高灵敏度光纤湿度传感器

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湿度测量广泛应用于空气质量检测、制药过程监测、食品制造过程监测、建筑安全性监测以及人体疾病探查方面。与电子湿度计相比,光纤湿度传感器有着探测精度高、响应速度快、体积小、质量轻、抗腐蚀性强、抗环境扰动能力强等优点。本课题在现有的光纤传感技术方法上,通过对马赫-曽德尔(Mach–Zehnder,MZ)型和法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)型光纤湿度传感器的原理进行研究,提出了几种新的传感器制作方案,并进行了理论研究、传感器制作以及实验测试分析。实验结果表明传感器的灵敏度,响应速度,以及制备重复性得到了大幅的增强,对今后的光纤湿度传感技术的发展有着重要的意义。针对MZ型光纤湿度传感器灵敏度低的问题,提出了一种直接用湿敏材料作为传感臂的结构,并用两种不同的制作方法对该种结构进行了制作以及性能测试。两种方法制作出的传感器的灵敏度相比于同类型MZ光纤湿度传感器均有所提高,且两种结构相比各具特点。错位型传感器光谱更为光滑,结构更为紧凑,制作较为简便,熔接过程不易对光谱曲线的光滑度造成影响。研磨方法制作的传感器的光谱的FSR更大,灵敏度更高,性能更好。针对FP型光纤湿度传感器灵敏度低、响应速度慢的问题,提出了一种以琼脂为湿敏材料的单腔FP型光纤湿度传感器。通过缩短腔长以及使FP腔腔长和内部介质的折射率同时变化的方法来增加传感器的灵敏度。通过查阅相关文献以及实际试验的方法确定合适的琼脂溶液浓度,既能保证了制成的琼脂薄膜具有良好的机械强度,又保证了制成的琼脂膜厚度足够薄,吸收和释放水分子速度很快。短腔使得该传感器具有很高的灵敏度和很快的响应速度。针对FP型光纤湿度传感器制作重复性低、灵敏度不可控的问题,提出了一种双腔FP型光纤湿度传感器。该传感器通过控制毛细作用的时间来控制湿敏材料成膜的长度,进而控制双腔FP型光纤湿度传感器的传感腔腔长,实现了对传感器湿度灵敏度的控制。控制毛细作用时间相同时,制作出的壳聚糖薄膜长度相同,由此制成的传感器的性能基本相同,实现了传感器的重复性制作。
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