基于马赫-曾德尔与迈克尔逊结构的光纤相对湿度传感器研究
发布时间：2021-07-20 02:47
在人类活动的各领域中,湿度是人们关注的一个重要物理参量,有效地获取环境湿度信息对生产生活过程具有重要的指导意义。光纤湿度传感器具有抗电磁干扰,灵敏度高,性价比高,稳定性及复用性好等特点,不仅可以在日常生产生活中代替传统湿度传感器,而且能够满足在易燃易爆、强电磁干扰等恶劣环境中人们对湿度测量的需求。为了进一步探索光纤湿度传感器的湿度传感性能,本文研究了两种干涉结构的光纤湿度传感器,并对其湿度测量性能进行了详细的研究。文中主要的研究内容和取得的研究结果如下:（1）基于聚酰亚胺湿敏材料制作了一种全单模光纤马赫-曾德尔相对湿度传感器,并进行了实验测量。结果表明,当传感光纤长度分别为2.5 cm、3 cm和3.5 cm时,传感器的湿度响应灵敏度分别为-0.12458 d B/%RH、-0.20216 d B/%RH和-0.15201d B/%RH。其中传感光纤长度为3 cm的温度灵敏度为0.0577 nm/oC。该传感器具有制作简单、成本低、相对湿度灵敏度高、同时测量相对湿度和温度等优点,在相对湿度测量领域具有广阔的应用前景。（2）提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的具有聚酰亚胺...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤结构示意图
第一章绪论3作为一种利用全内反射原理实现光波传输的线型材料，光纤一般是由较高折射率的纤芯与较低折射率的包层两部分组成，外部的涂覆层可以对光纤起到保护作用，其具体结构如图1.1所示：图1.1光纤结构示意图由于具有良好的传光特性，光纤不仅可以用于信息的传递，还可以利用一定的光学器件将外界物理量与光纤内传输光束的特性变化联系起来。在20世纪70年代后期，美国海军便开始了光纤传感器研究计划。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤传输至传感调制区域，被测量在调制区与光发生相互作用，导致光的相位、强度、波长以及频率等光学性质产生相应变化从而成为被调制光。当被调制的信号光经光纤传入光探测器后，通过光信号解调便能够得到待测量的相关信息。光纤传感器的传感原理可如下图所示：图1.2光纤传感器原理示意图光纤传感技术的核心是传感区内的光束与外界物理量相互作用，光束的相位、强度、频率、波长、偏振态等都可以受到外界量的调制。在光纤传感结构的设计中，根据光纤在传感器中作用的不同，光纤传感器可以分为以下三类：（1）功能型（传感型）光纤传感器：光纤不仅作为传光介质，而且将光纤本身作为敏感元件，使得光纤内传输光的强度、相位、波长、频率等特性产生变
西北大学硕士学位论文6着传感器技术的发展，如今湿度传感器已经获得了广泛应用。湿度监测的要求可能因具体应用场合的不同而有所不同，因此各种各样的技术被开发出来进行湿度测量。从最简单的利用材料的膨胀和收缩的方法，到使用微型化电子芯片进行湿度检测的复杂技术，无论是进行直接的湿度表征，还是利用探测元件对水蒸气的响应，人们一直在探索寻求更加快速、可靠的湿度测量方法[36-40]。湿度控制对提高生活质量、提高工农业生产效率具有重要意义。理想的湿度传感器应该具有高灵敏度、长期耐用性、快速响应、低成本、复用性强和在大范围的湿度和温度下工作的能力。图1.3湿度传感在各领域的应用示例1.3.1湿度传感器类型典型的机械式湿度计的原理是基于特定材料会在变化的湿度条件下发生膨胀和收缩，常用的材料有合成纤维与毛发[41,42]。机械式湿度计是通过将材料与应变计或其它类似的机械装置相连接以测量因湿度变化引起的机械位移，在使用前一般需要进行校正，以便将位移标准与环境中的湿度水平联系起来。机械湿度计成本低，易于实现，但湿度测量速度慢，并且存在固有的非线性和滞后问题，需要在湿度测量时进行补偿，因此不适合应用于湿度条件快速变化的环境中。常见的电类湿度传感器的测量原理是基于介电材料的电容或导电材料的电阻随湿度的变化而变化[43,44]。其中，电容式湿度传感器受传感距离限制。多数电类湿度传感器结构简单，成本低，但只能测量有限范围的湿度变化，在高湿度条件下表现出滞后性和漂移，对化学干扰和积尘也比较敏感，长期稳定性不足。
【参考文献】：
期刊论文
[1]粮仓光纤温湿度监测技术研究[J]. 王涛,王纪强,赵林. 粮油仓储科技通讯. 2019(06)
[2]干湿球法测高温烟气湿度的误差研究[J]. 苑继超,顾冬梅. 河北冶金. 2019(S1)
[3]露点测湿技术优势探究[J]. 杨会兵,王晓蕾,赵世军,宋海润,王鹏程. 气象科技. 2019(04)
[4]不同温度下测量相对湿度的研究[J]. 裴立宁. 中国计量. 2019(08)
[5]低湿度测量研究现状[J]. 蔡晨,张学范,辛宗伟,崔剑,孙文慧,任万杰. 化学分析计量. 2019(S1)
[6]机械式温湿度计的特性研究[J]. 张文东,崔体运,沈淘淘,张勇,程菲. 工业计量. 2019(04)
[7]电容式铜掺杂氧化锌湿度传感器的特性[J]. 叶子,孙宁,刘伟景. 微纳电子技术. 2019(05)
[8]电容式湿度传感器专利技术综述[J]. 李进. 科学技术创新. 2018(25)
[9]工作用湿度计量器具的比较与选择[J]. 徐慧娟. 计量技术. 2014 (11)
[10]光纤化学传感技术研究近况[J]. 汪舰,魏建平,杨波,高志扬,张利伟,杨学峰. 光谱学与光谱分析. 2014(08)
硕士论文
[1]光纤微结构器件制作与特性研究[D]. 刘鑫.西安石油大学 2018
[2]干涉型的光纤流速及液位传感器研究[D]. 王煜.浙江大学 2018
[3]基于干涉原理的光纤传感特性研究[D]. 彭兆状.北京工业大学 2017
[4]光纤传感器的研制及其应用研究[D]. 平智超.北京理工大学 2016
本文编号：3291963
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤结构示意图
第一章绪论3作为一种利用全内反射原理实现光波传输的线型材料，光纤一般是由较高折射率的纤芯与较低折射率的包层两部分组成，外部的涂覆层可以对光纤起到保护作用，其具体结构如图1.1所示：图1.1光纤结构示意图由于具有良好的传光特性，光纤不仅可以用于信息的传递，还可以利用一定的光学器件将外界物理量与光纤内传输光束的特性变化联系起来。在20世纪70年代后期，美国海军便开始了光纤传感器研究计划。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤传输至传感调制区域，被测量在调制区与光发生相互作用，导致光的相位、强度、波长以及频率等光学性质产生相应变化从而成为被调制光。当被调制的信号光经光纤传入光探测器后，通过光信号解调便能够得到待测量的相关信息。光纤传感器的传感原理可如下图所示：图1.2光纤传感器原理示意图光纤传感技术的核心是传感区内的光束与外界物理量相互作用，光束的相位、强度、频率、波长、偏振态等都可以受到外界量的调制。在光纤传感结构的设计中，根据光纤在传感器中作用的不同，光纤传感器可以分为以下三类：（1）功能型（传感型）光纤传感器：光纤不仅作为传光介质，而且将光纤本身作为敏感元件，使得光纤内传输光的强度、相位、波长、频率等特性产生变
西北大学硕士学位论文6着传感器技术的发展，如今湿度传感器已经获得了广泛应用。湿度监测的要求可能因具体应用场合的不同而有所不同，因此各种各样的技术被开发出来进行湿度测量。从最简单的利用材料的膨胀和收缩的方法，到使用微型化电子芯片进行湿度检测的复杂技术，无论是进行直接的湿度表征，还是利用探测元件对水蒸气的响应，人们一直在探索寻求更加快速、可靠的湿度测量方法[36-40]。湿度控制对提高生活质量、提高工农业生产效率具有重要意义。理想的湿度传感器应该具有高灵敏度、长期耐用性、快速响应、低成本、复用性强和在大范围的湿度和温度下工作的能力。图1.3湿度传感在各领域的应用示例1.3.1湿度传感器类型典型的机械式湿度计的原理是基于特定材料会在变化的湿度条件下发生膨胀和收缩，常用的材料有合成纤维与毛发[41,42]。机械式湿度计是通过将材料与应变计或其它类似的机械装置相连接以测量因湿度变化引起的机械位移，在使用前一般需要进行校正，以便将位移标准与环境中的湿度水平联系起来。机械湿度计成本低，易于实现，但湿度测量速度慢，并且存在固有的非线性和滞后问题，需要在湿度测量时进行补偿，因此不适合应用于湿度条件快速变化的环境中。常见的电类湿度传感器的测量原理是基于介电材料的电容或导电材料的电阻随湿度的变化而变化[43,44]。其中，电容式湿度传感器受传感距离限制。多数电类湿度传感器结构简单，成本低，但只能测量有限范围的湿度变化，在高湿度条件下表现出滞后性和漂移，对化学干扰和积尘也比较敏感，长期稳定性不足。
【参考文献】：
期刊论文
[1]粮仓光纤温湿度监测技术研究[J]. 王涛,王纪强,赵林. 粮油仓储科技通讯. 2019(06)
[2]干湿球法测高温烟气湿度的误差研究[J]. 苑继超,顾冬梅. 河北冶金. 2019(S1)
[3]露点测湿技术优势探究[J]. 杨会兵,王晓蕾,赵世军,宋海润,王鹏程. 气象科技. 2019(04)
[4]不同温度下测量相对湿度的研究[J]. 裴立宁. 中国计量. 2019(08)
[5]低湿度测量研究现状[J]. 蔡晨,张学范,辛宗伟,崔剑,孙文慧,任万杰. 化学分析计量. 2019(S1)
[6]机械式温湿度计的特性研究[J]. 张文东,崔体运,沈淘淘,张勇,程菲. 工业计量. 2019(04)
[7]电容式铜掺杂氧化锌湿度传感器的特性[J]. 叶子,孙宁,刘伟景. 微纳电子技术. 2019(05)
[8]电容式湿度传感器专利技术综述[J]. 李进. 科学技术创新. 2018(25)
[9]工作用湿度计量器具的比较与选择[J]. 徐慧娟. 计量技术. 2014 (11)
[10]光纤化学传感技术研究近况[J]. 汪舰,魏建平,杨波,高志扬,张利伟,杨学峰. 光谱学与光谱分析. 2014(08)
硕士论文
[1]光纤微结构器件制作与特性研究[D]. 刘鑫.西安石油大学 2018
[2]干涉型的光纤流速及液位传感器研究[D]. 王煜.浙江大学 2018
[3]基于干涉原理的光纤传感特性研究[D]. 彭兆状.北京工业大学 2017
[4]光纤传感器的研制及其应用研究[D]. 平智超.北京理工大学 2016
本文编号：3291963
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