基于黑磷烯填充微结构光纤的湿度传感研究

Humidity measurement plays an important role in daily life and national production. The optical fiber humidity sensor is an ideal humidity measuring device for it has the advantages of small size, light weight, fast response, intrinsic safe and the resistance of electromagnetic interference. However, the repeatability and stability of the fiber humidity sensor still need further improve. This project proposes polymer-black-phosphorus filled in air holes of microstructured fiber, and combined in-fiber intermodal interferometer to achieve stable and accurate humidity detection. The theoretical model of polymer-black-phosphorus filled in microstructured fiber is constructed and the influence of filling material, filling ratio, fiber parameters and environmental parameters on the optical conductivity of microstructured fiber is discussed. And theoretical model of in-fiber intermodal interferometer based on polymer-black-phosphorus filled in microstructured fiber to reveal the humidity response characteristics. On the basis of theoretical analyses, design and fabrication of the sensor is carried out, and the humidity and temperature response of the sensor is experimentally studied. Long-term humidity experimental database is built to optimize the sensing structure for improving the humidity sensitivity and stability, and the sensor is packaged and calibrated. The study of this project is important in the fiber humidity sensor manufacturing and will establish foundation to application of the fiber humidity sensor.

湿度测量在日常生活和国民生产中有着重要的地位。光纤湿度传感器具有体小质轻、响应快、本质安全、抗电磁干扰等优点，是理想的湿度测量器件，但是目前光纤湿度器的重复性和稳定性仍需改善和提高。本项目拟采用液体填充技术将黑磷烯湿敏材料填充至微结构光纤的空气孔中，并结合在线型光纤模间干涉仪，实现稳定、精确的湿度测量。本项目构建黑磷烯填充微结构光纤的理论模型，揭示填充材料、填充比、光纤参数、环境参量等对微结构光纤导光特性的影响规律。构建基于黑磷烯填充微结构光纤的模间干涉仪型湿度传感器的理论模型，研究其湿度传感机理。在理论模型的基础上，优化填充工艺，制作传感器，实验研究传感器的湿度响应特性。建立长期湿度实验数据库，优化传感结构提高湿度灵敏度和稳定性，并对传感器进行封装技术研究和标定。本项目的研究对光纤湿度传感器的研制有重要的意义，研究成果也将为光纤湿度传感器的应用化奠定基础。

探索新的高性能湿敏材料，研究新的光纤湿度增敏技术，并且制作出高灵敏度、稳定性好的光纤湿度传感器，在光纤湿度传感研究领域具有重要的研究意义和应用价值。本项目建立了基于微结构光纤的湿度传感理论模型，研究了光纤结构和参数对传输模式、有效折射率、损耗等特性的影响，分析了规律性。研究了耦合方式和光纤参数对湿度响应特性的影响，理论设计了几种基于微结构光纤的干涉仪。实验研究了黑磷烯的制备，为保证黑磷烯的稳定性，将黑磷烯与聚乙烯醇结合起来，对湿敏材料的制备工艺进行了优化。实验研究了液体填充工艺对微结构光纤导光特性的影响，对填充工艺进行了优化，实现了稳定、有效的黑磷烯填充技术，并研究了微结构光纤填充湿敏材料后与其他光纤的耦合技术，提高了耦合效率。.在前述理论和实验的基础上，开展了基于黑磷烯填充微结构光纤的湿度传感器的制作及湿度传感研究。提出并制作了六种光纤湿度传感器，重点研制了几种基于黑磷烯的光纤湿度传感器。设计了一套具有自主知识产权的黑磷烯填充微结构光纤的湿度传感系统，其中基于黑磷烯-聚乙烯醇填充空芯光纤的湿度传感器的湿度灵敏度为-0.2252 nm/%RH, 测量范围为25 %RH-80 %RH，不稳定测量误差为0.4 %RH，响应时间低于1 s。这说明了将黑磷烯填充微结构光纤后，不仅解决了传统光纤湿度传感器和黑磷烯的稳定性问题，而且拓展了黑磷烯的应用领域。本项目在光纤湿度传感研究方面有着重要的科学意义，而且可实现高灵敏度、快速、准确的湿度检测，具有重要的实用价值。