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基于琼脂糖薄膜的倾斜光纤光栅湿度传感器研究

2020-12-02阅读(691)

基于琼脂糖薄膜的倾斜光纤光栅湿度传感器研究

论文摘要

相对湿度(RH)的测量在人们日常生活、国防工业、运输储藏和精密机械测量等多个领域均发挥着较为重要的作用。因此,准确的检测相对湿度变化,对于改善人类生活条件、调节农业生产、改善工业生产工艺等方面都具有重要意义。市场上现存的湿度传感器主要分为两类,光纤湿度传感器与传统电量式湿度传感器。同电量式传感器相比,光纤湿度传感器具有抗电磁干扰、阻燃以及可在小空间应用等优势,在国防科研、电力等方面具有很好的应用前景。本文将倾斜布拉格光纤光栅(TFBG)表面上涂覆琼脂糖制备出光纤光栅湿度传感器。基于琼脂糖在相对湿度(RH)变化时折射率会发生改变这一性质来调制TFBG的光谱,制备出湿度传感器。本论文的具体内容有:(1)对倾斜光纤光栅理论、传感特性和湿敏材料琼脂糖的传感特性进行研究。并且对倾斜光纤光栅传感特性公式和薄膜中水分子扩散机理公式进行推导证明,表明两者结合的湿度传感器的合理性。(2)制备琼脂糖薄膜,对其薄膜表征表明其表面结构利于对水分子的吸收,并利用棱镜耦合仪对不同条件下的琼脂糖薄膜折射率进行测试,得出其折射率对湿度变化趋势。(3)利用了OptiGrating软件,针对TFBG温度,涂覆层折射率和涂层厚度这三个变量对TFBG进行模拟仿真。完备的基础实验确保了最终传感器的顺利完成(4)最后利用凝胶滴落法在TFBG表面上涂覆琼脂糖制备出光纤光栅湿度传感器。该湿度传感器在RH为45%~85%和45%~75%范围内的灵敏度分别为2.75 pm/%RH和0.255 dBm/%RH。同时该湿度传感器的响应时间可达到0.6 s,恢复时间为4.3 s,并且对传感器进行多次重复试验后发现其重复性好,有望应用在对响应时间要求较短的生活生产中。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题研究背景
  •   1.2 光纤光栅的基本概述
  •     1.2.1 光纤光栅的发展历史
  •     1.2.2 光纤布拉格光栅的分类及应用
  •   1.3 光纤湿度传感器发展及研究现状
  •     1.3.1 光纤湿度传感器国内外研究现状
  •     1.3.2 常见的光纤湿度传感器概况概述
  •   1.4 论文主要内容及结构安排
  •     1.4.1 主要研究内容
  •     1.4.2 论文结构安排
  • 2 倾斜光纤光栅理论及传感特性研究
  •   2.1 光纤光栅的耦合模方程
  •   2.2 倾斜光纤光栅的基本理论分析
  •     2.2.1 倾斜光纤光栅的模式耦合
  •     2.2.2 倾斜光纤光栅的传输耦合模理论
  •   2.3 倾斜光纤光栅的传感理论
  •     2.3.1 倾斜光纤光栅的应力传感特性
  •     2.3.2 倾斜光纤光栅的温度传感特性
  •     2.3.3 倾斜光纤光栅的折射率传感特性
  •   2.4 本章小结
  • 3 湿敏材料琼脂糖的传感特性
  •   3.1 湿敏材料的湿度传感机理
  •     3.1.1 高分子湿敏材料作用机理
  •     3.1.2 湿敏薄膜中水分子扩散机理
  •     3.1.3 湿敏材料的选择
  •   3.2 琼脂糖薄膜的制备及表征
  •     3.2.1 琼脂糖结构
  •     3.2.2 琼脂糖凝胶特性
  •     3.2.3 琼脂糖凝胶的应用
  •     3.2.4 琼脂糖薄膜的制备方法
  •     3.2.5 原子力显微镜（AFM）表征琼脂糖薄膜
  •   3.3 琼脂糖薄膜湿敏特性测量
  •   3.4 倾斜光纤光栅的透射谱仿真分析
  •     3.4.1 TFBG温度传感特性的仿真分析
  •     3.4.2 TFBG折射率传感特性的仿真分析
  •     3.4.3 TFBG表面薄膜厚度的仿真分析
  •   3.5 本章小结
  • 4 基于琼脂糖的倾斜光纤光栅湿度传感器的设计
  •   4.1 倾斜光纤光栅的镀膜方法
  •     4.1.1 提拉镀膜法
  •     4.1.2 浇注镀膜法
  •     4.1.3 人工手动镀膜法
  •     4.1.4 凝胶滴落镀膜法
  •   4.2 湿度测量实验
  •   4.3 光功率测量实验
  •     4.3.1 光功率测量原理
  •     4.3.2 传感器光功率的测量
  •   4.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 于晶莹

    导师: 武震林

    关键词: 倾斜光纤光栅,琼脂糖,湿度传感器,相对湿度

    来源: 大连理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

    单位: 大连理工大学

    分类号: TN253;TP212.11

    DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002162

    总页数: 58

    文件大小: 2971K

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