论文部分内容阅读
湿度是环境参量中较难检测又特别重要的物理量之一，在众多领域有影响，针对它的传感器在响应速度、监测范围、制作工艺、使用寿命等方面都有要求，然而，依托目前的技术，很难全面满足以上要求。为了能制作一种能满足上述要求的湿度传感器，本文首先研究了传统的湿度传感器，分类总结了其原理、优缺点，并结合光纤传感器的优点，提出了用微纳光纤环形谐振腔来实现湿度传感的设想。其次，在总结了微纳光纤及微纳光纤环形谐振腔研究现状的基础上，文章分析了微纳光纤的光场传输特性，推导了Knot型微纳光纤环形谐振腔(MKR)的传输方程，并深入研究了其传感特性以及影响传感特性的因素。并理论分析了微纳光纤吸湿和脱湿的过程，得到了湿度响应时间的表达式。接着文章推导了MKR用作湿度传感器的理论依据，并借助材料学的知识，得出了介质密度的变化会导致介质折射率变化从而影响微环谐振波长的结论。并结合常见的两种亲水性物质：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺(PAM)，通过MATLAB仿真，验证了我们的结论。接下来文章总结了现阶段制作微纳光纤的常用方法，详细介绍了实验中用到的基于单模光纤(SM)、PMMA以及PAM微纳光纤的制作方法及步骤，并描述了MKR的制作方法，研究了实验室中制作的三类MKR的输出光谱。最后实验研究了这三类MKR用作湿度传感器时的湿度响应特性，实验发现：基于SM的MKR(S-MKR)湿度传感器具有~12pm/10%RH（相对湿度）的湿度灵敏度以及14%RH到60%RH的湿度测量范围，基于PMMA的MKR(PM-MKR)湿度传感器具有湿度灵敏度~88pm/10%RH以及17%RH到95%RH的湿度监测范围，而基于PAM的MKR(P-MKR)湿度传感器的湿度灵敏度达到了~270pm/%RH，其监测范围也达到了10%RH到62%RH。该类湿度传感器的响应时间达到了毫秒量级，并且具有很好的重复性。研究发现：这三类湿度传感器是由单模光纤或者聚合物溶液直接拉制而成，制作过程中无需再进行任何湿敏材料的涂覆，因而制作非常的简单，具有体积小、稳定性好、成本低廉、较大的湿度监测范围、非常高的湿度灵敏度以及非常迅速的湿度响应等优点，满足了湿度传感的需求。有望在以后工业生产及人们日常生活中取得重大应用，也为日后生产出更先进的湿度传感器提供了一定的方法和经验。