偏置熔接的光纖干涉式濕度傳感器研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能城市的建設(shè)，傳感器正成為人們生產(chǎn)、生活中必不可少的測量工具。其中光纖傳感器因其體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、適用范圍廣等優(yōu)點而倍受青睞。本論文是在實驗室已有的利用偏置結(jié)構(gòu)制作光纖干涉式傳感器研究的基礎(chǔ)上，利用商用光纖熔接機通過偏置熔接單模光纖制作出三種不同偏置距離的光纖干涉儀，并將其應用到環(huán)境濕度的測量之中。通過采用光束傳播法(Beam Propagation Method，BPM)對三種光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)及光學特性

2、進行了仿真分析，并對其濕度和溫度響應特性做了理論分析和實驗研究，主要工作和成果如下：
　　1、在對光纖傳感器的分類以及相位調(diào)制型光纖干涉儀調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出利用商用光纖熔接機偏置熔接制作出三種光纖干涉式傳感器：小偏置熔接的光纖MZ干涉式傳感器、大偏置熔接的光纖MZ干涉式傳感器以及大偏置熔接的光纖FP干涉式傳感器，采用光束傳播法(Beam Propagation Method，BPM)對它們的結(jié)構(gòu)及光學特性進行了理論模擬分析，對比總

3、結(jié)了三者各自的優(yōu)缺點，為其在相對濕度測量方面的應用提供理論指導。
　　2、利用光纖熔接機在兩段單模光纖中間小偏置錯位熔接一小段單模光纖制作成一種光纖Mach-Zehnder(MZ)干涉儀，在干涉儀的干涉臂上均勻涂覆一層濕度敏感型化學材料聚丙烯酰胺(PAM)，制作出一種新型的全光纖干涉式濕度傳感器。實驗結(jié)果表明這種傳感器能實現(xiàn)38％~98％范圍內(nèi)的相對濕度的測量，其干涉譜漂移量對相對濕度的靈敏度與傳感臂的長度和涂覆的PAM薄膜厚度成

4、正比，在38％~78％的相對濕度變化范圍內(nèi)，線性趨勢較為明顯，與理論分析一致。同時這種濕度傳感器易受溫度的交叉影響，在實際應用中需要引入溫度補償機制。提出了一種大偏置熔接的光纖MZ干涉式濕度傳感器，結(jié)合其濕度傳感理論，進行了詳盡的實驗探討了這種光纖MZ干涉式濕度傳感器的濕度響應特性。實驗結(jié)果表明這種PAM填充的光纖MZ干涉式濕度傳感器體積小，制作簡單，因為其中傳感光是直接在濕度敏感材料中傳播，導致其干涉譜的漂移量對相對濕度的靈敏度較高。

5、但是當相對濕度在78％~98％的范圍內(nèi)時，其干涉譜在光譜儀波長范圍內(nèi)呈一條直線，故該種光纖MZ干涉式濕度傳感器只能完成38％~78％范圍內(nèi)的相對濕度的測量。雖然其濕度靈敏度較小偏置熔接的光纖MZ干涉式濕度傳感器有所提高，但其溫度仍然不可以忽視，這就要求在實際應用時需要對溫度進行補償以避免對濕度測量的交叉影響。
　　3、通過在大偏置熔接的全光纖開腔Fabry-Perot(FP)傳感器的腔內(nèi)填充濕度敏感型材料PAM實現(xiàn)了一種高靈敏度的

6、新型濕度傳感器。實驗結(jié)果表明在38％～78％的相對濕度范圍內(nèi)，干涉譜最大漂移量約4nm，漂移量與相對濕度的靈敏度約為0.1nm/(1％)；在88％～98％的相對濕度范圍內(nèi)，其干涉譜最大漂移量約為59nm，漂移量與相對濕度的靈敏度為5.868nm/(1％)，與理論分析一致，線性趨勢明顯。溫度特性實驗結(jié)果表明，大偏置熔接的光纖FP濕度傳感器干涉譜漂移量對溫度的靈敏度較低，約為0.0006nm/℃，與濕度靈敏度的數(shù)值相差幾個數(shù)量級，不需要進行