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基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器

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光学学报 2023年第20期43卷 224-232页

作者：万洪丹张帅陈彧芳张疏桐汪静丽施伟华南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院江苏南京210023

创新性地提出了一种基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器,实现了微压状态下微腔回音壁模式共振光场对流体的直接检测。首先,利用流体动力学和有限元算法理论分析了轴向渐变型空芯微腔的流速和光场特性。其次,通过熔融拉锥和... 详细信息

创新性地提出了一种基于高Q值轴向渐变型空芯微腔的高灵敏流速传感器,实现了微压状态下微腔回音壁模式共振光场对流体的直接检测。首先,利用流体动力学和有限元算法理论分析了轴向渐变型空芯微腔的流速和光场特性。其次,通过熔融拉锥和气压控制法制备了高Q值(Q>107)轴向渐变型空芯微腔,利用五维高精度位移平台实现微腔与微纳光纤的高精度、低损耗耦合。实验测试并研究了不同尺寸、不同耦合位置时微腔回音壁模式共振光谱的流速传感特性,获得的最大流速灵敏度达0.27 pm/(μL/min),流速分辨率为1.43μL/min。该传感器具有较高的重复性和实时性,在高灵敏度流体检测、水质检测等领域具有潜在应用价值。

关键词：轴向渐变型空芯微腔流速传感回音壁模式灵敏度分辨率

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基于闭环光纤微流操控的流速传感特性研究

基于闭环光纤微流操控的流速传感特性研究

作者：邱黎明电子科技大学

学位级别：硕士

微流芯片广泛应用于药物筛选、化学合成与分析以及生物细胞/大分子等领域的研究和应用中,因其具有高通量的检测能力而显示出了广泛的应用前景。其中,在这些微流芯片的应用中,对微流流速的控制起着至关重要的作用。当然,对于一些需要流... 详细信息

微流芯片广泛应用于药物筛选、化学合成与分析以及生物细胞/大分子等领域的研究和应用中,因其具有高通量的检测能力而显示出了广泛的应用前景。其中,在这些微流芯片的应用中,对微流流速的控制起着至关重要的作用。当然,对于一些需要流速控制的微流芯片应用,通过高精度注射泵的直接控制可以满足需求。然而,考虑到直接使用注射泵的时间延迟和流速偏差问题以及微流通道高度集成的特点,在其它需要更加精确且实时的流速控制应用场合中,一个具有高精度、实时以及便于集成的流速监测装置是急需的。为此,本课题使用了光纤微流操控技术,利用平端面单模光纤在微流环境中对聚苯乙烯微球进行操控,通过分别在开环操控模式下监测微球的操控距离以及闭环模式下监测激光器的输出功率来检测微流的流速。在开环操控模式下,激光器的输出功率不变,微球的操控距离随微流流速的变化而变化;而在闭环操控模式下,通过反馈控制稳定微球的操控距离,即激光器输出功率随微流流速的变化而变化。此外,为了实现满足开环和闭环操控模式的工作环境。在本课题中设计闭环光微流操控平台,其中包含软件和硬件的实现。硬件部分的实现主要是搭建满足闭环光纤微流操控的闭环回路。软件部分实现了闭环操控的整个控制流程,包括显微镜图像的获取,对图像进行处理并识别出微球的位置以及反馈控制、界面交互和信息显示等功能。为了理解光纤微流操控原理以及流速传感原理,本文对光力的作用机理以及在微流流速传感中的应用做了简要的理论分析,证明了基于闭环光纤微流操控的流速传感的可行性。在流速传感实验验证部分,分别在开环模式下和闭环模式下对该流速传感方案的测量动态范围、灵敏度、稳定性和测量的可重复性等特性参数进行了检测。在开环测量模式下,在操控距离为550um时获得了最低10nl/min的流速测量下限;闭环操控模式中,在使用最大输出功率为300 mW的980 nm泵浦激光器的条件下,闭环操控距离为15 um时获得了最高100000nl/min的流速测量上限。结合开环和闭环的操控模式,最终实现了近4个数量级的流速测量动态范围,即测量动态范围为10 nl/min到100000 nl/min。最后,通过对几种基于不同流速传感原理的流速传感器进行比较,证明了本文中提出的流速传感器可以在实现大测量动态范围的同时兼顾测量灵敏度的需要。

关键词：单模光纤光操控光微流闭环控制流速传感

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基于微纳光纤的柔性流速传感研究

基于微纳光纤的柔性流速传感研究

作者：许悦浙江大学

学位级别：硕士

随着化工、制药、能源等行业的发展,在某些特定环境中,传统的电学式和机械式流速传感器件渐渐不能满足工业生产的需求,特别是针对毫米级管道内的流速测量缺乏灵敏、可靠的测量方法。微纳光纤作为一种直径接近或小于导光波长的新型光波导... 详细信息

随着化工、制药、能源等行业的发展,在某些特定环境中,传统的电学式和机械式流速传感器件渐渐不能满足工业生产的需求,特别是针对毫米级管道内的流速测量缺乏灵敏、可靠的测量方法。微纳光纤作为一种直径接近或小于导光波长的新型光波导,不仅继承了标准光纤抗电磁干扰、耐腐蚀、复用能力强等优点,还具有强倏逝场、小体积、机械柔韧度好等特点,在研制灵敏度高、结构紧凑、响应速度快的新型传感器方面展示出突出优势。本文首先回顾了光纤流速传感器及微纳光纤传感器的发展概况,并介绍了微纳光纤的制备及光学特性。在此基础上本文设计了基于微纳光纤的柔性流速传感器。将微纳光纤包埋进聚二甲基硅氧烷（PDMS）实现用于毫米管道的流速传感器件,PDMS膜片在水流的冲击下产生偏转,从而导致嵌入其中的微纳光纤发生弯曲,引起与弯曲角度相关的传导模泄漏,输出光强与弯曲角度在一定范围（0.25-0.87 L/min）内线性变化。本论文从理论上验证了包埋U型微纳光纤的PDMS膜片用于管道内流速传感的可行性。首先通过理论模拟与实验观测,得到PDMS膜片弯曲角度与流速正相关的关系。接着通过光场模拟仿真,得到微纳光纤输出光强随弯曲角度增大而减小的关系。然后本文通过实验成功制备了针对毫米级管道的微纳光纤流速传感器,实现低检测限（＜0.05 L/min）、高分辨率（0.005 L/min）和快速响应（12 ms）的流速传感。同时,我们还研究了 PDMS膜厚、微纳光纤直径和工作波长对传感器性能的影响。本论文的研究为实现毫米级管道内流速的准确测量提供了一种结构紧凑的高灵敏检测方法,同时也是微纳光纤传感器封装与应用的有益探索。

关键词：微纳光纤流速传感弯曲损耗光纤传感器

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光纤光栅流速传感器

光纤光栅流速传感器

作者：李康宁长春理工大学

学位级别：硕士

在日常生活和工业生产中,都大量需要对流体的流速或流量进行测量。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点,可用于实现在流速传感器中。本文分析了不同类型的光纤光栅流速传感系统的优缺点,根据光纤光栅传感器的结构特点... 详细信息

在日常生活和工业生产中,都大量需要对流体的流速或流量进行测量。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点,可用于实现在流速传感器中。本文分析了不同类型的光纤光栅流速传感系统的优缺点,根据光纤光栅传感器的结构特点,设计并完成了靶式光纤光栅流速传感系统。本论文设计的光纤光栅流速传感器具有结构简单、成本低、精度较高等优点。实验可以实现的测量范围为0-120cm/s,在最佳精度范围内,实验精度可以达到5cm/s。为克服布拉格光纤光栅对温度的敏感,设计了一种采用两个具有不同布拉格波长的双光栅温度补偿方案。通过实验验证,这种方法起到了很好的温度补偿作用,使这种流速传感系统能够应用到温度发生变化的流体流速测量中。在传感信号的解调方面,采用了以长周期光纤光栅为解调元件的解调系统,并通过实验证明了其可行性。

关键词：光纤光栅流速传感温度补偿波长解调

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一种测量温度和流速的光纤光栅传感器

应用光学 2006年第3期27卷 228-231页

作者：禹大宽乔学光贾振安王敏西安石油大学光纤传感实验室西安710065

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅（FBG）传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为... 详细信息

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅（FBG）传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为0．0392nm／℃，是封装前的3．5倍，且传感器温度响应保持了很好的线性和重复性。从水温14．5℃时的流速实验中得到水流速在0～20m／s范围变化时，FBG峰值波长漂移了0．13nm，验证了此光纤光栅传感器测量流速的可行性。试验结果表明，该传感器既可以作为温度传感器，又可以作为流量传感器，并且制作简单，成本较低。

关键词：光纤布喇格光栅传感器铝封装温度传感流速传感

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基于石墨烯反射耦合结构的高性能传感器研究

基于石墨烯反射耦合结构的高性能传感器研究

作者：吴田鸽山东理工大学

学位级别：硕士

石墨烯是一种原子呈正六边形排列的二维碳材料,单层石墨烯的厚度为0.334 nm,对光的透过率达到97.7%。垂直照射的情况下石墨烯与光的相互作用较弱,难以达到应用器件的要求。研究表明,全内反射下石墨烯存在对光吸收的偏振依赖特性,通过调... 详细信息

石墨烯是一种原子呈正六边形排列的二维碳材料,单层石墨烯的厚度为0.334 nm,对光的透过率达到97.7%。垂直照射的情况下石墨烯与光的相互作用较弱,难以达到应用器件的要求。研究表明,全内反射下石墨烯存在对光吸收的偏振依赖特性,通过调整石墨烯的层数(厚度)、光的入射角度以及偏振态等参数,实现石墨烯对光从0～100%的吸收不再遥不可及。在本论文中,我们通过全内反射结构增强光与石墨烯的相互作用,进行基于石墨烯反射耦合结构(光密介质与光疏介质中间夹层石墨烯)的高性能传感器研究。通过调控介质折射率,我们发现偏振吸收增强对介质折射率异常灵敏,结合“芯片实验室”技术,对传感器的多样性发展提供了新的研究思路和途径。折射率传感可以应用至生物医学以及分析化学方面。在本论文中,我们将基于石墨烯折射率的传感应用在以下方面的研究:1.石墨烯基超灵敏压力传感-静态检测。采用氧化还原方法制备还原氧化石墨烯(rGO),结合反射耦合结构,基于高性能rGO玻璃和智能光学传感系统,开发了一种超灵敏的微流体压力检测方法。该微流体传感器的检测极限和灵敏度分别为1.4×10和3.5×10 mV/RIU,可以检测到由高频超声波引起的超小水压值,约为283 Pa。2.石墨烯基超灵敏流速探测-动态监测。通过改进的低压化学气相沉积方法制备高质量的石墨烯,设计了一种微流体集成的石墨烯光学传感器,用于监测向注射器施加轻微压力而产生瞬时和微弱的流速信号。其灵敏度和检出限分别为4.65×10mV·s·m和4.9×10 m·s,从而实现超低流速的精确测量。3.石墨烯基机械波探测-蠕动泵模拟心脏泵血。采用蠕动泵系统地模拟了心脏泵血过程,分析了单脉冲流速信号,并建立流速与压力之间的关系。在实验中,使用蠕动泵和微流体集成的石墨烯流速传感器模拟心脏蠕动和监测血液流速。蠕动泵的频率范围为0.04-2.5 Hz,系统的流速测量范围为0.7-15 mm/s,压力测量范围为0.6-14 kPa。这为医学治疗特殊患者进行体外血液循环的监测提供了新的思路。

关键词：石墨烯反射耦合结构芯片实验室折射率传感压力传感流速传感