在无法放置电子传感器的区域[6-8]。据不同的传感原理，光纤湿度传感器可分为光纤布拉格光栅湿度传感器，行波湿度传感器，主动吸收湿度传感器，调制周期长的光纤，光学干涉湿度传感器和光纤布拉格光栅。式传感器与干扰相结合[9]。于光纤布拉格光栅湿度传感器，近年来研究的重点一直是改善光纤网络的涂层材料和涂层结构。Yeo等人。析了布拉格光纤网络上涂覆的聚酰亚胺薄膜的湿度传感特性，并在22％至97％RH的湿度范围内进行了测试。感器的灵敏度为45 pm /％RH，响应时间为15分钟，苗银平等材料用聚乙烯醇材料涂覆在纤维网络上[10]响应时间为2秒.Berruti等人改进了聚酰亚胺材料的制备[11]。量湿度范围的下限为0％相对湿度，但湿度上限仅能达到75％RH。orreia等。发了一种纤维网络水分测量方法，使用二氧化硅/二尿嘧啶作为护套，水分测量范围高达5％。
95％HR.W。
Zhang等人研究了没有涂层的聚甲基丙烯酸甲酯纤维的湿度敏感特性[12]，并将灵敏度提高到33.6μm/％RH响应时间7分钟。文在恒温恒湿条件下，对某型号模型材料进行了除湿加湿试验，并通过传感器实时记录模型材料。涂有聚酰亚胺的布拉格纤维产生的水分，预先开发出来的。部某个地方的相对湿度变化，研究模型材料上外部湿度的变化。案权响应中的温度和湿度。的研究结果有助于理解类似物理模型的干燥过程并确定干燥时间。扩散的一维传递原理类似模型材料的含水量变化主要是由于石膏的内部水化消耗和干燥损失。单位时间水含量的变化在公式中是ΔW，其对应于模型材料的总水含量的变化; ΔWh是由石膏的水合损失引起的水含量的变化，ΔWd是由干燥损失引起的水分含量的变化。膏的水化和水的扩散可导致模型材料中的水变化：在整个干燥过程中，模型材料的每相的水处于不饱和状态处于热平衡状态，可以参考吸附/解吸理论研究相互作用关系[13]。分含量变化与水分变化之间的关系如式（3）所示：Hht是石膏的水合作用，它引起模型材料的水分随时间的变化; Hdt是由于水在模型材料中的扩散而作为时间函数的模型材料的水分变化; Tt是模型。料温度变化对湿度和k的影响是当石膏的水分含量和水合作用恒定时温度变化对模型材料的水分含量的影响。验表明，温度变化对模型材料的水分变化影响不大，可以认为是k0，因此公式（3）被重写为Fick第二定律所知。且在测试条件下仅研究水分。一个方向上的一维透射问题，扩散对材料内部水分的影响是D是由模型材料的内部水分和材料的混合比确定的水扩散系数。料; x是沿传输方向的坐标。过将等式（6）代入等式（5），可以获得PFBG检测原理和校准检测原理PFBG。过周期性地分布折射率特性形成光纤布拉格光栅。纤在轴向上反射相位适应条件。余的入射光是一种从网络另一端传输的光纤网络。拉格光栅传感器（FBG）可直接用于测量变形和温度。温度和作用在网络上的应力发生变化时，光纤中传输的反射光中心的波长发生变化，这可以用公式[14]中的λB表示，是中心波长。映; ΔλB是反射的中心波长变化; α和ζ是纤维的热膨胀系数和热光系数; Pe和ε分别是光纤的光学系数和轴向变形; ΔT是环境温度变化的幅度。FBG仅对温度和温度敏感为了测量环境湿度，将聚酰亚胺（聚甲醛，PI）湿敏材料施加到布拉格裸光纤网络的表面。成湿度传感器，即PFBG。要特征是去除除湿和吸湿膨胀，这又导致电压影响FBG的中心波长。据等式（8），PFBG中心波长变化与湿度之间的关系可表示为[15]，其中εT是光纤涂覆后光纤的热膨胀系数。敏膜; εRH分别是湿敏膜的湿膨胀系数。AP和Af分别是薄膜和纤维的横截面; EP和Ef分别是薄膜和纤维的杨氏模量; αP（RH）和αP（T）分别是湿敏膜的湿膨胀和热膨胀系数; αf（RH）和αf（T）分别是潮湿介质中的膨胀系数和光纤的热膨胀系数。感器校准PFBG为了提高粘合效果和应力的聚酰亚胺涂层和连接的网络之间的传送，N-羟乙基用作偶联剂过滤和布喇格光纤用于监控后通过拉伸过程涂覆水分。度传感器（PFBG）[16]创建了一个长度为30 mm的传感器检测区域，如图1（b）所示。持测试环境的温度恒定，湿度范围为20％至90％RH，并校准涂有22μm厚PI膜的PFBG湿度传感器以测量关系在中心波长偏移和湿度之间，如图2（a）所示，表明所开发的PFBG传感器的中心波长偏移与水分具有良好的线性关系。能PFBG传感器由température.Les的变化影响传感器感应特性通过将厚度为涂覆有PI膜22微米选择的传感器PFBG在10至恒定湿度的测定温度如图2（b）所示，所开发的PFBG传感器的中心波长偏移与温度具有良好的线性关系，这对传感器的温度特性几乎没有影响。FBG。续测试的结果必须通过该特征温度曲线进行补偿。试表示类似材料和混合比例在该测试中模型材料内的水分扩散是在一维传输中设计的。机玻璃模具尺寸为160 mm×160 mm×160 mm，并覆盖一层5 cm厚的泡沫绝缘材料。表面覆盖有防水塑料薄膜。表面与空气接触，以确保整个模具高度的湿度。
维传输。试验中，模型材料的细骨料为砂子，天然砂，细度模数为23，凝胶为石膏粉和白色粉末，石膏粉的主要化学成分CaSO 4，硬度为1.5至2.0N / mm 2，相对密度为2.3g。色粉末的主要化学成分CaCO3的相对密度为2.71 g / cm3，模型材料的砂，石膏和白色粉末的质量分数为0.9：0.03：将一些物质与水混合，得到重量和含水量为5.95％的模型。件。图3所示，所使用的温度和湿度传感器是PFBG和FBG传感器，分别位于距模型材料表面一定距离处，并置于恒温恒湿室中。越的计算机软件可在恒定温度和湿度下控制和调节腔室内的温度和湿度变化。过集成的温度和湿度传感器实时读取恒温恒湿室中的温度和湿度值。纤湿度和温度传感器的另一端跳接到SM225光纤布拉格光栅解调器，分辨率为1μm，可测量的波长范围为1，510到1，590nm。
用恒温和潮湿的室调节环境温度和湿度。（HS-50），湿度设定的精度为0.5％RH。纤湿温传感器的中心波长变化由光纤光栅解调器读取。管1测试将一组FBG传感器（每个包含1个FBG温度传感器和1个PFBG传感器）放置在离模型材料20mm处。加湿试验期间，将含有模型材料的模型盒置于烘箱中并在35％的相对湿度下，在设定温度为35℃和相对湿度的恒温恒湿室中干燥。35％RH。1天;将模型箱置于恒温恒湿室中，设定温度为35℃，相对湿度为65％RH。期记录模型材料中指定位置的相对湿度和温度;测试继续进行，直到模型材料内的相对湿度。平衡状态结束时，估计模型材料中的平衡状态在10分钟内小于1％的相对湿度。除湿试验中，使用加湿器将含有模型材料的模型外壳加湿至65％的相对湿度;将模型箱置于恒温恒湿室中，设定温度为35℃，相对湿度为65％RH，保持1天，然后置于恒温恒湿室中，设定温度为35℃，相对湿度35％RH。录模型材料中指定位置的相对湿度和温度，并进行测试，直到模型材料中的相对湿度达到稳定状态。试件2测试将四组FBG传感器放置在距离模型材料表面25，50，100和160mm的模型盒中。干燥和固化过程中，将配置的图案盒放置在室外环境中15天，然后放置在恒温恒湿室中。温恒湿室中定义的温度和湿度为分别为35℃和35％RH。期记录模型材料在25，50，100和160mm深度处的相对湿度和温度，并且进行测试直到模型材料内的相对湿度达到状态。定。试结果及分析通过在加湿和除湿测试的FBG温度传感器测量的模型的内部温度的响应特性示于图加湿除湿模型的内部温度的响应。4.）响应时间。加湿和除湿试验中，模型材料的内部温度发生显着变化，内部温度必须等于或接近稳定状态，持续时间为2，500，3，400小时。s;）响应过程。加湿试验中，从0到550秒，模型材料内的温度逐渐增加20毫米，温度的增加速率逐渐降低，最终达到最大变化值43° ℃;从550到2，500秒，温度逐渐地，温度的降低速率逐渐降低，最终内部温度与初始状态相比增加2，3°C并达到稳定状态。
加湿测试中，水蒸气在模型内部扩散，并且与热传递平行，外部热量通过湿度传递到模型内部，这导致增加模型的渐进内部温度。加湿试验开始时，外部环境将热量传递给模型材料，伴随着从模型表面到底部的热传递。初，由于内部湿度梯度大在模型材料之外，从外部环境到模型材料的热传递速率比模型材料的传热速率快。度传热率的特点是模型材料温度升高，速度加快：加湿试验展开，内外湿度梯度模型的外部减小，并且从外部环境到模型材料的热传递速率比模型材料的表面层减慢得更慢。度处的传热速率表现为温度降低，最后表现为稳定状态。从0到1350 S中的除湿测试，模型材料内的温度逐渐从在表面上，降温速率逐渐减小20毫米减小并达到了912秒的稳定状态;从2 262到3400 s，温度逐渐降低，最终内部温度从初始状态降低2.3°C并达到稳定状态。除湿测试中，水蒸气在模型外部蒸发并吸收模型材料内的热量，导致内部温度逐渐降低并达到平衡状态。衡。
除湿测试开始时，模型材料内外的相对湿度梯度很重要，水分传递的传热速率更快，内部温度降低。快速随着除湿测试的进行，模型内外的相对湿度梯度减小，减少了热传递。率降低并达到稳定状态。分和除湿模型内部水分响应在加湿和除湿测试中由PFBG传感器测量的模型的内部水分响应特性如图2所示。5.从等式（9），可以知道PFBG传感器的中心波长是独立的，并且通过温度和湿度的组合线性叠加。此，使用图3中所示的调节温度曲线补偿温度。2b，从而消除了PFBG传感器中心的温度。长的影响发生变化。
）响应时间。加湿和除湿测试期间，模型材料的内部水分明显落后于外部水分。部和外部湿气需要一些时间才能达到或接近稳定的状态。间是2000，8000秒，模型内外的湿度差异。同一情况下，模型的内部加湿响应率是除湿率的4倍;）响应过程。加湿试验期间，模型材料的初始相对湿度设定为35％的相对湿度和室外环境的相对湿度至65％RH。0到1，000秒，表面层中模型的相对湿度从22.1％RH增加到20mm，变化率更快。1000s到2000s加入2.2％的相对湿度，变化速度减慢并最终达到稳定状态。对湿度改变24.3％RH。湿度测试中，在65％RH下检查模型材料的初始相对湿度。部环境的相对湿度为35％RH，介于0和4000秒之间。型表面的相对湿度从20.5％RH降低到20 mm，变化速度更快：从4000到8000 s，降低了375％。HR，变化速度缓慢且达到稳定状态。对湿度变为24.3％RH。型内部水分的响应速度在开始和之后更快。要原因是模型的外部湿度和内部湿度梯度在测试开始时很重要，并且来自外部环境的水分传输速率更快：在提前测试中，模型内部和外部的湿度梯度降低，并且外部环境相对于内部水分传输速率降低。为时间函数的湿度曲线的斜率减小。型内部的水分变化具有滞后现象，这基本上是表面模型材料的水分传递过程。于模型材料的孔结构特征，外部环境与内部水分转移过程相比，它相对较慢，因此模型的内部湿度低于外部环境的湿度。加湿试验相比，模型对环境中水分的响应的滞后性更明显，即模型的加湿响应明显快于除湿响应当环境温度和初始内部和外部湿度的差异相同时。是因为在干燥过程中，湿物质在模型材料的孔中的运输已经克服湿孔的通过毛细管孔的吸附，从而降低了湿物质的输送速率，湿扩散也与极限有关。据条件，模型材料的外部湿源在加湿过程中是足够的，并且模型材料的内部湿源在加湿过程中受到限制。加湿模型的内部湿度和温度响应与加湿测试中的内部温度和模型湿度进行比较，如图4所示。6.当室外湿度变化时，模型的内部温度响应更快，内部湿度不会发生显着变化，甚至呈现下降趋势。温度响应速率稳定时，模型内的湿度开始变化。型的内部温度和湿度在相似的时间内达到稳定状态：约380秒，模型的内部湿度增加并且温度以均匀的速率增加。论）模型材料的相对湿度明显低于外界环境。型材料内部和外部的相对湿度必须处于或接近平衡一段时间。加湿和除湿，通过逐渐减小所述内部相对湿度响应率逐渐减小模型的材料的内部和外部的相对湿度之间的差值的方法;）下相同的湿度差在模型内外，模型的内部加湿响应率是除湿率的4倍;）在加湿过程中，内部温度和到达模型。衡时间是相似的，表明当模型材料被润湿并且速率没有显着不同时，传质过程伴随着传热。
除湿过程中，模型材料的内部水分达到稳态时间，等于温度稳态时间的2.4倍。句话说，传热速率比传质速率快;）在加湿和除湿过程中，模型的内部温度达到稳定状态，这表明速率de transfert de chaleur est moins affecté par la montée et la baisse d’humidité extérieure， l’humidité extérieure varie de 30% HR et le matériau du modèle est interne. La température change de 2，恒温阀芯3 ° C; pendant le processus d’humidification， la température interne augmente puis diminue， puis pendant le processus de déshumidification， la température interne diminue et la vitesse de changement diminue.
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