【摘 要】
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湿度测量在农业、医疗卫生、生物工程、化学工程、环境监测、食品药品加工、文物保护及森林防火等领域具有重要的地位。传统的电类湿度传感器灵敏度高并具有广泛的应用市场,但其响应速度较慢、无法在极端环境下测量。光纤湿度传感器抗电磁干扰、响应速度快、体积小、质量轻、耐腐蚀,具有重要的研究意义和应用前景。模间干涉型光纤干涉仪与传统光纤干涉仪相比,不仅降低了系统的复杂程度,而且提高了系统的稳定性,在湿度传感领域中
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（61805197）； 西安石油大学研究生创新基金项目（YCS19112034）；
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湿度测量在农业、医疗卫生、生物工程、化学工程、环境监测、食品药品加工、文物保护及森林防火等领域具有重要的地位。传统的电类湿度传感器灵敏度高并具有广泛的应用市场,但其响应速度较慢、无法在极端环境下测量。光纤湿度传感器抗电磁干扰、响应速度快、体积小、质量轻、耐腐蚀,具有重要的研究意义和应用前景。模间干涉型光纤干涉仪与传统光纤干涉仪相比,不仅降低了系统的复杂程度,而且提高了系统的稳定性,在湿度传感领域中具有较高的研究价值。本论文设计并制作了四种用于湿度传感测量的模间干涉型光纤干涉仪,实验研究了干涉仪对湿度、温度的响应特性。论文的主要研究内容如下:（一）设计并制作了一种基于大错位量熔接的模间干涉型光纤迈克尔逊湿度干涉仪,并对其湿度响应特性进行了实验研究。实验结果表明在35%RH-95%RH的湿度范围内,错位量为25μm的干涉仪的湿度灵敏度为-0.058 d B/%RH,线性拟合度为0.993。错位量为50μm的干涉仪的湿度灵敏度为-0.093 d B/%RH,线性拟合度为0.991。在20℃-180℃的温度范围内,错位量为25μm的干涉仪的温度灵敏度为0.014 nm/℃,线性拟合度为0.991,温度变化引起的湿度测量误差为0.03%RH/℃,错位量为50μm的干涉仪的温度灵敏度为0.009 nm/℃,线性拟合度为0.996,温度变化引起的湿度测量误差为0.01%RH/℃,该干涉仪具有制作简单、成本低、温湿度同时测量等优点。（二）利用光纤熔融拉锥技术制作了一种基于单模-细锥-光子晶体光纤结构的模间干涉型光纤迈克尔逊干涉仪。实验结果表明在30%RH-90%RH的湿度范围内,干涉仪的湿度灵敏度为-0.166 d B/%RH,线性拟合度为0.991。温度响应实验中,在20-100℃的温度变化范围内引起的湿度测量误差为0.09%RH/℃;稳定性实验中,干涉仪的标准测量误差为0.25%RH。呼吸实验测试中,干涉仪的湿度响应时间和恢复时间分别为400、200 ms。该干涉仪灵敏度高、线性度好、响应速度快,可实现温度不敏感的环境湿度测量。（三）提出并制作了一种基于光子晶体光纤的模间干涉型光纤迈克尔逊干涉仪。实验结果表明在30%RH-90%RH的湿度范围内,干涉仪的湿度灵敏度为-0.095 d B/%RH,线性拟合度为0.998;在20-100℃的温度范围内,干涉仪的温度灵敏度为0.008 nm/℃,线性拟合度为0.997,温度引起的湿度测量误差为0.01%RH/℃。稳定性实验结果表明干涉仪的湿度测量标准误差为0.25%RH,呼吸实验测得干涉仪的响应时间为190 ms。该干涉仪具备较高的湿度灵敏度、良好的稳定性和快速响应特性,可以实现温度不敏感的湿度测量。（四）提出了一种基于黑磷烯涂覆的模间干涉型光纤马赫-曾德尔干涉仪,干涉仪由一段细芯光纤夹在两根单模光纤中间构成,其中光纤熔接点处为光纤锥。实验结果表明:在未涂湿敏材料时,当环境湿度从40%RH升至60%RH时,干涉仪的湿度灵敏度为0.018 nm/%RH。当湿度从60%RH升至70%RH时,干涉仪的湿度灵敏度为0.003 nm/%RH。在涂覆了黑磷烯-聚乙烯醇湿敏材料后,干涉仪对环境湿度的响应灵敏度有了明显提高:在40%RH-60%RH的湿度变化范围内,干涉仪灵敏度为0.269 nm/%RH,线性拟合度为0.992。在60%RH-70%RH的湿度变化范围内,干涉仪灵敏度为0.173 nm/%RH,线性拟合度为0.994。稳定性实验中湿度测量标准误差为0.36%RH。温度传感实验表明干涉仪的干涉光谱强度与波长随温度的变化均不明显,可以实现温度不敏感的湿度测量。
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