光纤光栅湿度传感器的研究.ppt
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1光纤光栅湿度传感器的研究光纤光栅湿度传感器的研究学生:
李涛学生:
李涛导师:
董新永导师:
董新永专业:
光学工程专业:
光学工程物理学专业学士论文开题报告物理学专业学士论文开题报告2目录目录p一、研究背景及意义p二、课题研究内容和方案p三、创新点p四、预期达到的研究结果p五、进度安排课题来源课题来源浙江省自然基金项目(R1080087)国家自然科学基金项目(60807021)973项目(2010CB327804)3一、研究背景及意义一、研究背景及意义41、光纤传感的研究背景、光纤传感的研究背景光纤传感光纤传感器器功能型传感功能型传感器器非功能型传非功能型传感器感器传感型光纤传感型光纤传感器传感器传光型光纤传光型光纤传感器传感器一、研究背景及意义一、研究背景及意义光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量,且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。
5一、研究背景及意义一、研究背景及意义6一、研究背景及意义一、研究背景及意义2、湿度传感器的研究背景、湿度传感器的研究背景所谓湿度,就是空气中所含水蒸气的量。
常用相对湿度来表示即待测空气中水蒸气分压与同温度下饱和水蒸气气压的比值,常用百分数表示记作“%RH”。
传统测量湿度的传感器有毛发湿度计、干湿球湿度计等,后来发展的有中子水分仪、微波水分仪,但他们都不能同现代电子技术相结合,直到20世纪60年代半导体湿敏传感器发展起来以后才有了较大的突破。
现代意义上的湿度传感器的种类很多,按所用湿敏材料,主要可以分为3类:
电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器。
72.1电解质湿度传感器电解质湿度传感器8BA图图1登莫式登莫式LiCl电解质传感器电解质传感器图图1中中A为为用用聚聚苯苯乙乙烯烯包包封封的的铝铝管管;B为为用用聚聚乙乙烯烯醋醋酸酸盐盐和和LiCl覆盖在覆盖在A上的铝电极。
上的铝电极。
若环境相对湿度高,氯化锂溶液的导电能力将加强,即氯若环境相对湿度高,氯化锂溶液的导电能力将加强,即氯化锂湿敏组件电阻降低;反之,环境相对湿度变低,氯化化锂湿敏组件电阻降低;反之,环境相对湿度变低,氯化锂溶液的导电能力将下降,其电阻上升。
锂溶液的导电能力将下降,其电阻上升。
2.2半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器9陶陶瓷瓷烧烧结结体体微微结结晶晶表表面面对对水水分分子子进进行行吸吸湿湿或或脱脱湿湿时时,引引起起电电极极间电阻值随相对湿度成指数变化,从而湿度信息转化为电信号。
间电阻值随相对湿度成指数变化,从而湿度信息转化为电信号。
图图2半导体陶瓷湿度传感器半导体陶瓷湿度传感器2.3高分子材料湿敏传感器高分子材料湿敏传感器10图图3电容型湿度传感器结构电容型湿度传感器结构感感湿湿原原理理是是基基于于高高分分子子膜膜的的介介电电常常数数(约约55)和和水水分分子子的的介介电电常常数数(约约80)相相差差较较大大,而而随随环环境境湿湿度度变变化化,高高分分子子湿湿敏敏膜膜吸吸附附水分子的量不同,从而导致电容变化,由此可测定相对湿度。
水分子的量不同,从而导致电容变化,由此可测定相对湿度。
2.3高分子材料湿敏传感器高分子材料湿敏传感器11离离子子导导电电型型该该类类湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿原原理理:
高高分分子子湿湿敏敏膜膜吸吸湿湿后后,在在水水分分子子作作用用下下,离离子子相相互互作作用用减减弱弱,迁迁移移率率增增加加;同同时时吸吸附附的的水水分分子子电电离离使使离离子子载载体体增增多多,膜膜电电导导随随湿湿度度增增加加而而增加。
由电导变化可测知环境湿度。
增加。
由电导变化可测知环境湿度。
高高分分子子电电子子导导电电型型湿湿度度传传感感器器,也也称称为为“涨涨缩缩型型湿湿度度传传感感器器”。
它它通通过过将将导导电电体体粉粉末末(金金属属、石石墨墨等等)掺掺入入膨膨胀胀性性吸吸湿湿高高分分子子中中制制得得湿湿敏敏膜膜。
随随湿湿度度变变化化,膜膜发发生生膨膨胀胀或或收收缩缩,从从而而使使导导电电粉末间距变化,电阻随之改变。
粉末间距变化,电阻随之改变。
二、课题研究内容和方案二、课题研究内容和方案121、材料的选取、材料的选取2、FBG湿度传感器湿度传感器13根根据据耦耦合合理理论论,FBGFBG的的谐谐振振反反射射波长可表示为波长可表示为对(对(11)式进行全微分得)式进行全微分得33、特殊光纤结构的湿度传感器、特殊光纤结构的湿度传感器14倾倾斜斜光光纤纤光光栅栅(TiltedfiberBragggrating,TFBG)是是一一种种短短周周期期光光纤纤光光栅栅,其其结结构构如如图图所所示示。
由由于于栅栅面面发发生生倾倾斜斜,前前向向传传导导的的入入射射光光除除了了部部分分耦耦合合为为满满足足布布拉拉格格条条件件的的后后向向传传导导的的纤纤芯芯模模外外,其它的还将耦合为一系列后向传导的包层模。
其它的还将耦合为一系列后向传导的包层模。
TFBG结构图结构图TFBG透射光谱图透射光谱图3、特殊光纤结构的湿度传感器、特殊光纤结构的湿度传感器15特殊光栅结构图特殊光栅结构图反射光谱图反射光谱图实实验验装装置置3、特殊光纤结构的湿度传感器、特殊光纤结构的湿度传感器16实验结果实验结果4、光子晶体光纤、光子晶体光纤光光子子晶晶体体光光纤纤的的结结构构特特点点决决定定了了它它具具有有许许多多普普通通光光纤纤不不具具备备的的性性质质,如如支支持持宽宽波波长长范范围围单单模模传传输输,模模场场面面积积、色色散散的的极极大大可可控控性性,易易于于实实现现双双折折射射等等。
这些特性预示着它将会有广阔的应用前景。
这些特性预示着它将会有广阔的应用前景。
17光子晶体光纤湿度传感头光子晶体光纤湿度传感头44、光子晶体光纤、光子晶体光纤18理论模拟结果理论模拟结果RH0-95%RH0.063dB/cm75.847dB/cm三、创新点三、创新点提出了特殊结构的光纤光栅湿度传感器光子晶体光纤作为传感元件19四、预期达到的研究结果四、预期达到的研究结果正在进行中的研究:
特殊结构光纤光栅湿度传感器光子晶体光纤传感器目前取得的成绩:
两篇会议论文(SPIE、ACP);实用新型、发明专利各一个(评审中)预期发表4篇论文20五、进度安排五、进度安排10.910.10:
归纳总结与课题相关的文献资料,并撰写开题报告。
10.1110.12:
学习光纤光栅传感器的相关知识进行基于特殊结构的光纤光栅传感器的设计,并且对其进行理论的分析。
11.0211.06:
制作特殊结构光纤光栅传感器并进行实验验证。
11.0711.08:
初步实现设计的传感器功能,并测试,修改,优化性能。
11.0911.11:
撰写毕业论文2122ThankYou!
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- 光纤 光栅 湿度 传感器 研究