基于多孔阳极氧化铝薄膜的F-P光纤传感技术研究

摘要

近年来，光纤传感技术由于其较大的灵敏度和小型化的优点，且可应用于电磁干扰，腐蚀和高温高压等恶劣环境，被认为是新型高科技产业之一。随着纳米技术的不断发展，越来越多性能优越的纳米材料得以开发，并应用于光纤传感中。其中阳极氧化多孔氧化铝薄膜具有孔径大小均匀、孔道相互平行、结构为六角形紧密堆积的柱形胞膜结构。由于多孔阳极氧化铝薄膜具有高度有序的多孔结构、巨大的比表面积和大量带负电荷的杂质离子，使得其广泛地应用为功能性薄膜材料。本文将阳极氧化多孔氧化铝薄膜应用于光纤传感中，利用紫外胶将薄膜粘贴在单模光纤端面，制备了三种传感器：折射率传感器、湿度传感器和氢气传感器，都表现出了优越的性能。主要研究工作如下：
　　（1）采用阳极氧化法制备了多孔氧化铝，并利用多孔特性，吸附液体，进行折射率测试。实验结果表明，折射率传感器能测量0-80％甘油浓度（折射率为1.333-1.443），且线性度高，重复性好。
　　（2）利用多孔氧化铝吸附水蒸汽特性，制成湿度传感器。30 V制备的湿度传感器能测量20%-90%的湿度范围，重复性，稳定性优异，但其响应时间较长（响应时间18min，回复时间22min）。本文根据三种不同电压下制备湿度传感器的性能对比结果，提出并验证了基于多孔阳极氧化铝薄膜的F-P型光纤湿度传感器吸收和释放理论，得出阳极电压越小，孔径越小，传感器性能越好的结论。其中硫酸体系的PAA薄膜孔径最小，灵敏度达到最大，为0.556nm/%RH。
　　（3）利用多孔阳极氧化铝修饰技术，在其表面沉积一层WO3/Pt纳米粉末，从而制成氢气传感器。但本文所制备氢气传感器能测量氢气浓度范围仅为1%-4%，且重复性较差。利用WO3/Pt纳米粉末的光解水特性，在氢气测试过程中，加入光照，光解WO3/Pt纳米粉末表面多余自由水，从而对传感器进行增敏。增敏后的传感器的等效灵敏度为0.64nm/%，且线性相关性达到99.896%。
　　本文的创新点在于将PAA薄膜用于光纤传感中，此外还利用PAA薄膜表面修饰技术，使得纳米材料也得以应用于光纤传感中，既能发挥多孔阳极氧化铝的优点，又能发挥光纤传感器的优点，具有极大的应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 基于多孔阳极氧化铝薄膜传感研究的背景及意义

1.2国内外阳极氧化铝薄膜材料的研究近况

1.3 光纤传感器的分类

1.4 本文主要内容及创新点

第2章 多孔氧化铝F-P光纤传感器制备及传感机理

2.1 二次阳极氧化制备多孔氧化铝

2.2 基于多孔阳极氧化铝薄膜传感器制备

2.3基于多孔阳极氧化铝介质薄膜的多光束干涉

2.4 探头传感特性的数值模拟

2.5 本章小结

第3章 基于多孔阳极氧化铝光纤折射率传感器

3.1 光纤折射率传感器研究概述

3.2基于阳极氧化铝光纤折射率传感器实验系统

3.3 折射率传感器实验过程及结果讨论

3.4 本章小结

第4章 基于多孔阳极氧化铝光纤湿度传感器

4.1 光纤湿度传感器研究概述

4.2 湿度传感器实验系统

4.3 湿度传感器实验过程及结果讨论

4.4 本章小结

第5章基于多孔阳极氧化铝光纤氢气传感器

5.1 光纤氢气传感器研究概述

5.2 氢气传感器制备

5.3基于多孔阳极氧化铝光纤氢气传感器实验系统

5.4 基于多孔阳极氧化铝氢气传感器实验结果讨论

5.5 本章小结

第6章 总结

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果