基于氧化石墨烯的光纤湿度传感器研究

来源 :中国计量大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:wangxq198
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由于氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)引入了大量的含氧基团,如–OH、–COOH、–O–、C=O等,从而使得其具有了高分散性和吸湿性等新特性。而且, GO的大比表面积大大增强了GO吸收水分子的能力。结合光纤传感器的高灵敏度、结构紧凑和抗电磁干扰特性。本论文研究了一系列 GO 薄膜与光纤传感结构相结合的相对湿度传感器,主要研究内容包括:  1、介绍了几种典型的光纤传感结构和它们的工作原理,并对在已有的光纤传感结构基础上构建成的光纤湿度传感器进行了简要介绍。介绍了 GO 的特性以及其与光纤传感器相结合后制成的新型传感器在湿度传感方面的表现。根据光纤特殊的圆柱形结构,提出了一种利用光热光压效应的镀膜方法。  2、提出了一种基于光偏振特性和GO薄膜的湿度传感器。光纤传感头是通过将一段15 mm长的偏振保持光纤(polarization maintain fiber, PMF)熔接在一个腰椎放大结构和错位结构中间制得。GO薄膜通过光压光热的方法镀在光纤传感头的侧表面。GO 薄膜的有效折射率将会随外界湿度的变化而变化,从而对PMF中沿快轴和慢轴传播的偏振光产生调制。通过监测沿慢轴传播的偏振光的强度变化,在相对湿度变化范围为60%~77%时,该湿度传感器的最大灵敏度可以达到0.349 dB/%RH。  3、提出了一种新型的基于倾斜布拉格光纤光栅(tilted fiber Bragg grating, TFBG)和 GO 薄膜的湿度传感器。由于被激励起的包层模能够与外界 GO 薄膜折射率的变化产生强烈的相互作用,TFBG 的包层模强度能够随 GO 薄膜吸水或干燥过程而变化。通过监测波长1557 nm处的包层模的峰值强度变化,得到该湿度传感器在湿度变化范围为10%~80%内的最大灵敏度为0.129 dB/%RH。  4、提出了将 GO/polyvinyl alcohol (PVA)复合材料镀在光纤传感头的侧边面,从而实现对外界湿度的传感。对比分析了 3 种不同浓度的复合薄膜材料镀在光纤传感头侧表面的实验结果,湿度变化范围在25%~80%内,由0.3 g PVA和10 ml GO分散液复合而成的薄膜获得了0.193 dB/%RH的灵敏度。
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