基于锥形光纤的湿度传感系统设计
发布时间：2021-01-13 10:40
环境湿度在传统与新兴领域发挥着重要的作用。近年来,各行业对湿度测量的要求不断提高,光纤湿度传感器凭借抗电磁干扰、体积小、灵敏度高、耐腐蚀等诸多优点逐渐成为湿度传感领域的研究热点。锥形光纤因其独特的结构特性,相对于普通光纤在很大程度上提高了光纤传感器的响应速度,缩小了器件的尺寸,拓展了其应用范围。本文选用氧化石墨烯作为湿敏材料,提出了一种新型锥形光纤湿度传感系统设计,主要内容包括:首先,介绍了光纤湿度传感器的分类,讨论了国内外光纤湿度传感技术的发展现状,从几何理论与波动理论的角度分析了光在锥形光纤中的传输特性,进一步分析了倏逝波传感理论,奠定了湿度传感实验研究的理论基础。讨论了锥形光纤的不同制备方式,实验最终采取熔融拉锥法制备双锥形结构的传感光纤。其次,氧化石墨烯的特殊结构决定了其物理化学特性,本文从内部结构出发,剖析选用氧化石墨烯作为湿敏薄膜的基本原理。具有层间结构的氧化石墨烯含有大量含氧官能团,与环境湿度相互作用（吸收或释放空气中水分子）致其自身折射率的改变,与光纤结合时表现为光传输特性的改变。设计中采用滴定法镀膜工艺制成氧化石墨烯—锥形光纤的传感探头。第三,搭建光功率—湿度实验平台...
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?Ｆ－Ｐ干涉仪原理图??１．２．２非干涉型光纤湿度传感器??
典型的光纤布拉格光纤光栅（ＦＢＧ）湿度传感器［９］原理如图１－４所示，在ＦＢＧ１的表面??涂覆一层改性聚酰亚胺湿敏薄膜提高其湿敏特性，当外部湿度增加时，湿敏材料因吸收??水分子而膨胀，使得ＦＢＧ１区域产生轴向ｚ方向的微小形变，从而导致布拉格光栅的反??射中心波长的偏移，考虑到ＦＢＧ１区域受环境温度变化而热胀冷缩，这一变化会对布拉??格光栅的周期产生影响，ＦＢＧ１区域同时反映了相对湿度的变化和温度的变化，于是串??联一个布拉格光纤光栅ＦＢＧ２，此区域未涂覆湿敏材料，只反映温度的变化，用作温度??补偿装置，该系统能够同时检测环境的温度和湿度。??ＦＢＧ２??ＦＢＧ１?＼??￣｜?包层??湿敏材料??图１－４布拉格光纤光栅传感器原理图??光纤布拉格光栅是采取对纤芯折射率周期性调制的方法产生的，相对于其他光纤器??件更加稳定，但是传统的单模光纤刻写的ＦＢＧ受到包层的限制，对一些细微的变化量感??应作用相对不明显。因此，引入腐蚀包层、改变结构等方式来增强表面倏逝波作用，研??制出不同的新型布拉格光纤光栅己经成为研究的热点延伸方向之一。??１．２．２．２基于倏逝波光纤湿度传感器??光在光纤中传播依靠全反射原理能够沿着纤芯轴线方向传播，在纤芯和包层的分界??面法线方向上产生一种迅速衰减的电磁波，这种波叫做光纤的倏逝波［ＩＱ］。普通的石英光??纤经过一系列处理操作包括去除包层、弯曲、拉锥等方式，可以在其上面制成一个光纤??传感区域，并在此区域上涂覆湿敏材料便可以将将倏逝场强度的变化与环境湿度变化建??立对应的关系，达到湿度感知的原理。同时，在接入稳定光源的情况下，倏逝波的强弱??可以在光纤的出射端表现出来：当倏逝波增强时，检测
第二章锥形光纤传感理论及制备??２．１锥形光纤传感技术??锥形光纤是一种不规则光纤，因其制作简单，成本低以及不错的稳定性，逐渐发展??成为应用最广泛的光纤器件之一，单模光纤经过拉锥技术处理后形成三个部分：过渡区，??锥腰区，过渡区。简化的锥形光纤结构如下图２－１所示，在理想情况下，过渡区的纤芯??和包层在朝着锥腰区方向上逐渐减小，锥腰区仍然保持直径均匀的圆柱形状，此处原纤??芯所占比例太小，旧包层取代原纤芯成为新的纤芯。于是，锥腰区暴露所在的外部环境??变成了新的包层，此时原先的全反射的条件被打破，锥腰区存在着极强的倏逝场，这种??倏逝场的强度和外部环境密切相关。人们利用这种特性涂覆不同的材料制成各种类型的??高灵敏度传感器。锥形光纤的过渡区的半径轴向变化关系式｜２２］如式２－１：??／？（ｚ）?＝?ｒ０ｅ?＾?（２－１）??其中为初始单模光纤的半径，ｚ为过渡区的长度，１。为加热火焰的等效宽度，在一根??指定的锥形光纤中，Ｉ。为定值。下面从几何理论和波动理论角度分析锥形区的光传输特??性。??单模光纤：?；??＾?ｌ＞＾?￣??ｕ?Ｌ——＾??ｕ??锥腰区??ｉｉ?ｉｉ??ｔ?ｉ?ｉ?ｉ??图２－丨锥形光纤结构示意图??２．２锥形光纤几何理论分析??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32的室内环境监测系统的设计与开发[J]. 陈红,印春晓,韦金言,王文策,李玮. 电子技术与软件工程. 2019(09)
[2]氧化石墨烯-FP光纤传感器湿度传感特性研究[J]. 王文佳. 数字通信世界. 2018(05)
[3]基于聚乙烯醇-铝薄膜的光纤温湿度传感器研究[J]. 毕卫红,朱长青,付兴虎,付广伟,张保军. 光电子.激光. 2014(08)
[4]基于TFT-LCD显示屏的电子相册设计[J]. 陈金立,高超. 自动化技术与应用. 2013(11)
[5]高精度应变信号采集模块的设计[J]. 吴峻,陈宇,张伟宁,黄文君. 化工自动化及仪表. 2012(05)
[6]基于腐蚀硼锗共掺光纤的自闭合光纤法-珀传感器[J]. 饶云江,郭宇,龚元. 电子科技大学学报. 2012(02)
[7]近红外波段（900—2500nm）水吸收系数测量[J]. 邓孺孺,何颖清,秦雁,陈启东,陈蕾. 遥感学报. 2012(01)
[8]高分子湿度传感器研究进展[J]. 杨子江,黄建国. 中国新技术新产品. 2010(24)
[9]光纤湿度传感器研究进展[J]. 曾传卿. 计测技术. 2010(S1)
[10]基于单片机AT89S51的温湿度控制仪[J]. 薛玲,孙曼,张志会,夏莉丽,魏希文. 化工自动化及仪表. 2010(07)
硕士论文
[1]微型光纤湿度传感研究[D]. 张悦.大连理工大学 2019
[2]基于石墨烯特性的光纤湿度传感器研究[D]. 骆琰.浙江师范大学 2019
[3]高灵敏度光纤湿度传感器[D]. 王博.哈尔滨工业大学 2019
[4]基于2微米波段水吸收峰的光纤湿度传感器研究[D]. 李浩颖.哈尔滨工业大学 2019
[5]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
[6]石墨烯及氧化石墨烯在光纤传感器的研究与应用[D]. 高赛赛.山东师范大学 2017
[7]基于氧化石墨烯的光纤湿度传感器研究[D]. 王友清.中国计量大学 2017
[8]基于湿敏薄膜的锥形光纤湿度传感器研究[D]. 朱长青.燕山大学 2014
[9]锥形光纤中光波导理论研究[D]. 孙爱娟.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2005
本文编号：2974728
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?Ｆ－Ｐ干涉仪原理图??１．２．２非干涉型光纤湿度传感器??
典型的光纤布拉格光纤光栅（ＦＢＧ）湿度传感器［９］原理如图１－４所示，在ＦＢＧ１的表面??涂覆一层改性聚酰亚胺湿敏薄膜提高其湿敏特性，当外部湿度增加时，湿敏材料因吸收??水分子而膨胀，使得ＦＢＧ１区域产生轴向ｚ方向的微小形变，从而导致布拉格光栅的反??射中心波长的偏移，考虑到ＦＢＧ１区域受环境温度变化而热胀冷缩，这一变化会对布拉??格光栅的周期产生影响，ＦＢＧ１区域同时反映了相对湿度的变化和温度的变化，于是串??联一个布拉格光纤光栅ＦＢＧ２，此区域未涂覆湿敏材料，只反映温度的变化，用作温度??补偿装置，该系统能够同时检测环境的温度和湿度。??ＦＢＧ２??ＦＢＧ１?＼??￣｜?包层??湿敏材料??图１－４布拉格光纤光栅传感器原理图??光纤布拉格光栅是采取对纤芯折射率周期性调制的方法产生的，相对于其他光纤器??件更加稳定，但是传统的单模光纤刻写的ＦＢＧ受到包层的限制，对一些细微的变化量感??应作用相对不明显。因此，引入腐蚀包层、改变结构等方式来增强表面倏逝波作用，研??制出不同的新型布拉格光纤光栅己经成为研究的热点延伸方向之一。??１．２．２．２基于倏逝波光纤湿度传感器??光在光纤中传播依靠全反射原理能够沿着纤芯轴线方向传播，在纤芯和包层的分界??面法线方向上产生一种迅速衰减的电磁波，这种波叫做光纤的倏逝波［ＩＱ］。普通的石英光??纤经过一系列处理操作包括去除包层、弯曲、拉锥等方式，可以在其上面制成一个光纤??传感区域，并在此区域上涂覆湿敏材料便可以将将倏逝场强度的变化与环境湿度变化建??立对应的关系，达到湿度感知的原理。同时，在接入稳定光源的情况下，倏逝波的强弱??可以在光纤的出射端表现出来：当倏逝波增强时，检测
第二章锥形光纤传感理论及制备??２．１锥形光纤传感技术??锥形光纤是一种不规则光纤，因其制作简单，成本低以及不错的稳定性，逐渐发展??成为应用最广泛的光纤器件之一，单模光纤经过拉锥技术处理后形成三个部分：过渡区，??锥腰区，过渡区。简化的锥形光纤结构如下图２－１所示，在理想情况下，过渡区的纤芯??和包层在朝着锥腰区方向上逐渐减小，锥腰区仍然保持直径均匀的圆柱形状，此处原纤??芯所占比例太小，旧包层取代原纤芯成为新的纤芯。于是，锥腰区暴露所在的外部环境??变成了新的包层，此时原先的全反射的条件被打破，锥腰区存在着极强的倏逝场，这种??倏逝场的强度和外部环境密切相关。人们利用这种特性涂覆不同的材料制成各种类型的??高灵敏度传感器。锥形光纤的过渡区的半径轴向变化关系式｜２２］如式２－１：??／？（ｚ）?＝?ｒ０ｅ?＾?（２－１）??其中为初始单模光纤的半径，ｚ为过渡区的长度，１。为加热火焰的等效宽度，在一根??指定的锥形光纤中，Ｉ。为定值。下面从几何理论和波动理论角度分析锥形区的光传输特??性。??单模光纤：?；??＾?ｌ＞＾?￣??ｕ?Ｌ——＾??ｕ??锥腰区??ｉｉ?ｉｉ??ｔ?ｉ?ｉ?ｉ??图２－丨锥形光纤结构示意图??２．２锥形光纤几何理论分析??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于STM32的室内环境监测系统的设计与开发[J]. 陈红,印春晓,韦金言,王文策,李玮. 电子技术与软件工程. 2019(09)
[2]氧化石墨烯-FP光纤传感器湿度传感特性研究[J]. 王文佳. 数字通信世界. 2018(05)
[3]基于聚乙烯醇-铝薄膜的光纤温湿度传感器研究[J]. 毕卫红,朱长青,付兴虎,付广伟,张保军. 光电子.激光. 2014(08)
[4]基于TFT-LCD显示屏的电子相册设计[J]. 陈金立,高超. 自动化技术与应用. 2013(11)
[5]高精度应变信号采集模块的设计[J]. 吴峻,陈宇,张伟宁,黄文君. 化工自动化及仪表. 2012(05)
[6]基于腐蚀硼锗共掺光纤的自闭合光纤法-珀传感器[J]. 饶云江,郭宇,龚元. 电子科技大学学报. 2012(02)
[7]近红外波段（900—2500nm）水吸收系数测量[J]. 邓孺孺,何颖清,秦雁,陈启东,陈蕾. 遥感学报. 2012(01)
[8]高分子湿度传感器研究进展[J]. 杨子江,黄建国. 中国新技术新产品. 2010(24)
[9]光纤湿度传感器研究进展[J]. 曾传卿. 计测技术. 2010(S1)
[10]基于单片机AT89S51的温湿度控制仪[J]. 薛玲,孙曼,张志会,夏莉丽,魏希文. 化工自动化及仪表. 2010(07)
硕士论文
[1]微型光纤湿度传感研究[D]. 张悦.大连理工大学 2019
[2]基于石墨烯特性的光纤湿度传感器研究[D]. 骆琰.浙江师范大学 2019
[3]高灵敏度光纤湿度传感器[D]. 王博.哈尔滨工业大学 2019
[4]基于2微米波段水吸收峰的光纤湿度传感器研究[D]. 李浩颖.哈尔滨工业大学 2019
[5]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
[6]石墨烯及氧化石墨烯在光纤传感器的研究与应用[D]. 高赛赛.山东师范大学 2017
[7]基于氧化石墨烯的光纤湿度传感器研究[D]. 王友清.中国计量大学 2017
[8]基于湿敏薄膜的锥形光纤湿度传感器研究[D]. 朱长青.燕山大学 2014
[9]锥形光纤中光波导理论研究[D]. 孙爱娟.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2005
本文编号：2974728
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