基于倾斜光纤光栅的湿度传感器应用

论文摘要

近些年,越来越多的研究者投身于TFBG的研究中,这都是由于其具有很多特有的优点,它是刻写在光纤内部的无源器件,所以具有光纤本身的优势:耐腐蚀,不受电磁干扰等,而且它还可以将纤芯传输的光耦合到包层中进而检测外界参量,包括温度、应变、折射率的变化。本文对倾斜光纤光栅的研究包括刻写技术和湿度传感应用两方面的研究。倾斜光纤光栅的栅平面与光纤轴向存在一定的角度,而这个角度对于TFBG的性质具有很大的影响,目前报道最多的时小角度的TFBG,而其它角度的TFBG具有小角度光纤光栅不具备的性质,近期得到了越来越多研究者的关注。我们还应用了小角度的倾斜光纤光栅制成了湿度传感器,与传统的传感器相比,具有很大的优势,目前应用最多的电容和电阻型湿度传感器的抗腐蚀和抗电磁干扰性较差,而F-P光纤型湿度传感器具有温度交叉敏感的影响,因此,我们研究了基于TFBG的湿度传感器文中介绍了光纤Bragg光栅和倾斜光纤光栅的耦合模式分析,并且介绍了它们的传感原理,在第三章介绍了光纤光栅刻写技术的研究工作,目的是实现全角度倾斜光纤光栅的刻写,本文主要介绍了相位掩模板法和强度掩模板法,其中相位掩模板法是目前应用最广的一种FBG刻写方法,但是其造价较为昂贵,所以我们又对强度掩模板法进行了研究,这种方法较为经济,但其适用于刻写大角度的TFBG,若使用此方法刻写小角度TFBG（如<45°时）则强度掩模板的周期为几百纳米量级,紫外光在刻写光栅时会产生高阶衍射光,不再是唯一的0级衍射光,所以目前此方法只用在大角度的倾斜光纤光栅的刻写中。我们对于氧化石墨烯涂敷在光纤表面的方法进行了研究,每种方法各有优势,而物理沉积的方法在本实验中最为合适。我们提出了一种基于氧化石墨烯（GO）和多壁碳纳米管（MNCNT）的功能化倾斜光纤光栅（TFBG）传感器,用于环境相对湿度（RH）的检测。GO是亲水性的以检测环境水分子的浓度,并且MWCNT可以增大GO的层间距离以增加传感器的灵敏度。试验结果表明,相对湿度（RH）检测范围为30%-90%,最大灵敏度为0.32/%RH。此外,所提出的湿度传感器在可重复性和稳定性方面表现出良好的性能。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 光纤Bragg光栅概述

1.2.1 光纤Bragg光栅的研究背景

1.2.2 光纤Bragg光栅的分类

1.3 倾斜光纤光栅概述

1.3.1 TFBG概述

1.3.2 光纤表面等离子共振

1.4 湿度的研究背景

1.5 本文主要研究内容

1.6 本章小结

2 TFBG的理论研究

2.1 模式耦合理论

2.1.1 同向耦合

2.1.2 反向耦合

2.1.3 光纤中的耦合模式方程

2.2 FBG的耦合模式分析

2.3 FBG的传输特性

2.4 TFBG的耦合模式分析

2.5 TFBG的传感理论

2.5.1 TFBG的温度传感性质

2.5.2 TFBG的应变传感性质

2.5.3 TFBG的折射率传感性质

2.6 本章小结

3 TFBG的写制技术

3.1 光纤Bragg光栅的写制原理

3.1.1 光纤光敏性机制

3.1.2 光纤增敏方法的介绍

3.2 光纤Bragg光栅刻写方法介绍

3.2.1 干涉法刻写FBG

3.2.2 逐点写入法

3.2.3 相位掩模法

3.3 TFBG的刻写技术

3.3.1 相位掩模法刻写TFBG

3.3.2 强度掩模法刻写大角度TFBG

3.4 TFBG刻写系统

3.5 本章小结

4 基于TFBG的湿度传感器

4.1 湿敏材料的介绍

4.1.1 氧化石墨烯的简介

4.1.2 氧化石墨烯的制备方法

4.2 湿敏材料的涂敷方法

4.2.1 物理沉淀方法

4.2.2 光学驱动沉积法

4.2.3 硅烷化方法

4.2.4 聚合物逐层沉积法

4.3 实验结果

4.3.1 湿敏涂层

4.3.2 实验结果

4.4 本章小结

总结

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 乔岩

导师: 张扬

关键词: 倾斜光纤光栅,氧化石墨烯,光栅刻写技术,湿度检测

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

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002664

总页数: 69

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