微纳光纤结构湿度传感器的特性和实验研究

摘要

随着科技的快速发展，很多领域里需要对湿度进行实时监测，近年来出现的光纤湿度传感器由于其耐高温、耐腐蚀、可在强电磁干扰等恶劣环境下正常工作而备受关注。然而传统的光纤湿度传感器受光纤结构和湿敏膜厚度的约束，其响应速度低、灵敏度不高而不能被广泛应用。
　　本文提出两种基于微纳光纤结构的高灵敏度、高响应速率的湿度传感器，并对其特性进行研究，主要如下：
　　一、提出一种基于微光纤布拉格光栅结构的湿度传感器。该传感器结构为通过将光纤布拉格光栅腐蚀至数十微米制成微光纤光栅，在微纳区域外部包裹湿敏材料含氟聚酰亚胺薄膜，制成湿度传感器。针对不同参数的传感器的灵敏度和响应速度进行研究，实验结果表明，与普通光纤光栅湿度传感器相比，微光纤光栅湿度传感器的灵敏度可提升至1.5倍以上；更重要的是，响应速度可大幅提高，微光纤光栅湿度传感器的响应时间可缩短至普通光纤光栅湿度传感器的响应时间的8.3％。
　　二、提出改进型的双光栅微光纤结构湿度传感器。该结构为同一根光纤上刻写两个反射中心波长相同的光纤布拉格光栅，两光栅间的光纤被腐蚀为微纳光纤，并在该区域包裹含氟聚酰亚胺薄膜。通过实验证明，微纳光纤的使用可提高传感器的灵敏度，引入双光纤布拉格光栅结构，使光纤湿度传感器可同时监测温度和湿度的变化，解决微光纤光栅湿度传感器对温度和湿度交叉敏感的问题。由于其反射光谱为多个连续的反射峰，故该传感器比较适用于湿度变化小的环境监测中。
　　本文主要在结构的设计创新、加工制作、以及特性测试等方面对两种不同结构的光纤湿度传感器进行实验研究。制作出在灵敏度和响应速度上超越普通光纤光栅湿度传感器的微纳光纤结构湿度传感器，并且双光栅微光纤结构湿度传感器解决了光纤湿度传感器对温度和湿度交叉敏感的问题，进一步拓宽了光纤光栅在湿度传感领域的发展道路。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 光纤光栅传感器简介

1.3 光纤珐珀传感器简介

1.4 微纳光纤简介

1.5 本文的研究背景及主要内容

第二章 微光纤光栅和双光栅微光纤结构理论基础

2.1 微纳光纤传输特性

2.2 光纤光栅基本原理

2.3 光纤珐珀腔基本原理

2.4 含氟聚酰亚胺的湿敏特性

2.5 本章小结

第三章 微光纤光栅湿度传感的特性和实验研究

3.1 微光纤光栅湿度传感器的传感原理

3.2 微光纤光栅湿度传感器的制备

3.3 微光纤光栅湿度传感器的湿度实验

3.4 本章小结

第四章 双光栅微光纤湿度传感的特性和实验研究

4.1 双光栅微光纤湿度传感器的传感原理

4.2 双光栅微光纤湿度传感器的制备

4.3 双光栅微光纤湿度传感器的实验

4.4 本章小结

第五章 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献