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含氟聚酰亚胺涂覆的光纤光栅湿度传感器开发及性能研究

作　者: 谷守杰
导　师: 李家和
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 光纤光栅含氟聚酰亚胺湿度传感器建筑墙体保温性能监测系统
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

目前，建筑节能受到了全社会的高度重视，而建筑物围护结构发生的热传递是建筑物的耗能的主要来源。温、湿度及墙体材料与保温材料的相对滑移影响了墙体的保温性能，但现有的湿度传感器难以胜任监测墙体湿度场的任务，因此开发适用于建筑墙体的湿度传感器，研发合理的墙体保温性能监测系统是很有必要的。本文首先论述了光纤光栅的传感原理、含氟聚酰亚胺的感湿原理及含氟聚酰亚胺涂覆的光纤光栅湿度测量理论，之后研究了含氟聚酰亚胺涂覆的光纤光栅的制作工艺，之后研究了光纤光栅式湿度传感器的封装方法，然后研究了含氟聚酰亚胺固化工艺对温、湿度分别与传感器的湿度及温度灵敏度系数的相互关系的影响，之后确定了传感器的温、湿度灵敏度系数及特定温、湿度下传感器的中心波长，之后研究了光纤光栅式湿度传感器的湿敏特性——传感器的量程、读数精度、误差分析、响应时间、湿滞性、耐水性及长期稳定性以及含氟聚酰亚胺固化工艺对传感器湿敏特性的影响，然后研究建筑外墙保温性能监测系统应具有的组成部分，之后研究传感器在墙体中的布设方法，最后给出了墙体保温性能的评价方法。本文最终成果为：研发出了适用于建筑墙体的光纤光栅式湿度传感器，并以此为基础，构建了建筑墙体保温性能监测系统。开发的湿度传感器的感湿元件为含氟聚酰亚胺涂覆的光纤光栅，传感器的传感线性度很好，测湿量程大于5.7%RH-97.3%RH，读数精度为0.1%RH，测量误差在4.5%RH左右，响应时间为45min，最大湿滞为1.8%RH，耐水性及长期稳定性良好。所构建的监测系统考虑了温、湿度及墙体材料与保温材料的相对滑移对墙体保温性能的影响，其能够时时监测建筑墙体关键部位的温、湿度场及应变场，并能利用采集的数据模拟出建筑墙体的温湿度场及应变场，而且能够对墙体的保温性能做出评价。所开发的光纤光栅式湿度传感器能够在墙体砌筑过程中直接埋入，并长期监测墙体内部湿度。建筑墙体保温性能监测系统能够对墙体的保温性能做出较为合理的评价，这为建筑节能设计、外墙施工质量控制及外墙维护方法提供理论依据与技术支撑。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 外墙保温性能评价方法及湿度传感器的研究现状  12-17
    1.2.1 建筑外墙保温节能性能的评价方法  12-13
    1.2.2 湿度传感器的研究进展  13-17
  1.3 本文的选题及主要研究内容  17-19
第2章光纤光栅式湿度传感器机理研究  19-31
  2.1 光纤光栅  19-25
    2.1.1 光纤光栅概述  19-20
    2.1.2 光纤光栅传感原理  20-21
    2.1.3 均匀轴向应变对光纤光栅的影响  21-22
    2.1.4 均匀径向应变对光纤光栅的影响  22
    2.1.5 温度对光纤光栅的影响  22-23
    2.1.6 灵敏度系数的误差分析  23-24
    2.1.7 应变与温度的耦合作用对光纤光栅的影响  24-25
  2.2 聚酰亚胺  25-29
    2.2.1 聚酰亚胺概述  25
    2.2.2 湿度传感器特性要求  25-26
    2.2.3 高分子材料吸附理论  26-27
    2.2.4 高分子与水蒸气的相互作用  27-28
    2.2.5 含氟聚酰亚胺的特征  28-29
  2.3 聚酰亚胺涂覆的光纤光栅湿度传感器  29-30
    2.3.1 传感器概述  29
    2.3.2 传感器湿度测量机理  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章光纤光栅式湿度传感器的制作工艺  31-45
  3.1 实验所用材料及仪器  31-33
    3.1.1 光纤光栅  31
    3.1.2 含氟聚酰胺酸  31-32
    3.1.3 高温干燥箱  32
    3.1.4 DSC 测试仪  32
    3.1.5 光纤熔接机  32
    3.1.6 千分尺  32-33
    3.1.7 光纤光栅解调仪  33
  3.2 光纤光栅湿度传感器的制作工艺  33-40
    3.2.1 含氟聚酰亚胺的合成  34-35
    3.2.2 光纤光栅感湿元件制作流程  35-40
  3.3 光纤光栅湿度传感器封装工艺  40-44
    3.3.1 湿度传感器的封装  41-42
    3.3.2 温湿度传感器的封装  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章湿度传感器的标定及性能研究  45-75
  4.1 湿度传感器所需标定参数  45-46
  4.2 标准湿度的获得方法  46-48
    4.2.1 饱和盐溶液法基本原理  46
    4.2.2 饱和盐溶液的配制过程  46-48
  4.3 系数 M、N 的确定及温、湿度对 M、N 的影响  48-62
    4.3.1 系数 M 的确定以及相对湿度对 M 的影响  48-53
    4.3.2 温度对系数 M 的影响  53-57
    4.3.3 系数 N 的确定及温度对系数 N 的影响  57-59
    4.3.4 相对湿度对系数 N 的影响  59-62
  4.4 传感器初始值的选定  62-63
  4.5 光纤光栅湿度传感器湿敏特性研究  63-73
    4.5.1 量程  63
    4.5.2 读数精度  63-64
    4.5.3 误差分析  64-66
    4.5.4 响应时间  66-69
    4.5.5 湿滞性  69-71
    4.5.6 耐水性  71-72
    4.5.7 长期稳定性  72-73
  4.6 本章小结  73-75
第5章墙体保温性能监测系统  75-88
  5.1 墙体保温性能监测系统的构建  75-78
    5.1.1 光纤光栅传感器  75-77
    5.1.2 传输光缆、光开关及光纤光栅解调仪  77-78
    5.1.3 系统软件  78
  5.2 传感器布设  78-85
    5.2.1 墙体内温、湿度场的研究  78-83
    5.2.2 墙体内传感器的布设  83-85
  5.3 墙体保温性能的评价  85-87
    5.3.1 墙体分区  85
    5.3.2 分区墙体及总墙体的传热系数  85-87
  5.4 本章小结  87-88
结论  88-90
参考文献  90-93
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果  93-95
致谢  95

含氟聚酰亚胺涂覆的光纤光栅湿度传感器开发及性能研究

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