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基于光纤Fabry-Perot腔的湿度传感器研究

作　者: 廖招龙
导　师: 田旭
学　校: 武汉理工大学
专　业: 物理学
关键词: 光纤F-P腔 湿度传感器 湿度敏感薄膜 多孔硅
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


相对湿度值作为环境特征的一个重要参考指标,许多地方都十分有必要对其进行精确测量。人们的日常生活和生产活动以及动植物的生长和生存,都与周围环境的湿度息息相关,家电、交通、到医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。武器库易燃易爆物品存储仓库这些地方使用电子式湿度计是十分危险的,而且现今市场上的湿度计大多存在湿度测量精度不高的缺点。光纤Fabry-Perot (F-P)传感器是基于F-P干涉原理制作的光学干涉传感器,传感信号是全光信号,可远距离传输不衰减,可适用与苛刻环境下的测量,光学干涉测量具有分辨率极高的特点有望实现高精度的相对湿度测量。本文基于光纤F-P干涉原理在光纤端面镀膜研究开发光纤F-P腔湿度传感器。以陶瓷插芯固定光纤端面,以增加薄膜对光纤端面的结合力,在光纤端面镀制银膜／多孔硅膜／银膜,以两层银膜构成一个F-P干涉结构,中间的多孔硅薄膜作为湿度敏感原件制作的光纤F-P湿度传感探头,并进行湿度测试实验对制作的湿度传感器性能进行验证。针对上述内容本论文主要完成了下述研究工作：(1)光纤F-P干涉理论分析分析了多光束干涉理论、高精细度光纤F-P腔理论以及低精细度光纤F-P干涉的传输损耗特性分析。(2)光纤F-P腔的制作高效简单光纤F-P腔的制作方法是困扰光纤F-P腔传感器走向实用化的主要原因,本文利用磁控溅射在用陶瓷插芯固定的端面镀膜,通过对其制作工艺的研究来提高和完善传感器探头的制作。(3)湿度敏感薄膜特性分析影响传感器探测精度除了F-P腔的反射薄膜制备效果之外还有湿度敏感薄膜的制备效果和其特性的影响,本文使用多孔硅薄膜制备的湿度敏感原件得到了很高的湿度响应特性。(4)湿度传感器实验测试设计了光纤F-P腔湿度传感器实验测试系统,搭建实验光路测试了传感器对红外宽带光源入射时的光谱响应和单色激光光源入射时的光功率变化,并对测试结果数据进行分析得出湿度传感器的特性。

全文目录


中文摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外湿度传感器研究状况  10-12
  1.3 光纤Fabry-Perot腔在传感器领域的应用  12-14
  1.4 本论文所做的工作  14-15
  1.5 本章小结  15-16
第2章 光纤F-P干涉仪  16-36
  2.1 F-P干涉仪干涉原理  16-20
    2.1.1 多光束干涉  16-18
    2.1.2 F-P干涉仪精细度  18
    2.1.3 光纤F-P干涉仪的色分辨率本领  18-20
    2.1.4 自由光谱区  20
  2.2 光纤F-P腔损耗特性分析  20-23
    2.2.1 光纤F-P腔耦合损耗分析  20-21
    2.2.2 传输过程中的耦合损耗系数计算  21-22
    2.2.3 光纤F-P腔的其它损耗因素  22-23
  2.3 光纤F-P干涉仪分类  23-28
    2.3.1 低精细度光纤F-P腔  23-25
    2.3.2 F-P干涉仪  25-27
    2.3.4 白光干涉测量  27-28
  2.4 光纤F-P腔传感器信号解调方法  28-35
    2.4.1 基于光功率检测的信号解调方法  28-30
    2.4.2 基于光波长漂移的信号解调方法  30-34
    2.4.3 光纤F-P腔与FBG通用解调的可行性  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章 光纤F-P腔湿度传感器研制  36-49
  3.1 系统的总体结构  36-37
  3.2 光纤湿度传感器探头的设计  37-43
    3.2.1 光纤端面镀膜F-P腔反射薄膜的反射率设计  37-38
    3.2.2 金属反射薄膜  38-39
    3.2.3 湿度敏感薄膜的选择与设计  39-43
  3.3 光纤湿度传感器探头的制作  43-48
    3.3.1 光纤F-P腔的制作方法  43-45
    3.3.2 光纤F-P湿度传感器制作工艺  45-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章 传感器湿度测试实验  49-62
  4.1 湿度环境的产生  49-51
  4.2 实验测试系统准备工作  51-54
    4.2.1 基于光波长解调的光纤F-P湿度传感器测试准备工作  51-53
    4.2.2 基于光功率解调的光纤F-P腔湿度传感器实验准备工作  53-54
  4.3 光纤F-P湿度传感器实验测试与结果分析  54-61
    4.3.1 传感器的波长解调测试实验  54-58
    4.3.2 传感器的光功率解调实验  58-60
    4.3.3 湿度传感器的响应时间测试  60-61
  4.4 误差分析  61
  4.5 本章小结  61-62
第5章 总结与展望  62-64
  5.1 总结  62
  5.2 展望  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间发表论文目录  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 物理传感器
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