基于光纤FabryPerot腔的湿度传感器研究

1、基于光纤FabryPerot腔的湿度传感器研究 武汉理工大学 硕士学位论文 基于光纤Fabry-Perot腔的湿度传感器研究 姓名：廖招龙 申请学位级别：硕士 专业：物理学 指导教师：田旭 20100501 中文摘要 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 号是全光信号，可远距离传输不衰减，可适用与

2、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FP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FP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FP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FP 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

3、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FP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FP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。 关键词： 光纤F-P腔，湿度传感器，湿度敏感薄膜，多

4、孔硅 Abstract Relative values弱an referenceindexofenvironmental humidity important characteristicsitat are tothe ofmeasurement。 manyplacesverynecessary precision In activitiesandthe andsurvivalof and dailylife，production growth plantsanimals， are linkedwith the environment closely surrounding humidityh

5、ouseholdappliances， and needfor transportation，medical，meteorology,industrialagriculturalhumidity measurementArsenalwarehousewhere storage flammablesubstances using electronic is of most market hygrometerverydangerous，but todayS presence has ismeasurement FP hygrometerhumidityhighshortcomings accura

6、cyFiber sensorisbasedonthe ofF-Pinterferenceto principle producedAll?opticalsignal canbetransmittedwithoutattenuationof in signal sensing longrange，applicable harshenvironment resolutionfeatureswith measurement，opticalinterferometer,high is to the high achieverelative measurement precisionexpected h

7、umidity This on FPinterferenceinresearchand paperbasedfiber-optic principle of fiberendsurface F-P sensoLWith developmentoptical coatingcavityhumidity ceramicferrulefixedfiber ordertoincreasethefilmadhesion end，in onthefiberend faceCoatedsilver silicon filmonthefiberend filmsilver filmporous face，si

8、lver filmtoformatwo-tierstructureofF-Pinterferenceinthemiddleof the porous siliconfilm嬲elementofmoisture-sensitiveFPmoisturesensor fiber-optic probe， and on the ofthe test sensor experimentsproductionhumidityhumidityperformance verificationThecontentofthis forthe thesis ofthe studies： completionfoll

9、owing F?Pinterference 1 Fiber theory ofmultibeaminterference F-P Analysis theory，highfinesse fiber-opticcavity finesse losscharacteristicoflow?finesse F-P opticaltheory，and analysis fiber-optic interference F-P 2 fiber cavityproduction and method FP efficientof fiber isdisturbed Simple makingoptical

10、 cavity optical FP fiber sensortothemain use cavity of witha practical，thismagnetronsputtering ceramicferruleinafixedreflection the oftheir coating，through study production to increaseand thesensorProbefor process improve 3 The sensitive humidity ofthinfilms properties In addition tothe sensordetect

11、ion F-P effect precision ofrefiectiOn cavity 0utside the thin filmsare moisture?sensitivethin filmeffectandits use characteristics，this0f siliconthin porous filmsof moisture sensitive havea humiditv components high response Sensor 4 Humidity test Experiment of FP Design fiber。optic sensortest cavity

12、humidity system，set upexperimental of thesensor broadband testing SOUrCe optical incidentonthe light inf ared spectral andthetime 北驴nse oftheincident monochromaticlaser sourcewhenthe light 0ptical testresults powerchanges，and to the dataobtained analyze humiditvsensor charactedsties Keywords：fiberF-

13、P sensor,moisturesensitive cavity，humidity film，poroussillcon， nl 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅

14、；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名：盈垫筐 导师签名： 塑丝日期：型啕幽 群13 武汉理工大学硕士学位论文 第1章绪论 11课题研究背景及意义 空气湿度是指空气中水分子含量多少或者说是潮湿的程度，一般用相对湿 度表示。相对湿度大小与人类的生活环境是密切相关的。夏天的室外环境温度 较高，我们需要靠汗液的蒸发来带走热量，但是如果空气中相对湿度较高，那 么汗液的蒸发就会比较缓慢，此时人们的身体也会因为热量的散发不出去而感 觉难受，但是在相同的温度下如果空气中相对湿度较小，我们会因为热量散发 较快而感觉要舒适得多，另外

15、细菌和病菌的滋生和繁殖需要在一定的湿度条件 下进行，所以其对于病人的康复有很大的影响，因此在医院的病房里面我们也 需要让病房的相对湿度控制在最合适的范围内，以期让病人能在最短的时间内 恢复健康。以上是空气湿度对于我们人体本身的影响。大气中相对湿度的检测 准确性也直接影响了气象台对于天气预报的准确性，大气中水分子含量的多少 决定了其在一定温度下是否会凝结成雨或雪降落下来，动植物的生长和发育， 虫卵的孵化，幼虫的生长，仓库中物品的存储环境等等这些都需要在一定的湿 度环境下进行。 因此相对湿度是人类环境表征的一个重要参数。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，

16、从日常生活、家 电、交通、到医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。 目前市场上提供的监测湿度的传感器大多是机械式和基于电化学的电子类 湿度计。光纤传感器因为具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，光纤传输全光 信号，易于集成等一系列的优点而成为如今传感器发展制作中备受关注，而光 纤类的湿度计在制作技术上尚不成熟，存在诸多弊病，光纤Bragg光栅式的对湿 度响应较小，O-100RH Relative 镀膜的湿度敏感膜不稳定，易脱落。 光纤F-P腔式传感器除了具有其它光纤传感器的有点外还有传感器原理简 单，传感精度极高等优剧21。但是其制作过程复杂，成本较高，要做出可实用化 的光纤FP传感器还很困难。

17、武汉理工大学硕士学位论文 12国内外湿度传感器研究状况 早在18世纪的时候人们就已经意识到了湿度对于现实生活中的影响，且从 那时开始设计了一系列的方法来测量空气的相对湿度。时至今日已经出现了许 许多多的测量方法，所利用的原理也各有不同，但是现在市场上出现的湿度检 测仪大致可分为机械式和电子式两种，光纤湿度传感器产品目前尚未在市场上 出现，人们研究的也主要是基于光纤光栅式的和端面镀膜式的光纤湿度传感器。 市场上销售的湿度传感器在精度上还有很大的缺陷只能精确到正负5RH。主要 的对空气湿度测量的方法有： 1、干湿球法测量湿度 这种方法产生于18实际是最早设计的一种具有实际意义的湿度测量仪，液 体变

18、成气体的时候需要吸收热量，干湿球法正是利用了这一原理，把两个温度 特性完全相同的温度计，其中一个用纱布包好，用设计好的方法使纱布保持湿 润，而另外一个温度计放在空气中，处于液态的水分子要汽化成水蒸汽则需要 吸收热量，而空气中水分子的饱和度则直接影响了水分蒸发的速度，蒸发速度 快则空气种水分子含量低，然后两个温度计的温差就会很大。反之，温度计的 温差很小那么空气中的相对湿度则很大。我们读取两个温度计上的温差则可以 确定空气中的相对湿度大小。这并不是一种直接测量湿度的方法，它有专门的 干湿球方程来换算处湿度值，另外水分蒸发的速度不仅仅只和空气中的水分子 含量相关，还和大气的流动速度相关，流动速度快

19、的时候蒸发要快些。而干湿 球的换算方程也有特定的风速条件，要求湿球所处的环境大气流动速度大于 25rns，普通的湿度计考虑的东西较少13J，测量精度只有7RH左右。影响干湿 球法测量湿度的精度主要原因有： 1 对温度测量不准确的影响 2 通风速度 的不稳定所造成的影响， 3 湿球的大小和形状的影响， 4 湿球的污染造成 其水分蒸发速度变化的影响 5 热辐射带走的能量对温度计的影响， 6 湿 球水分含量动态变化的影响 2、露点仪法测量湿度 露点仪出现于19世纪，也是一种较为古老的湿度测量方法了，经过长时间 的发展也因此而变得非常完善了。露点仪的原理是这样的，把一个表面光洁的 镜面放在湿度低于10

20、0RH的环境中，然后使用一定的方式让镜面降温，当降 到一定的程度的时候镜面开始出现凝结的露珠，测出这个时候的镜面温度就可 以知道此时空气中的相对湿度，因为不同的相对湿度值对应了不同的露点温度， 2 武汉理工大学硕士学位论文 空气中水分含量高则露点温度也较高。 镜面污染会造成露点仪测量偏差，其主要表现在两个方面，第一个是改变 了镜面本底放射水平，第二个是拉乌尔效应，拉乌尔效应是由可溶于水的物质 产生的，当待测量气体中含有这些物质时，镜面则提前生成露珠，因此而产生 测量误差。如果空气中携带的是不能溶于水的物质，就会增加镜面的散射水平， 而使的露点仪的零点产生漂移。大多数情况下露点仪都会在使用了一定

21、的时间以 后产生污染，是以需要经常地进行维护。也正是因为这些原因所以限制了其使用 环境的局限性【4l，希望检测环境是一个比较干净的，空气污染物含量少的环境。 3、电子式湿度计 这种湿度传感器一般是让湿度敏感薄膜暴露在一定的湿度环境中，薄膜吸 收空气中的水分程度因空气中的水分子含量而异，然后薄膜吸收水分以后其电 学性质发生改变，如电容【5l，电阻【6J等特性，然后我们根据其电容和电阻改变特 性来确定空气中相对湿度的大小。按湿度敏感薄膜类型的不同可以分成：电解 质类，半导体陶瓷类，有机高分子聚合物三大类。电解质类的湿度传感器对湿 度的敏感性能优越，稳定性也很好，但是响应时间比较慢，高的RH环境下容

22、易 潮解，此类的薄膜的代表性物质为LiCI。半导体陶瓷类的湿度敏感薄膜种类比较 多，其重要是利用了其电极之间的电阻变化来确定相对湿度的。其优点有可耐 高温，化学性能好，寿命长，价格便宜等，但是稳定性，差，也需要进行清洁。 高分子类的湿度敏感薄膜利用了其某些特征量的变化，这些特征量一般是其介 电常数l_丌，导电性能变化，高分子的感湿材料有聚苯乙烯酸磺酸、聚乙烯醇、醋 酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、聚酰亚胺等。其中以电阻特性变化做成的传感器 的感湿特性曲线具有非线性现象，另外表面被污染以后也会造成传感器的电阻 值漂移，但引线的分布影较小；电容型高分子传感器的感湿特性曲线的线性好， 抗污染能力较强，但是

23、电容结构容易产生火花，某些特殊区域不能使用。 4、光纤类湿度计 光纤类的湿度传感器也有很多种，大多数都处于研究状态。但都需要在光 纤的特定位置镀上湿度敏感薄膜【引，在不同空气湿度下该薄膜具有不同的光学特 性，然后以此来确定空气中的湿度。2006年浙江大学盛德仁等人使用了光纤光 栅技术来测量湿蒸汽湿度，这是一个处于高湿度环境下的测量，他们使用了两 个刻在同一根光纤上的Fiber BraggGrating FBG ，其中一个不做湿度敏感处理的 FBGl用来测量空气中的温度，另外一个FBG2去掉涂覆层以后用湿度敏感薄膜涂 敷，待其吸收湿度以后膨胀，以此改变FBG2的反射中心波长。这样做要事先知 3

24、武汉理工大学硕士学位论文 道测量湿度的FBG2的温度特性，这样以来才能用测温FBGl测量得出的温度值来 去除FBG2对温度的敏感部分。这种结构的湿度传感器在光纤传感器中因为是波 长解调所以具有比较好的抗干扰性不会因为测量过程中光路扰动而影响中心波 长。缺点就是吸湿膨胀对FBG的影响较小。 Fiber 在2009年的文献中查阅到，苗应平等人在倾斜光纤光栅 Tilt Bragg Grating 上涂敷PVA材料来测量湿度，是用透射光功率来确定环境相对湿度大 小的，在检测结果中存在两个线性区，80RH以上的湿度响应度比较大，80RH 以下的相对湿度响应度相对较小。但是功率解调的光纤传感器在测量的时候

25、功 率容易受外界因素的干扰，是以在封装上需要非常苛刻的条件。 13光纤FabryPerot腔在传感器领域的应用 多多的应用了，其中有部分已经取得了实际的应用，而另外也积极地开发其在 新的传感领域的应用，下面就介绍一些在光纤FP腔传感器上的研究成果。 1 光纤FP压力传感器 F-P压力传感器的设计原理是把被测物所受的压力值转变为其对FP干涉腔 长度的变化来实现对压力的测量19J。传感器原理图如图1-1所示，镀铝的硅膜和 陶瓷插针的端面构成一个FP腔，硅膜在压力的作用下发生形变改变腔长，而使 反射光谱发生变化，测量反射光谱的变化就可以得到硅膜上所承受应力的情况。 图1-1光纤FP压力传感器 4 武

26、汉理工大学硕士学位论文 2 光纤FP液位传感器 由恒弹性硅片和单模的石英光纤端面构成一个对液体压力的传感器，如下 图所示，光源由下面的单模光纤进入，液体槽和弹性硅片之间有一个平衡装置， 以使得弹性硅片所受的应力在整个平面是均匀，以避免致硅片倾斜而使弹性硅 片上的反射膜反射的光线不能耦合进入单模光纤内，此种测试液位的方法是把 液体产生的压强转换为应力测试然后再转而得到液位的变化【101。 液体平衡 装置 弹性硅片 F_一F腔 图1-2光纤FP液位传感器 3 光纤F-P位移传感器 用FP腔测试物体微位移的原理【llJ如下，接收光纤的端面加一个自聚焦透 镜，以便增加光束耦合的能力，因为这种形式的F-

27、P腔当反射面向远处移动以后 光的耦合能力会大大降低，另外一个反射膜贴在被测移动物体的端面，或者如 果被测物体表面反射率足够大的话也可以直接用被测物体的表面做F-P腔的第二 个反射面。 4 光纤FP电流传感器 传感器结构如图13所示，把待测量的电流加载到图中的线圈中，在两个铁 芯中间形成电流的磁场，然后把做好的导体棒，在棒上贴一个反射膜，将棒悬 挂在磁场中，让贴膜处和光纤端面形成一个FP腔，这样就可以根据导体棒所受 磁场力的状态来确定线圈中电流的大小。 5 武汉理工大学硕士学位论文 光纤 图11光纤F-P电流传感器 根据在应用中灵活处理我们还可以做出监测其它许多物理量的光纤FP传感 器112l，

28、比如在F-P腔中填充只对某种气体敏感的介质，构成光纤FP气体传感器， 和利用声波在介质中传播的某些特性制成超声波传感器，和利用一些机械装置 做成振动测量传感器等等，这些都需要我们在实践中去体会和摸索。 13本论文所做的工作 为了实现光纤FP腔测量湿度系统，在满足湿度测温精度情况下，利用了光 纤FP腔的一系列优点，综合前人制作F-P腔的方法，我们提出了一种新的方法制 作光纤F-P腔，简化了其制作过程，提高了反射薄膜的稳定性。并且将此光纤FP 腔的制作方法应用与湿度传感器探头的制作中，并用实验检测了这种新的光纤 FP腔湿度传感器的性能。本文中本人所做的主要工作是： 1、介绍了光纤F-P腔传感器，分

29、析了光纤FP腔理论。 2、讨论了光纤F-P腔解调方法，并对各种解调方法进行了分析。 3、提出了一种新的光纤FoP腔制作方法，利用磁控溅射镀膜工艺在光纤端面 制作光纤FP腔，为提高薄膜与光纤端面的稳定性将陶瓷插芯固定光纤端面，在 陶瓷插芯上镀膜，增大薄膜与基底的结合面积以提高薄膜的牢固性和光纤FP腔 的稳定性。 4、使用波长解调和功率解调光纤F-P腔实现对相对湿度的检测，对实验数据 进行分析得出湿度传感器的一些性能指标，从实验结果中分析了这两种解调方 法的特点。 6 武汉理工大学硕+学位论文 14本章小结 本章主要介绍了湿度传感器的研究现状和光纤F-P传感器的应用现状，并对 本论文的主要工作做了

30、概要性介绍。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2章光纤FP干涉仪 21 FP干涉仪干涉原理 211多光束干涉 假设一束光通过厚度为h，折射率为n的透明平行平面玻璃板，玻璃板置于 空气介质中，光束以0角度入射到其上一点01分成一束反射光和一束透射光， 光在介质板内多次来回反射，光束在玻璃板的两边被分成振幅从左致右递减的 反射光和透射光。因为这些光束都是从同一束光通过分振幅的方法得到的光， 所以它们是相干光，在玻璃板的两边可以形成干涉条纹【13l。 I 1 jLl 图2-1多光束干涉示意图 假设由空气介质进入平板介质的反射系数 反射光电场振幅与入射光电场 振幅之比 为r，透射系数 透射光电场振幅与

31、入射光电场振幅之比 为t，而 由平板介质进入空气的反射系数和透射系数分别为r和t由此我们可以写出每 一次反射的电场振幅分量为： 8 武汉理工大学硕士学位论文 目一rE 鼋一 trte埘Eo 鼋7 ；护3，。P-2玷EI 21 E 髟一护。删，P廿1M 式中P为序号，p 2，3，4?，p l除外，因为第一项没有透射，其振幅反 射比为r，而其余各项中均含有振幅反射比r。，且都有两次透射。当平板的反射 率很高，而且其平板足够长，则有无限多个这样的反射波，而总的反射波应该 是这些反射波的叠加，所以总电场应该写为上式中每一个量的叠加形式。 E7 茸一+砬一+毯7+髟 22 把 21 式中各项代入 22

32、中，并令n p2，则可以都得到下式： 分” ，+【罗 r。P埘ttP埘妒 2-3 根据： 荟“击 仆1 2。4 并且设反射系数与透射系数之和等于1，并且由于光路可逆r-r，可以求 得反射光波电场总和为： -【，+等n雨r 1-e-6 25 有反射光电场方程可以写出反射光强为： 广L挑 ， 【笔善】【箸芳妒 2【2一 P坫一P一诗 】 rf， 1一，2 2+，2【2一 P”一e-,6 】 26 4Rsin2鱼 ， ， ；k 1一R 2+4只sin2罢 27 同样地可以得到透射光的强度表达式： 1一R 2+4尺s群； ， f k碉T2 28 9 武汉理工大学硕士学位论文 R 0064 R 02 R

33、 07 R 09 图22FP干涉条纹 由以上知道，多光束干涉的时候，干涉条纹的细锐程度和两个反射面的反 射率是息息相关的，反射率越高则可以在透射光处得到越细锐的干涉条纹，而 在反射光处则由于第一次反射和第二次反射光的强度相差太大无法形成很好的 干涉条纹。 212 FP干涉仪精细度 FP腔干涉条纹精细度是一个评价干涉条纹细锐程度的值，其公式表达式为 F Jr,0，这里的厶6定义为透射光强为最大值的一半是的相位宽度，也就是我 们所说的3dB带宽，其示意图如下图23 图2-3干涉条纹精细度 213光纤FP干涉仪的色分辨率本领 能够分辨开的最小波长差6入m称之为仪器的分辨率极限，的对于颜色的分 lO 武汉理工大学硕士学位论文 辨，我们可以使用瑞利判据：其中一个波长的极大值正好落在邻近波长的极小 值处时，正好可以分辨，否则不能分辨。另外一种说法是，两个等强度波长的 亮条纹只有当他们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的81时才能被分 辨。分辨率本领可以用 彳；jL A 。 29 来表示。 下面用理论计算来推导一下，如果不考虑F-P干涉仪的吸收损耗，则波长为 入。和入2的两束光的合强度为 卜志+藤12i _ 2 Z ，j妥 211 1一只 上式中6。和6：是在同一点的两个波长所对应的相位差，R是反射面的反射 幺 2ma一占2，因此