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(cè)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(diǎn)而倍受青睞。本論文是在實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yīng)用到環(huán)境濕度的測(cè)量之中。通過采用光束傳播法(Beam Propagation Method，BPM)對(duì)三種光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性

2、進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)其濕度和溫度響應(yīng)特性做了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，主要工作和成果如下：
　　1、在對(duì)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(jī)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(duì)它們的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性進(jìn)行了理論模擬分析，對(duì)比總

3、結(jié)了三者各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為其在相對(duì)濕度測(cè)量方面的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
　　2、利用光纖熔接機(jī)在兩段單模光纖中間小偏置錯(cuò)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(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種傳感器能實(shí)現(xiàn)38％~98％范圍內(nèi)的相對(duì)濕度的測(cè)量，其干涉譜漂移量對(duì)相對(duì)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(duì)濕度變化范圍內(nèi)，線性趨勢(shì)較為明顯，與理論分析一致。同時(shí)這種濕度傳感器易受溫度的交叉影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要引入溫度補(bǔ)償機(jī)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(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)探討了這種光纖MZ干涉式濕度傳感器的濕度響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單，因?yàn)槠渲袀鞲泄馐侵苯釉跐穸让舾胁牧现袀鞑?，?dǎo)致其干涉譜的漂移量對(duì)相對(duì)濕度的靈敏度較高。

5、但是當(dāng)相對(duì)濕度在78％~98％的范圍內(nèi)時(shí)，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(duì)濕度的測(cè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償以避免對(duì)濕度測(cè)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(shí)現(xiàn)了一種高靈敏度的

6、新型濕度傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在38％～78％的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，干涉譜最大漂移量約4nm，漂移量與相對(duì)濕度的靈敏度約為0.1nm/(1％)；在88％～98％的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，其干涉譜最大漂移量約為59nm，漂移量與相對(duì)濕度的靈敏度為5.868nm/(1％)，與理論分析一致，線性趨勢(shì)明顯。溫度特性實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)，不需要進(jìn)行