研究目的
研究不同无机物(活性炭和氯化锂)对聚酰亚胺基光纤布拉格光栅湿度传感器性能的影响,旨在提高其灵敏度、稳定性和响应时间。
研究成果
实验结果表明,在聚酰亚胺涂层中添加活性炭(AC)或氯化锂(LiCl)能提升光纤光栅(FBG)传感器的湿度灵敏度:活性炭带来更好的稳定性,而氯化锂虽增强灵敏度但会降低重复性。复合LPC结构(掺杂氯化锂的聚酰亚胺外覆活性炭)实现了最高3.9倍的灵敏度提升,同时保持良好稳定性和短响应时间。该传感器对相对湿度和温度呈现线性响应,适用于高精度湿度测量。未来工作可聚焦于优化无机物含量及探索其他材料以实现进一步改进。
研究不足
主要限制在于THTC形成稳定相对湿度环境所需的时间,这可能导致测试延迟。为测量响应时间,采用饱和盐溶液来缓解该问题。其他潜在限制包括对温度变化的敏感性以及涂层工艺的复杂性,这些因素可能影响重现性。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用浸渍涂覆工艺在光纤布拉格光栅(FBG)上沉积有机-无机杂化涂层以制备湿度传感器。其原理是将聚酰亚胺(PI)与氯化锂(LiCl)、活性炭(AC)等无机物结合以提升传感器性能。理论模型包含FBG的布拉格波长偏移原理(论文公式1-3)。
2:样本选择与数据来源:
以裸FBG作为基础传感器。涂层采用含1%重量比LiCl和AC的聚酰胺酸(PAA)溶液制备。通过饱和盐溶液和温湿度测试箱(THTC)提供受控相对湿度环境进行测试。
3:实验设备与材料清单:
设备包括用于涂覆的步进电机、加热用烘箱、带光源和解调模块的光学性能监测仪(OPM)、环境控制用THTC及饱和盐溶液。材料包含FBG、过硫酸混合液(H2SO4和H2O2)、硅烷偶联剂(KH550)、聚酰胺酸、氯化锂、活性炭、去离子水及乙醇。
4:2)、硅烷偶联剂(KH550)、聚酰胺酸、氯化锂、活性炭、去离子水及乙醇。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:FBG经过去离子水混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合液混合极简版翻译(严格遵循原文结构,无冗余信息):
5:实验设计:
采用浸涂法在FBG沉积有机-无机杂化涂层制备湿度传感器,通过聚酰亚胺(PI)与LiCl/AC复合提升性能,理论依据为FBG布拉格波长偏移原理(论文公式1-3)。
6:样本:
裸FBG基传感器,涂层使用含1wt%LiCl和AC的PAA溶液,通过饱和盐溶液和温湿度箱(THTC)控制测试环境。
7:设备材料:
步进电机(涂覆)、烘箱(加热)、OPM???光源/解调)、THTC(环境控制)、饱和盐溶液;FBG、Piranha液(H2SO4/H2O2)、KH550硅烷偶联剂、PAA、LiCl、AC、去离子水、乙醇。
8:2)、KH550硅烷偶联剂、PAA、LiCl、AC、去离子水、乙醇。 流程:
4. 流程:Piranha液清洗FBG→硅烷处理→四次浸涂PAA基溶液(纯PAA/PAA+AC/LiCl-PAA/LiCl-PAA+AC)→加热亚胺化→在THTC和饱和盐溶液中测试RH/温度灵敏度、重复性等,计算机记录数据。
9:分析:
计算波长偏移、灵敏度(pm/%RH,pm/°C)、响应时间,通过最大偏差和标准差评估稳定性重复性。
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Fiber Bragg Grating
Used as the sensing element in humidity sensors, where coating-induced strain causes wavelength shifts.
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Optical Performance Monitor
OPM module
Includes a light source and demodulation unit for monitoring FBG wavelength shifts.
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Temperature & Humidity Test Chamber
THTC
Provides controlled RH and temperature environments for sensor testing.
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Stepping Motor
Used to pull FBGs out of coating solutions at a controlled speed during dip coating.
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Silane Coupling Agent
KH550
Applied to FBGs to improve adhesion of polymer coatings.
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