基于柚子型光子晶体光纤干涉结构的光纤温湿度传感器研究

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环境湿度在化学工程、生物医学、食品加工、农业等许多领域里扮演着非常重要的角色。如何快速、实时、分布式地监测环境湿度是目前人们对湿度传感器研究的热门话题。光纤湿度传感器相比于传统的湿度传感器具有尺寸小、耐腐蚀、抗电磁干扰等固有特点在环境湿度监测方面受到了广泛的关注。然而在对环境湿度进行监测时,温度会对测量造成较大的影响,因此如何消除温度影响是湿度传感器设计的一大难题。在一些特殊应用领域如高温、化学腐蚀强等恶劣环境中,与湿敏材料结合的光纤湿度传感器的性能将会受到湿敏材料本身性质的影响,导致较大的测量误差。针对以上问题,本论文基于干涉原理,设计并制作了两种无湿敏材料涂覆的光纤湿度传感器,并在理论和实验上对其湿度和温度传感特性进行了详细介绍。利用薄壁光子晶体光纤与多模光纤进行熔接,设计出一种基于马赫-曾德尔干涉原理的光纤湿度传感器,并使用飞秒激光器对其进行刻槽处理,使光子晶体光纤纤芯直接与外界环境接触实现对环境相对湿度的监测。通过实验测得,该传感器在湿度范围为25%RH到80%RH时,其灵敏度为-0.077d B/%RH。此外,对其温度传感特性进行研究发现,温度变化不会引起干涉谱线强度发生变化。因此,环境温度可以通过干涉谱波长的漂移来确定,其灵敏度为3.3pm/°C。该传感器可以被应用于恶劣环境中对相对湿度和温度同时进行测量。通过空芯光纤与光子晶体光纤熔接,设计并制作出一种开腔式的法布里-珀罗干涉结构。环境中湿气通过光子晶体光纤空气孔进入空芯光纤内部引起腔内折射率发生变化,从而实现对环境湿度的监测。通过实验测得,该传感器可测量的湿度范围为35%RH-71%RH,其灵敏度达到了0.06273d B/%RH。此外,对其温度传感特性进行实验研究,该传感器在温度范围为25°C-70°C时,其温度灵敏度为10.64pm/°C,这表明当外界温度发生变化时,干涉谱线的波长发生变化,但其强度不受影响。因此该传感器同样可以被应用于恶劣环境中对湿度和温度进行同时监测。
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