PDMS封装的液滴型光纤平面应变传感器北大核心CSCD

提出了一种聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)封装的液滴型光纤平面应变传感器,用于监控薄片型工件的形变情况。该传感器由一段标准单模光纤(single mode fiber,SMF)弯曲形成的回音壁组成,其形状类似液滴,并被封装在由PDMS制作的方形模具中。实验通过监测传感器输出光谱波长的变化情况来获取待测工件所受的外界应变的大小及方向。实验结果表明:当传感器受到沿液滴型结构短轴方向的应变时,输出光谱蓝移,应变灵敏度为-0.108 nm/με;当传感器受到沿液滴型结构长轴方向的应变时,输出光谱红移,应变灵敏度为0.084 nm/με;实验还研究了受力方向与短轴成45°夹角时的情况,为应变的方向判断提供了参考;该传感器对温度的响应灵敏度为-1.557 nm/℃。所提出的光纤平面应变传感器,不仅可以检测应变的大小,而且可以通过应变灵敏度来识别应变的方向,达到平面应变测量的目的,在诸如镀膜、弯曲等领域具有很好的应用前景。     

用于液滴分析的光电液滴传感器的设计研究

介绍一种用于液体特性研究的光电液滴传感器(PLDS),其原理是基于插入液滴内部的光纤,及由滴头和环形极板构成的电容传感器。传感器中集成了二极管及部分处理电路,并对滴头及相关零件作了特殊的机械结构设计,从而能够有效地解决光信号强度损失严重、输出信号易受干扰、光纤位置不稳定、气泡影响液滴形状和滴头部件难以清洗等问题。同时,传感器中通过两路输入光纤引入了不同波长的光信号,通过可拆卸的环形极板便于进行CCD图像液滴分析。     

基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究

基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪(MI)原理,结合光纤传感器的特性,设计和实现了一种单模光纤(SMF)偏芯干涉仪结构光纤折射率传感器,并针对蔗糖溶液进行了折射率的测量。实验结果表明:这种传感器的传感范围在1.33～1.39时,特征波长与外界折射率有单调的递减变化关系,蔗糖折射率每变化0.01时,特征波长平均变化约为0.12nm。这种传感器结构简单,灵敏度较高,能够实现液体折射率与浓度变化的在线检测。     

基于红外光强的数字微流控系统定位

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统是一种能够实现多个独立的微液滴控制的新兴技术。该技术具有芯片结构简单、控制方法易于实现、样品消耗小和无流体运动死区等优点。为了满足DMF系统液滴精准驱动与控制的迫切需求,提出了一种基于红外光强的DMF系统定位方法,该方法可以在驱动控制液滴的同时,实现无输入参数的液滴精准定位。进一步基于该定位方法,实现了DMF系统的反馈控制。最终实现了一套具备液滴驱动、定位和反馈功能的DMF控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高DMF系统应用的成功率和可靠性。在同样的芯片参数结构下,成功率提高了约38%。同时设计的控制系统可以为其他研究基于EWOD的DMF系统的研究团队提供一个可靠的自动化实验平台。     

基于局域表面等离子共振光纤传感器的心肌肌钙蛋白I的检测

提出一种应用于心肌肌钙蛋白I(cTn I)检测的 局域表面等离子共振(LSPR)光纤传感器。将标准光纤局部腐蚀 掉包层,在其表面形成纳米银膜,用葡萄球菌A蛋白(SPA)作为纳米银膜与cTn I单克隆抗体 的连接介体,实现鼠 抗人cTn I单克隆抗体对光纤传感器的修饰,放入不同浓度的cTn I溶液中,通过测量传感器 光谱曲线的消 光峰位移获得溶液中的cTn I浓度。实验结果表明,溶液中cTn I浓度在20~120 ng/mL范围内,光谱曲线 的消光峰位移的对数与cTn I质量浓度的对数成线性关系,线性相关系数为0.996。利用夹心法,传感器检 测限可达10ng/mL,有较强的抗杂蛋白干扰能力。基于LSPR的光纤 传感器件结构简单、性能稳定、成本低且测量灵敏度高,可应用于cTn I检测。     

光纤－电容液滴分析技术用于水的盐度检测

基于光纤－电容液滴分析方法的原理,分析了光 纤信号与水中盐度的关系,研究了盐 度检测的可行性。利用菲涅耳公式推导了光纤信号与水中折射率的关系式,并由水中的盐度 与折射率的关系及对应的数据表,计算了盐度变化引起的光纤信号的变化情况。搭建了实验 装置,对20种不同盐度的溶液进行了实验,得到了20种溶液的光纤液滴指纹图及基于体积的 液滴指纹图。分析结果表明,随着水中盐度的增加,光纤信号值不断增大。利用4滴完整液 滴的光纤信号平均值分别建立了线性和二次多项式的盐度检测模型,通过比较两种模型的误 差,得出线性模型检测误差较小、效果较好,最大检测误差为0.37％ 。     

基于空心光纤多模干涉的折射率传感器研究

基于空心光纤(HF)多模干涉原理提出一种新颖光纤折射率传感器,实现了对环境溶液折射率的测量。这种光纤折射率传感器不仅制作简单、成本低廉,而且为波长编码、抗干扰性好。实验表明,这种光纤折射率传感器其有效传感范围为1.333～1.450,并且当溶液折射率小于1.40时,特征波长与折射率近似呈线性关系,灵敏度为88.07 nm。针对相同折射率不同溶质的溶液,传感器出射光谱能量差异表明,该结构的光纤传感器在物质检测方面有着潜在的应用。     

基于声表面波油包水微液滴分裂研究

提出了声表面波(SAW)实现油包水微液滴的分裂方法,并在128°YX-LiNbO3基片上研制了分裂油包水微液滴的微器件。在压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器,其激发的SAW部分作用于油包水微液滴,瞬间降低电信号幅度,油相内水微液滴在惯性力作用下发生分裂,油相微液滴由于较大的表面张力发生形变而不分裂。以石蜡油包裹蓝色水相微液滴为研究对象,进行了油包水微液滴分裂实验和理论分析,结果表明,当电信号从功率为12.3dBm瞬间关断时,可实现油相内水微液滴分裂。     

基于长周期光纤光栅和蝶形锥的光纤横向压力传感器

提出一种基于长周期光纤光栅(LPG)和蝶形锥(BTT)的光纤横向压力传感器。传感器是由LPG 和一 段单模光纤(SMF)熔接而成,其特点是在熔接处会形成一个BTT。实验中,横向压力作 用在LPG上, 干涉谱共振波长强度随横向压力的变化而变化。当横向压力从0.000 增加到1.225N/mm时,传感器的灵敏度 达到－10.476dB/(N/mm),是目前类似传感器灵敏度的2倍左右。本 文传感器具有灵敏度高、成本低和结构简单的优点,具有广阔的应用前景。     

基于太赫兹布拉格光纤的表面生物传感器

空心布拉格光纤在传感领域应用极为广泛。本文提出了一种基于带有缺陷层的太赫 兹(terahertz,THz)空心布拉格光纤的表面生物传感器,并对该传感器在太赫兹频段的细菌种类检测性能进行 分析。在太赫兹布拉格光纤中,高折射率光敏树脂层和低折射率空气层以纤芯为中心周期性 排列,在纤芯内壁沉积分析物引入缺陷模式。本文对提出的传感器性能进行了数值研究。仿 真结果表明,该传感器有很高的纤芯功率比,限制损耗在0.3 THz和0.45 TH z频 段有损耗峰,能得到可识别的特征频率,此特征频率用于细菌种类检测。当频率大于0.7 TH z时,该传感器可实现厚度无关的表面生物传感。本文所提出的基于太赫兹空心布拉格光纤 的 表面生物传感器可用于检测细菌种类,在微生物检测方面有很大的应用潜力。     

基于塑料光纤传感的溶解氧浓度检测的实验研究

利用荧光猝灭原理,以塑料光纤为传感和传光元件,采用邻啡咯啉钌作为荧光标记物,应用检测荧光指示剂荧光寿命的方法进行溶解氧(DO)浓度的测定,荧光指示剂的荧光寿命利用相移法进行测量。实验制作了U形、双锥形和螺旋形3种不同形状的传感头,实验发现,与U形、双锥形传感头相比,螺旋形传感头具有更高的灵敏度;实验测试了荧光标记物浓度对系统灵敏度的影响,结果发现,浓度过高或过低都会降低系统的灵敏度,因此,要提高DO传感器灵敏度需要选择合适浓度的荧光标记物。     

基于荧光猝灭原理的光纤溶解O_2传感特性研究

采用荧光猝灭法检测溶解O2浓度。以邻菲咯啉钌作为荧光指示剂,用溶胶-凝胶法制备含有荧光指示剂的敏感材料,采用塑料光纤作为传感和传光元件,传感头做成U型以提高灵敏度,采用相移法实现对荧光寿命的测定。通过实验得出,溶解O2浓度在10mg/L以下时,荧光指示剂的荧光寿命与溶解O2浓度呈线性关系,实验测得该传感器的检测下限是0.36mg/L,系统的灵敏度为0.02mg/L。     

基于腔衰荡光谱技术的三参量同时测量光纤微腔传感器

提出并实现了一种基于腔衰荡光谱(CRDS)技术的三参量同时测量的光纤微腔传感器。利用高频CO2激光脉冲技术在1 060nm单模光纤(SMF)上直接刻蚀光学微腔,并将其作为传感单元接入到光纤环谐振腔中,通过测量脉冲激光衰荡时间实现了对温度、折射率和应变3个不同参数的同时传感测量。整个传感器系统采用光时分复用(OTDM)技术,3个带有光纤微腔传感单元的光纤衰荡腔并联连接,共用一个光源和探测器,在3路光纤环中引入不同的相位调制项,使其输出的衰荡信号在时域上有效的分开,从而达到三参量传感的目的。传感器结构合理,可操作性强,后期数据处理工作简单易行,实验结果重复性良好。在此基础之上,可以将此传感器结构推广到四参量,甚至更多参量的传感器系统中。     

光纤传感器在海洋科学领域的应用与研究进展

详细论述了光纤传感器在海洋科学领域,包括海洋的温度、压力、盐度、pH值、溶解氧浓度和浮游植物的叶绿素a的浓度等方面的应用与研究进展,对传统测量方法和光纤传感技术测量方法进行了比较。可以预见,光纤传感器对保护和监测海洋环境、开发海洋资源以及发展海洋养殖业具有重要的现实意义。     

All-inkjet-printed dissolved oxygen sensors on flexible plastic substrates

Inkjet printing is a promising alternative manufacturing method to conventional standard microfabrication techniques for the development of flexible and low-cost devices. Although the use of inkjet printing for the deposition of selected materials for the development of sensor devices has been reported many times in literature, it is still a challenge and a potential route towards commercialization to completely manufacture sensor devices with inkjet technology. In this work is demonstrated the fabrication of a functional low-cost dissolved oxygen (DO) amperometric sensor with feature sizes in the micrometer range using inkjet printing. All the required technological steps for the fabrication of a complete electrochemical three electrodes system are discussed in detail. The working and counter electrodes have been printed using a gold nanoparticle ink, whereas a silver nanoparticle ink was used to print a pseudo-reference electrode. Both inks are commercially available and can be sintered at low temperatures, starting already at 120 °C, which allows the use of plastic substrates. In addition, a printable SU8 ink formulation cured by UV is applied as passivation layer in the sensor device. Finally, as the performance of analytical methods strongly depends on the working electrode material, is demonstrated the electrochemical feasibility of this printed DO sensor, which shows a linear response in the range between 0 and 8 mg L⁻¹ of DO, and affords a detection limit of 0.11 mg L⁻¹, and a sensitivity of 0.03 μA L mg⁻¹. The use of flexible plastic substrates and biocompatible inks, and the rapid prototyping and low-cost of the fabricated sensors, makes that the proposed manufacturing approach opens new opportunities in the field of biological and medical sensor applications.     

LoRa-Based WSNs Construction and Low-Power Data Collection Strategy for Wetland Environmental Monitoring

The wetland that known as "the kidney of the earth" is an ecological system with many resources. Monitoring of wetland environment includes the monitoring of water quality, air and soil. The parameters of temperature, pH value, turbidity, dissolved oxygen (DO), water level, conductivity of water, illuminance, PM2.5, harmful gas, and soil moisture is particularly important for the survival of animals in wetland. Real-time monitoring wetland environment is conducive to understanding the causes and trends of environmental change in the whole region, so as to make environmental change emergency strategies timely. The author introduces a real-time monitoring system based on Multi-sensor Combination Module (MSCM) and LoRa. This system has two types of MSCM, one is for water and the other is for air. The MSCM for water consists of six sensors, such as water temperature sensor, pH sensor, turbidity sensor, dissolved oxygen sensor, conductivity sensor, and water level sensor, and stm32 core processor, which has the advantages of low power consumption and high speed. The data collection node uploads the collected data to the base station through a LoRa module with low power consumption, high speed and wide coverage. The base station and the collection node are connected in a star. The LoRaWan protocol is used to realize the communication between acquisition nodes and sink. In the case of code rate is 4/5, bandwidth is 500 kHz and spreading factor is 12, the effective throughput of the system can reach 1172 bps. At the same time, a data fusion algorithm based on fuzzy decision is designed for data processing on the acquisition nodes to reduce the amount of uploaded data, reduce power consumption and improve network throughput. Experiments show that the system has strong stability, flexible networking, low power consumption, long communication distance, and is suitable for wetland environmental monitoring.

     

光纤光栅传感器阵列化与温度补偿研究

利用啁啾光纤Bragg光栅（FBG）反射和长周期FBG边沿滤波，提出并实现了一种综合的FBG传感快速解调方案。封装1对FBG进行应变差动传感、同时消除温度影响，不增加波长资源占用并使应变灵敏度得到有效提高，温度影响在很大范围内几乎为0。在全光纤化解调温度补偿型传感的基础上，研究了两路时分复用的设计方法，给出了时分链路间延迟光纤与光脉冲和解调端时分选通门的关系，实验结果与理论分析吻合。     

基于EPON的分布式光纤光栅传感网络研究

提出了一种基于以太无源光网络(EPON)的光纤布拉格光栅(FBG)传感网络多传感通道切换控制方案。控制传感通道切换的多个光开关分别与EPON系统中的多个光网络单元(ONU)相连,利用各ONU间严格的时间同步特性在各ONU控制下实施对多个光开关的同步切换控制,实现各FBG传感通道与传感解调模块间的有序连通。实验结果表明,此方案的稳定性较好,并且具有较灵活的扩展特性。     

A 2-D systems approach to river pollution modelling

The paper presents some applications of 2-D systems theory to the problem of modeling the river pollution processes and the associated selfpurification phenomena. The dynamical evolution of the biological oxygen demand (BOD) and the dissolved oxygen (DO) in a one-dimensional river model is discussed under various physical assumptions.     

基于LEACH路由协议的混合光无线传感网络研究

分析了基于低功耗自适应分簇(LEACH)路由协议的无线传感网络(WSN)在不同拓扑形状下的生命周期,并改进了长方形拓扑形状的路由协议。进而针对WSN在某些场合能量有限、易受干扰和安全性差等缺点,在长方形区域中引入分布式光纤传感结构。将传感光纤铺设在环境复杂和外界电磁波干扰大的监测区域,从而提高整个传感网络的生命周期和可靠性。理论分析和仿真结果表明,改进的拓扑和协议在提高可靠性的同时,有效地延长了光WSN的生存时间,性能优于传统LEACH协议。