光纤相对湿度传感器研究开题报告

 2022-02-10 22:21:10

1. 研究目的与意义

空气湿度空气相对湿度对人类社会有着非常重要的意义，湿度影响了环境的舒适度以及人类的身体健康，在测量出空气湿度的条件下才能正确控制湿度以防空气相对湿度对人体或周遭环境造成直接或间接不利影响。随着工农业的发展和科学技术的进步，湿度测量显得越来越重要，国防科技、航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业对湿度都有非常严格的要求，对湿度传感器的环境适应性以及测量范围、响应速度、测量精度等主要指标的要求也越来越高。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快以及信号易于处理和控制等优势，在市场上占据了主导地位，但存在着长期稳定性和互换性差、不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作，以及只能单点测量的严重不足。 为发挥非电量湿度传感器的防污染、抗电磁干扰、本质安全(即阻燃、防爆)，传感器探头可在狭小空间使用等优势，以解决国防科研、石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆和强电磁干扰环境中进行湿度则里与控制的难题，促使人们去研究新型非电量湿度传感器，而光纤湿度传感器为这些难题的解决提供了一条很好的路径。在发展的过程中，随着光纤器件和光纤材料的种类越来越多并且价格越来越低廉，光纤通信技术发展迅速，并且在20世纪70年代末逐渐发展起来成为一门不同于传统电学传感的全新传感器技术，即光纤传感技术。由于光纤传感系统具有体积小、重量轻、功耗低、防电磁干扰和遥控操作方便等诸多优点，因而被大量应用在温度、应力、湿度、位置、生化、电、声学、磁等各方面的传感测量。而基于多模干涉效应原理的光纤结构可应用于信号处理、传感和滤波，这种光学器件具有易制作、易封装、易于与其它各种类型光纤相连接的优点并且提供了具有诸多优势的全光纤解决方案，逐渐使其在传感领域被普遍地研究和实际应用。

湿敏材料方面，2006 年，Maria Konstantaki等提出一种基于聚环氧乙烷和钴氯化湿敏材料的高灵敏度长周期光纤光栅的湿度传感器。实验结果表明：其测量范围为50～95%RH，分辨率为0.2%RH。 2008 年，AnuVijayan等通过研究离子自组装技术在塑料光纤包层表面涂覆一层聚苯胺湿敏材料制成光纤湿度传感器，湿度测量范围为20～95%RH。 2010 年，Shohei Akita 等提出在掺杂光纤的包层涂覆一层聚谷氨酸与多聚赖氨酸纳米结构的湿敏材料。实验结果表明：在波长为1310nm，光功率变化为0.26d B实现了对湿度50～92.9%RH 的测量。 2011 年，R. Aneesh等提出在纤芯裸露的光纤上涂覆氧化锌纳米颗粒掺杂溶胶-凝胶的湿敏薄膜，通过优化薄膜的厚度提高了线性响应时间和动态范围。实验结果表明：其湿度测量范围为4～96%RH，灵敏度为0.0012d Bm/RH。 2012 年，禅之秋等提出了在塌陷的光子晶体光纤两端涂覆PVA 湿敏材料的光纤湿度传感器。 在传感器结构方面，庞拂飞进行了光纤渐逝波耦合湿度传感器研究，光纤熔融拉锥渐波耦合器与溶胶-凝胶材料相结合，湿度测量范围从25％到95％RH。王立伟等研制了使用水凝胶涂层的长周期光栅相对湿度传感器，测量范围为38.9％-100％RH，湿度精度为±4.3％RH。张向东，李育林等研制了采用聚酰亚胺感湿薄膜的光纤光栅性温湿度传感器，其温度测量范围为20°C-80°C，其湿度测量范围为17％-60％RH。目前，武汉理工大学研制了使用多孔湿敏膜的F-P腔干涉型光纤湿度传感器，测量范围为11％RH-90％RH，响应时间为5s。干涉型光纤传感器属于传感型的光纤传感器，它同时具有光纤传感器和干涉测量的优点，因此本课题对干涉型光纤湿度传感器进行研究。

2. 研究内容和预期目标

一、研究内容（1）研究光纤传感器及光纤相对湿度传感器的基本知识及现状（2）研究干涉型光纤相对湿度传感器的基本原理（3）设计1-2种光纤相对湿度传感器（4）对所设计传感器进行理论分析和传感应用研究

二、预期目标（1）掌握光纤干涉仪相关的基础知识；（2）熟悉beamprop仿真软件的使用；（3）掌握激光器、光纤熔接机、光谱分析仪等实验相关仪器；（4）能够设计出可行的光纤相对湿度传感器方案并做出实物，对所设计的光纤相对湿度传感器进行仿真与实验；

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3. 研究的方法与步骤

本课题拟采用的研究方法：（1）研究干涉型光纤传感器原理

研究例如michelson干涉型光纤传感器、mach-zehnder干涉型光纤传感器、sagnac干涉型光纤传感器以及fabry-perot干涉型光纤传感器的原理。（2）研究相关敏感材料

研究基于光吸收材料如cocl2、苯酚红和罗丹明等，研究基于发光材料如二菲罗啉二吡啶吩嗪等，研究基于折射率变化材料如聚乙烯醇（pva）等。（3）研究不同的材料、结构对传感器相关参数的影响，用beamprop软件进行仿真

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4. 参考文献

[1]庞拂飞，徐平，郭海润等，光纤渐逝波耦合湿度传感器研究，光通信技术，2008，32(3)：26-28；[2]姚军，偏置熔接的光纤干涉式湿度传感器研究，重庆大学，2012；[3]任乃奎，熊燕玲，吴明泽等，多模光纤模间干涉传感器研究进展，激光与光电子学进展，2016，53(7)：070001；[4]苗银萍，刘波，刘健等，基于倾斜光纤光栅的相对湿度传感器，光电子·激光，2010，21(7)：978-982；[5]李川，光纤传感器技术，科学出版社，2012；[6]李雅娟，党亚固，费德君，HEC/PVDF作为光纤湿度传感器感湿材料性能研究，传感器与微系统，2010，29(5)：77-79；[7]朱长青，基于湿敏薄膜的锥形光纤湿度传感器研究，燕山大学，2014；[8]G.Rajan,Y.M.Noor,etal.AfastresponseintrinsichumiditysensorbasedonanetchedsinglemodepolymerfiberBragggrating.SensorsandActuatorsA:Physical,2013,203(12):107-111；[9]金兴良等，基于Nafion-结晶紫的光纤湿度传感器研究，光谱学与光谱分析，2005，25(8)：1328-1331；[10]张向东，李育林，彭文达等.光纤光栅型温湿度传感器的设计与实现[J].光子学报，2003，32(10)：1166-1169；[11]李雅娟，党亚固，费德君．光强调制型光纤湿度传感器评述，传感器与微系统，2009,28（7）：5-8；[12]孙苗，徐贲，李裔.基于细芯光纤内嵌马赫曾德尔干涉仪的应变传感器[J].中国激光,2012,39(s1):s114006；[13]陈益新，赵春柳，刘星等.基于光子晶体光纤环镜的光纤传感器的研究及进展[J].激光与光电子学进展,2012,49(1):010005.

5. 计划与进度安排

1、2022年3月4日-2022年3月31日，查阅文献，收集资料，完成开题报告；

2、2022年4月1日-2022年4月14日，学习光纤湿度传感器基础理论，确定设计方案；

3、2022年4月15日-2022年5月12日，完成光纤湿度传感器设计、实验及性能测试分析；

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