法布里-珀罗干涉型光纤湿度传感器

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湿度测量在农业、仓储、医药、桥梁和环境监测等领域有着广泛需求。随着科学技术的发展,人们对湿度测量的精度、响应时间、测量范围等指标的要求越来越高。常规的基于电子技术的湿度传感器不耐腐蚀、易受电磁干扰、长期稳定性较差、难以实现长距离测量。而光纤湿度传感器以抗电磁干扰能力强、结构紧凑、重量轻、能够远距离测量等优点,近年来吸引了越来越多的研究兴趣。在众多光纤湿度传感器中,以光纤干涉仪所构成的光纤湿度传感器具有灵敏度高、结构简单,而获得重点关注。本文以空芯光纤和不同湿度敏感材料敏感膜构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)干涉仪为传感单元,研制了两种光纤湿度传感器:基于空芯光纤与紫外光固化胶(Norland optical adhesive,NOA)的光纤湿度传感器和基于空芯光纤与明胶的光纤湿度传感器,并对两种传感器的传感特性进行测试。论文的主要工作如下:(1)研制了一种基于空芯光纤与NOA膜的FP干涉光纤湿度传感器。利用NOA填充与单模光纤熔接的较短的空芯光纤构建FP干涉结构,由于NOA的结构具有多孔性,能够在周围环境湿度变化的情况下,吸收水分子膨胀或释放水分子皱缩,当外界湿度变化时,NOA膜的厚度将会改变从而调制了干涉仪的腔长,最后通过光谱探测实现了对湿度的测量。实验结果显示,该传感器在30-95%RH的湿度范围内,获得了灵敏度为0.024 nm/%RH,同时,在50-95%RH湿度范围内还可实现强度调制,灵敏度为0.06 d B/%RH,动态响应时间和恢复时间分别为4.6 s和5.8 s。(2)研制了基于空芯光纤与明胶膜的FP干涉光纤湿度传感器。传感探头同样采用单模光纤与空芯光纤熔接,再将明胶涂覆在空芯光纤的自由端面上,明胶干燥后形成一层薄的膜片,与单模光纤的端面共同构成空气填充的FP腔。明胶含有的大量含氧官能团使其具有良好的亲水性,对水分子具有很强的吸收能力。因此,明胶薄膜能感应湿度变化并随之发生厚度的变化,进而改变FP腔长和引起干涉光谱的波长漂移。实验结果显示,该传感器在20-80%RH的湿度范围内,灵敏度达0.192 nm/%RH,并具有良好的可逆性、重复性和时间稳定性。动态响应测试显示,该传感器的响应时间和恢复时间分别仅为240 ms和350 ms。此外,在不同环境温度下进行研究发现,其湿度灵敏度对温度具有轻微的依赖性。所以,传感探头的尾纤级联了光纤光栅以标定温度,实现了对湿度和温度的同时测量。该光纤湿度传感器灵敏度高、响应时间快、温湿度可同时测量,有望在生化和环境检测领域得到应用。
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