【摘 要】
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湿度和生产生活息息相关,它是影响着工农业、建筑业和高精尖仪器研发等行业的最基本、最重要的物理量之一。因此,湿度精确传感与检测有着重要的意义。与传统的电子湿度传感器相比,光纤湿度传感器具有安全度高、适用范围广等优点,有巨大的应用潜力,因此受到了研究者的广泛关注。本文针对目前光纤湿度传感器存在的制备过程复杂、灵敏度较低等问题,提出并制备了基于聚酰亚胺薄膜涂覆的Fabry-Perot（FPI）光纤湿度传
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湿度和生产生活息息相关,它是影响着工农业、建筑业和高精尖仪器研发等行业的最基本、最重要的物理量之一。因此,湿度精确传感与检测有着重要的意义。与传统的电子湿度传感器相比,光纤湿度传感器具有安全度高、适用范围广等优点,有巨大的应用潜力,因此受到了研究者的广泛关注。本文针对目前光纤湿度传感器存在的制备过程复杂、灵敏度较低等问题,提出并制备了基于聚酰亚胺薄膜涂覆的Fabry-Perot（FPI）光纤湿度传感器,设计了并联和级联双腔结构,利用双腔游标效应大幅提高了传感器的湿度灵敏度,具体研究内容如下:（1）在分析聚酰亚胺薄膜的光学特性及其与FPI干涉计传感机理的基础上,阐述了聚酰亚胺薄膜吸收水分后所构成的固-气热力学体系,归纳了动态平衡时的吸附模型和聚酰亚胺薄膜折射率计算方法。（2）设计并制备了基于聚酰亚胺薄膜涂覆的单腔湿度传感器。在单模光纤（Single mode fiber,简称SMF）-空心光纤（Silica tube,简称ST）结构末端涂敷一层聚酰亚胺薄膜使SMF-ST结构与聚酰亚胺薄膜构成F-P腔。利用聚酰亚胺薄膜吸湿膨胀改变空气腔腔长,导致F-P腔的干涉光谱平移的特点实现湿度传感。传感实验研究表明:随着湿度的逐渐增大,F-P腔的干涉谱蓝移;在10%RH-90%RH的湿度范围内波长随湿度呈线性变化,其灵敏度为-0.157 nm/%RH。（3）提出并制备了基于聚酰亚胺薄膜涂覆的并联双腔湿度传感器。该传感器是由SMF-ST结构的F-P腔作为传感腔与单模光纤-空芯光纤-单模光纤（SMFST-SMF）结构的F-P腔作为参考腔并联制备而成,由于两个F-P腔的自由光谱范围接近而不相等,从而产生游标效应,提高传感的灵敏度。薄膜吸水后会改变传感腔的空气腔长,从而导致双腔干涉谱包络平移。传感实验研究表明:随着湿度的逐渐增大,并联双腔干涉谱包络蓝移,其线性灵敏度为-2.017 nm/%RH,其灵敏度是单腔涂覆聚酰亚胺薄膜的F-P湿度传感器的12.8倍。该放大倍数与游标效应放大的理论计算倍数相吻合,成功将传感器湿度灵敏度提高了一个数量级。同时,由于参考腔未涂敷聚酰亚胺薄膜,对环境湿度不敏感,无需进行隔离处理,增加了传感器的应用潜力。（4）提出并制备了基于聚酰亚胺涂覆的级联双腔湿度传感器。该传感器是在SMF-ST-SMF结构末端涂覆一层聚酰亚胺薄膜制备而成的,SMF-ST-SMF结构中的ST构成了空气腔,聚酰亚胺薄膜与末端SMF构成复合腔,且复合腔与空气腔的自由光谱范围接近,产生游标效应,从而简化了传感器结构,提高灵敏度。传感实验研究表明:随着湿度的逐渐增大,级联双腔干涉谱包络蓝移,其线性灵敏度为-0.980 nm/%RH,是单腔涂覆聚酰亚胺的F-P湿度传感器的6.2倍。
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