基于长周期光纤光栅和BP神经网络的高灵敏度甲烷体积分数传感器研究

作     者：杜超 张斌 赵爽 王秋雨 张丽 崔丽琴 邓霄 Du Chao;Zhang Bin;Zhao Shuang;Wang Qiuyu;Zhang Li;Cui Liqin;Deng Xiao

作者机构：太原理工大学物理与光电工程学院山西太原030024 空装驻太原地区军事代表室山西太原030006 

出 版 物：《激光与光电子学进展》 (Laser & Optoelectronics Progress)

年 卷 期：2023年第60卷第7期

页      面：121-127页

核心收录：

学科分类：0808[工学-电气工程] 070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(62203320,52009088,51809190) 中国博士后科学基金面上项目(2019M661063) 山西省科技厅面上青年基金项目(201901D211073) 山西省社会发展重点研发计划(201903D321001) 山西省高等学校科技创新项目(2019L0198) 

主　　题：光纤光学 甲烷体积分数 长周期光纤光栅 色散转折点 模式转换 反向传播神经网络 

摘      要：结合笼形分子(Cryptophane-E)对甲烷气体的选择性吸收特性,提出了一种基于双层薄膜的高灵敏度长周期光纤光栅(LPFG)甲烷体积分数传感器。通过减小包层直径使低阶包层模式LP_(06)工作在色散转折点(DTP)附近,并在光纤表面涂覆厚度经过优化的TiO_(2)薄膜,以确保包层模式LP_(06)在模式转换(MT)区内与纤芯模式LP01耦合,从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。由于甲烷气体分子会改变最外层Cryptophane-E薄膜的材料折射率,进而改变包层模式的有效折射率,因此通过监测共振波长的移动即可实现对甲烷气体体积分数的测量。在DTP和MT效应的共同作用下,当甲烷气体体积分数从0%变化到3.5%时,所提的LPFG传感器平均灵敏度高达249.6 nm/%。此外,针对本传感器在不同甲烷体积分数下的非线性响应特征,设计了反向传播(BP)神经网络信号解调算法。研究结果表明:在甲烷气体体积分数变化范围内,其最大预测误差为0.008%,该传感器良好的性能使其在煤矿安全监测等领域具有潜在的应用价值。