1、 基于 SiO2纳米粒子包覆微光纤湿度传感器 摘 要 光纤从六十年代诞生至今已有半个世纪，从九十年代开始商用到现在，已经有了质的变化。在各个领域都展现了其优良的性能；湿度传感器只是其一个重要的应用。一般地，光纤与湿敏材料的组装方法有两种：一种是静电自组装 ,另一种是涂覆。静电自组装是经过静电处理的光纤表面使其与湿敏材料所带的电荷相反，从而实现自组装；这样有两个优点：吸附性强，致密度高。涂覆是在光纤表面涂上一层湿敏薄膜，从而完成光纤湿度传感器的核心部件。 本文根据单模光纤的周期性微锥度结构的特性，将其与纳米 二氧化硅进行有机的结合，设计出一种基于纳米二氧化硅的微光纤湿度传感器，通过与未涂覆湿敏材
2、料的微光纤对比在不同湿度下的透射谱以及空间频谱来突出该光纤湿度传感器的测湿能力，之后对其测湿范围以及能力进行分析。 关键词： 涂覆 周期性微锥度结构 湿度传感 二氧化硅纳米粒子 Relative Humidity Sensor Based on Taper Fiber Coated with SiO2 Nanoparticles ABSTRACT Fiber from the birth of the sixties has been half a century, since it was commercially from the nineties to today everywhere.
3、It shows good performance in many domain;Humidity sensor is only one of applications of fiber.In generally, there are two methods to assemble fiber with hygroscopic material:one of the methods is electrostatic self-assembly(ESA) and the other is coating.The electrostatic self-assembly is to make the
4、 fiber surface which is treated by electrostatic and make it electric charge conversely with humidity material, thus achieving self-assembly； it has two advantage:strong adsorptive and high consistency.Coating is to daub humidity material at fiber surface,thus accomplish core-block of serson. Accord
5、ing to the chararcterristics of a single-mode fiber with periodically modulated micro-tapers, organic synthesis it with SiO2 nanoparticles and designing a relative humidity sensor based on taper fiber coated with SiO2 nanoparticles has been presented in this paper.Compared it with the micro-fiber wh
6、ich isnt coated humidity material in transmission spectrum and spatial frequency spectrum, the sersors ability of detecting humidity has been shown.Then athe detecting humidity range and ability of the sensor has been analysed. Key Words: Coated Periodically modulated micro-tapers Humidity sersor Si
7、O2 Nanoparticles 目 录 第一章 前言 . 1 1.1 光纤湿度传感器的发展及研究现状 . 1 1.2 光纤湿度传感器的种类 . 1 1.2.1 光纤光栅型温湿度传感器 . 2 1.2.2 光纤渐逝波耦合湿度传感器 . 4 1.2.3 基于 F-P 腔光纤湿度传感器 . 5 1.3 光纤湿度传感器的特点及应用 . 6 1.4 光纤湿度传感器的制备 . 7 1.5 本毕设的主要内容 . 9 第二章 湿度敏感材料的概况及相关传感器的设计方法 . 10 2.1 湿度敏感材料的概况 . 10 2.2 SiO2 纳米粒子 . 11 2.2.1 SiO2 纳米粒子的性质 . 11 2.2.
8、2 SiO2 纳米粒子的制备 . 12 2.3 PVA 湿敏薄膜 . 14 2.3.1 PVA 湿敏薄膜的性质 . 14 2.3.2 PVA 湿敏薄膜的制备 . 15 2.3.3 相关传感器的制作 . 15 第三章 基于 SiO2纳米粒子包覆微光纤湿度传感器的研究 . 17 3.1 实验系统构建 . 17 3.1.1 传输光源的选择 . 17 3.1.2 传感器的制作 . 17 3.1.3 湿度计 . 20 3.1.4 光谱分析仪 . 20 3.2 特性测试与结果分析 . 20 3.2.1 SiO2 包覆微光纤湿度传感器对空气湿度敏感实验 . 20 3.2.2 光谱变化分析 . 21 第四章
9、总结与展望 . 23 4.1 总结 . 23 4.2 展望 . 23 参考文献 . 25 致 谢 . 27 天津理工大学 本科 毕业设计 1 第一章 前言 1.1 光纤湿度传感器的发展及研究现状 光纤传感技术发展于上世纪 70 年代，它是光导纤维发展成熟及光通信大规模商用的产物，是 一种新兴的传感技术。在光纤通信中，光纤常常会受到温度，压力等等外界因素的干扰从而导致传输光光强，相位，频率等光参量发生改变，这对光通信是不利的。但是，通过光参量的改变直接反映外界的变化，构成了与外界直接交换信息的基础，从而发展成了光纤传感技术。随着科学的不断发展，我们对环境变化越来越关注，这就突显出光纤传感器的地位
10、；在诸如温度，压力，液体流量等物理量的测量上更加突出光纤传感器的重要性。 湿度传感器作为传感器领域的重要成员，在航空航天，石油勘探，发电厂，医院等方面有重要的应用；随着湿度传感器的不断发展 ，对湿度传感器的适应性及测量范围，测量精度以及响应速度等传感指标有越来越高的要求。然而，对于传统的湿度传感器而言，在单一的环境下，其拥有较高的测量精度及响应速度，在信号处理方面也易于处理。但是，在电磁干扰环境，高热高压环境，一般的湿度传感器无法达到预期的效果，在这样的情况下，人们看到了光纤湿度传感器的优势。 光纤湿度传感器作为一种新型的湿度传感器，以光纤作为传输或传感媒介，加之光纤拥有适应能力强，抗电磁干扰
11、，抗高温高压，体积小重量轻等特点，使得光纤传感器成为人们解决传统传感器存在缺陷的一个有效路径。 在光纤湿度传感器的研究方面，印度的 Gupta 等人研究了掺酚红的 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯 )薄膜涂敷塑料的 SiO2 光纤湿度传感器 1，这种传感器的相对湿度测量范围为 20%-80%RH，响应时间为 5s；另外一项为美国 Khi jwania 等学者研究了利用 CoCl2 掺杂聚合物薄膜涂覆在裸纤芯上的光纤渐逝波湿度传感器，该传感器的相对湿度测量范围为 20%-90%RH，响应时间为 1s 左右 2。在国内 ，有 上海市特种光纤重点实验室的庞拂飞等人通过将光纤熔融拉锥渐逝波耦合器与溶胶 -凝
12、胶材料结合 2，涉及的材料类似于多孔硅 表面具有许多小孔，在实现对水分子吸附的同时，也改变了其折射率，并间接影响光耦合器的分光比，达到传感目的。该传感器的相对湿度测量范围为 25%-95%RH。另外，周胜军等人研究的一种涂敷氯化钴 /gelation 的光纤传感器，其相对湿度测量范围10%-90%，响应速度为 2.5s3。 1.2 光纤湿度传感器的种类 光纤湿度传感器主要分为：传光式光纤传感器、光纤光栅式传感器以及光纤传感式湿度传感器 3；传光式光纤传感器的可以大致描述为：在两块塑料薄片中间固定一块光敏薄膜，天津理工大学 本科 毕业设计 2 并将这三个薄膜片插入比色皿中，这 样就形成一个 AB
13、A 结构的薄膜湿度传感器；将该传感器放置在光度计的池架上，然后通过光纤传光进入该型传感器进行测量；其中，传光纤应使用单模光纤； 图 1.1 (a) 光纤传光式湿度传感器的一般结构 光敏材料可以选择拥有较强敏感性的材料，如结晶紫。其原理为：环境中的湿度发生变化，传感器表面的薄膜会直接将水分子吸收，导致该薄膜的光学参数发生变化通过一定的电脑运算即可得到相应的湿度 4。 传感式光纤传感器的基本构成是：以单模光纤本身作为敏感材料，将其中间拉制为锥形(图 1.1(b)4；在束腰区保 持一定的厚度，其中在 H 包层 外采用静电自组装物质，即为 ESA 外包层，其厚度为 W；原理为：先将光输入光纤，但此时光
14、纤内光的损耗只与温度有关，在锥形处，由于此时的光纤拥有 ESA 外包层及相关的湿敏材料，所以我们可以通过测量除温度影响外，光功率变化的情况而间接得到湿度。 图 1.1(b) 传感式光纤湿度传感器的锥形区结构 1.2.1 光纤光栅型温湿度传感器 光纤光栅型传感器属于光纤传感器中的一种，是上世纪八十年代末 Morey 等美国人首次进行光纤光栅与温度、湿度传感器的研究以来，世界主要国家对该种新型的传 感技术开展了天津理工大学 本科 毕业设计 3 广泛的研究；截至上世纪九十年代末，光纤光栅传感技术已成为传感器领域中发展最快的传感技术，并在石油化工，航空航天，土木工程以及复合材料上得到了成功的应用。 作
15、为光纤光栅传感技术下的一个重要的应用，光纤光栅温湿度传感器拥有相较于其他湿度传感器更加紧凑的组成结构，并且属于测量光波长的变化来测量湿度的变化，测量精度更高。图 1.2 为光纤 Bragg 光栅温湿度传感器的一般结构 5。 图 1.2 光纤光栅型温湿度传感器的结构示意图 如图 1.2，由于光纤光栅对湿度的敏感性很差，导致光波长的漂移相对较小而导 致不易得到精确结果，所以一般都在其表面涂覆一层湿敏材料。当环境湿度发生改变时，由于光纤光栅涂层吸收水分，引发光栅的应变响应，从而计算湿度变化。上图中的 FBGa 同时可响应环境温度及湿度， FBGb 只可响应环境温度 (表面涂有湿敏材料，避免受环境湿度
16、影响 )。 最早发展出的光纤光栅是光纤布拉格光栅，同时它也是应用最为广泛的光纤光栅之一；所谓的 Bragg 光栅主要是通过光栅的周期来判定的，一般情况下，光纤光栅的周期可以为分长周期光纤光栅 (T1m)和短周期光线光栅 (Tnb，当将两介质相互紧贴 (理想情况下间隙为 0)，假使一束光经介质 a 传播到两介质的分界面时，一部分光会反射回 a 介质另一部分会折射入 b 介质；当入射角 a 大于两界面的临界角 时，这时会出现全反射；若 b 介质是一种可吸收光波能量的介质 (即衰减介质 )，在这样的情况下，会有一些光摄入介质 b 中，形成一种不同于 a 中光波的另一种光波。这种光波是一种趋向迅速衰弱
17、的电磁波，这种情况下产 生的光波称为渐逝波 7，见图 1.4(a)7。 天津理工大学 本科 毕业设计 5 图 1.4(a) 渐逝波示意图 目前制备渐逝波耦合器所使用的方法主要为熔融拉锥技术 8；通过加热两根紧贴的单模光纤，使光纤变为熔融状态，再利用相关的机床设备向反方向慢慢运动 (匀速 )，使熔融状态的两根光纤被逐渐拉伸变细。在加热时，光纤的包层被破坏，这样使得渐逝波的能量加强，两根相邻的光纤相互作用，这就实现了光纤渐逝波耦合器。同时，在拉制的过程中需要确定光纤的分光状态的动态变化，此时可以将一个固定波长的光从任意一端口接入光纤，实现实时监控两端口 的功率变化，这样就实现了分光状态的监控。 图
18、 1.4(b) 光纤渐逝波湿度传感器结构图 光纤耦合器件拉制完成后会被封装在硅 V 形槽内，由于硅 V 形槽的原料与光纤的原料都属于石英所以具有相似的热膨胀系数，这样才能够保证该器件具有良好的稳定性。为了该光纤渐逝波耦合器件实现传感，需要对其进行增敏。图 1.4(b)中，将溶胶 -凝胶涂覆于光纤耦合区表面。当空气中的水分被吸附至薄膜孔中时，薄膜的折射率会发生改变，同时其传感特性将反映在分光比的改变中，从而间接的得到湿度。 此外，还有一种 U 型的塑料包层的光纤渐逝湿度传感器 ，该传感器同许多其他湿度传感器一样，都是采用涂覆的方式进行制备；通过将氯化钴参杂聚合物涂覆在裸光纤上，形成一层薄膜。通过
19、将该段传感光纤弯曲为 U 字形进行探测 9。 1.2.3 基于 F-P腔光纤湿度传感器 基于 F-P(法布里 -珀罗 )腔的传感器有许多的优点，例如耐高温高压， 温度交叉敏感度小等等。在许多物理量的测量上都得到应用，如温度、湿度、压力、位移等等，被广泛应用于航空航天、石油勘探等领域 10。光纤法布里 -珀罗腔是从法布里 -珀罗干涉仪发展而来的，其天津理工大学 本科 毕业设计 6 基本的原理为当光波进入该腔后会在两个反射端面之间不 断地来回反射，在反射过程中这些反射光波会相互干涉并遵从多束光的干涉原理。但这种腔在反射过程中，由于一般未经过特殊处理的腔表面反射率不高造成很大的反射损耗。 F-P 腔
20、结构如图所示 10。 图 1.5 F-P 腔结构图 基于 F-P 腔的光纤湿度传感器工作原理一般为当将该湿度传感器放置在空气中时，腔内涂覆的湿敏材料会吸收水分，使得腔内的折射率和腔长度发生变化从而导致透射光谱的波长发生变化，而我们正好可以通过透射光谱的波长的变化来得到与之相对应的湿度。 F-P 腔中的湿敏材料有很多种选择，但一般都选择多孔硅 ；多孔硅于 1956 年由美国的Uhlir 发现。现在主要的研究方向主要集中于其制备、发光特征及微结构特征，由于多孔硅的体积与表面积比值相差巨大并且其表面化学性质活跃，这样的特性使得多孔硅很容易吸附环境中的气体分子直接导致其光学性质的改变，因此它也可以应用
21、在对气体分子的探测上。一般地，腔内都涂覆有三层膜，第一层为半透半反射膜 (需要一定的透射率使在第二层上的光反射回来 )，第二层为反射膜 (高反射率，尽量减少光的损耗 )，第三个即为多孔硅膜 10。 图 1.6 湿度检测装置示意图 图 1.6 为湿度检测装置 11， 带宽光源通过光纤的传输并通过 3dB 耦合器进入到 F-B 腔，光在腔内有反射光和透射光，透过光谱分析仪可以得到相应的光谱，当环境湿度有所改变时，光谱就会改变，这样就可以到得到相应的湿度。 1.3 光纤湿度传感器的特点及应用 光纤传感器的发展非常快，在许多方面都有着重要的应用，如温度、压力、测量液位等；但是在湿度测量的领域传感元件还比较缺乏；在许多工作环境下，不仅仅只需要了解环境温度，大气压还必须知道空气湿度；在一些特殊的环境下，比如说高温，高压，电磁场环境复
