功能材料涂覆的光纤温湿度传感器制作及特性研究

论文摘要

本文用到的光纤是一种能够在微米量级上工作并被大量用到光纤通信及传感方面的传感头。光纤传感技术的迅猛发展离不开各种新型传感器结构的出现与应用,新的结构不仅丰富了光纤传感器的种类,更加深了人们对传感机理的认识,推动着光纤传感技术的不断前进。人们从简化制备工艺、降低器件成本、提高检测灵敏度以及增加可传感参量等方面出发,不断创造出新的微结构传感器,它们在苛刻环境传感、化学物质检测、生物医疗监测等领域已凸显了潜在的应用价值。目前,将功能材料与新型光纤结构结合制成敏感型光纤温湿度传感器已成为研究热点,这类传感器由于具有灵敏度高、重复性好、抗电磁干扰等优点,因此被广泛的研究与应用。而光纤本身的材质对湿度不敏感,制作出光纤湿度传感器同样具有一定的科研价值,为今后光纤湿度传感器的产业化生产提供一定的基础研究。本文将光纤结构上涂覆功能材料制成新型温湿度传感器作为本文主要的研究方向,从光纤传感角度出发,阐述了光纤温湿度传感器的基本理论,并将实际光纤参数输入仿真软件中,与实验光谱进行了对比,趋势基本相同。选取了功能材料及研发了涂覆工艺,通过实验结果分析,筛选出优良的光纤温湿度传感器。从工程应用角度出发,系统地研究长周期光纤光栅型、多模干涉型、全光纤马赫曾德干涉型温湿度传感器。我们搭建了一套高频CO2激光脉冲写入制造平台,通过调节激光器内置的程序,可制作出不同参数的长周期光纤光栅;运用熔融拉锥机制作出全光纤MZI结构和多模干涉型结构以及熔融型长周期光纤光栅,除此之外,自主研发了用于精准切割焊接装置的CSM,制作出单模-多模-单模结构及敏感型单模-多模-单模结构,全文共制作出5种光纤新型结构。通过对比市面现有的温湿敏材料,分析总结它们的物理特性和传感特性,如湿滞性、灵敏特性、稳定性等,优选出聚酰亚胺（PI）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为本论文的温敏材料和湿敏材料,并对这两种功能材料的各种传感属性进行了调查和分析。同时,研究了功能材料的涂覆方法,总结出涂覆粘稠性强的材料-载玻片浸蘸式和粘稠性弱的材料-悬挂涂抹式,2种敏感材料的涂覆方法。运用饱和盐溶液蒸气压湿度发生装置制造标准湿度源,利用恒温恒湿箱营造温度环境,进而实现对光纤湿度传感器进行标定,利用高精度数字控温箱作为标准温度源实现对光纤温度传感器标定。在所搭建的温度和湿度测试平台上,对所研制的光纤传感器的灵敏度、稳定性等性能进行了综合测试分析。得出结论:聚酰亚胺材料和聚二甲基硅氧烷两种功能材料可与功能结构光纤结合制作出性能优良的温湿度传感器。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 长周期光纤光栅（LPFG）制备及发展现状
•     1.2.1 LPFG的制备方法
•     1.2.2 LPFG发展现状
•   1.3 干涉型光纤传感器种类及发展现状
•     1.3.1 干涉型光纤传感器种类
•     1.3.2 干涉型光纤传感器发展现状
•   1.4 被覆材料型光纤传感器研究现状
•     1.4.1 被覆材料型LPFG传感器研究现状
•     1.4.2 被覆材料干涉型光纤传感器研究现状
•   1.5 本论文主要内容及安排
• 第2章 被覆材料型光纤传感器原理及结构制造
•   2.1 光纤传感器原理
•     2.1.1 LPFG传感器原理
•     2.1.2 干涉型光纤传感器原理
•   2.2 光纤传感器设计仿真
•     2.2.1 光纤传感器的结构设计
•     2.2.2 光纤传感器的仿真设计
•   2.3 光纤传感器的结构制造
•     2.3.1 制作平台搭建
•     2.3.2 光纤结构制造
•   2.4 本章小结
• 第3章 功能材料的制备及涂覆工艺
•   3.1 功能材料的制作工艺
•     3.1.1 功能材料的选择
•     3.1.2 功能材料的制备
•   3.2 功能材料的涂覆工艺
•     3.2.1 涂覆工艺所需的仪器
•     3.2.2 功能材料的涂覆方法
•   3.3 本章小结
• 第4章 光纤传感器的测试平台搭建及传感特性分析
•   4.1 光纤传感器测试平台的搭建
•     4.1.1 湿度传感器测试系统
•     4.1.2 温度传感器测试系统
•   4.2 光纤温度传感器传感特性分析
•     4.2.1 LPFG光纤温度传感器传感特性分析
•     4.2.2 干涉型光纤温度传感器传感特性分析
•   4.3 光纤湿度传感器传感特性分析
•     4.3.1 LPFG光纤湿度传感器传感特性分析
•     4.3.2 干涉型光纤湿度传感器传感特性分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张凯

导师: 耿涛

关键词: 被覆材料技术,干涉型光纤传感器,长周期光纤光栅,熔融拉锥技术,温湿度传感器

来源: 哈尔滨工程大学

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: 哈尔滨工程大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 80

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