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渐逝场型光纤氢气传感器研究与实验

渐逝场型光纤氢气传感器研究与实验

作者：许琰玮电子科技大学

学位级别：硕士

渐逝场型光纤氢气传感器的研究是一个多学科高度交叉的研究领域。其中涉及了氢敏感膜的研究及其生长工艺、光在光波导的传输模式分析、光纤中渐逝场的能量分析、光学表面等离子共振技术、氢气传感器的检测技术等。渐逝场型光纤氢气传感... 详细信息

渐逝场型光纤氢气传感器的研究是一个多学科高度交叉的研究领域。其中涉及了氢敏感膜的研究及其生长工艺、光在光波导的传输模式分析、光纤中渐逝场的能量分析、光学表面等离子共振技术、氢气传感器的检测技术等。渐逝场型光纤氢气传感器是一款工艺要求非常高,灵敏度高,稳定性强,可以进行复用的新颖的光学氢气传感器。本论文主要围绕实现渐逝场型光纤氢气传感器,开展了以下一些相关的技术性研究:钯的氢敏感原理、表面等离子共振原理、稳定化光源的研究、拉锥型光纤和腐蚀型光纤的制作、薄膜的生长、传感头的封装和传感系统的实验及结果分析。研究并提出了一种基于渐逝场原理的光纤氢气传感器结构,数值计算表明当Pd膜的厚度在10nm～30nm的时候,渐逝场能量损耗为80%左右,传感器在氢气浓度在0～4%的范围内都具有比较高的灵敏度;提出了采用拉锥法和腐蚀法两种增大渐逝场的方式;研究了光在光纤中的传播特性,渐逝场的能量分布特性;分析了拉锥光纤的几何传输特性;分析了渐逝场特性与Pd膜光学常数之间的研究;设计了一种具有参考光比较的差分结果输出系统,确保了输出结果的稳定性和准确性;实验了通过熔融拉锥机得到拉锥型光纤的基本方法和参数;制定了单根光纤的腐蚀以及封装工艺;研究了磁控溅射镀膜的原理和工艺流程;在独立设计的氢气定标环境中对传感器的参数进行了研究和分析。本文还设计了一套光纤腐蚀用夹具、光纤封装加热夹具和一套光纤溅射镀膜实验夹具;设计并制作了一套具有防潮、抗震和抗腐蚀功效的光纤传感头封装装置;设计了一套由激光器、反应混合气室、光功率计、质子流量计和流量控制器等组成的氢气定标实验装置并对实验数据进行了分析与处理。

关键词：渐逝场表面等离子共振氢气传感器钯膜光纤镀膜

基于光纤渐逝场研究偶氮染料在固液界面的吸附及脱附动力学

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基于光纤渐逝场研究偶氮染料在固液界面的吸附及脱附动力学

作者：谭军西南石油大学

学位级别：硕士

随着人工合成有机染料的种类、数量以及应用范围的与日俱增,不可避免地造成大量有毒有害和难以降解的有机染料随生产和使用环节进入水体环境。作为重要的环境优先控制污染物之一,偶氮类有机染料不仅具有致癌、致畸、致突变“三致”作用... 详细信息

随着人工合成有机染料的种类、数量以及应用范围的与日俱增,不可避免地造成大量有毒有害和难以降解的有机染料随生产和使用环节进入水体环境。作为重要的环境优先控制污染物之一,偶氮类有机染料不仅具有致癌、致畸、致突变“三致”作用,而且能在自然环境中长期存在、积累和扩散,很难被生化降解,从而对人体健康和生态系统正常运转造成严重危害。在环境治理工程中,固-液吸附是最为常用的处理技术之一。因此,科学认识染料污染物在固-液界面的吸附机理及脱附行为,是探索高效治理染料废水途径的重要基础。本论文以光纤作为吸附介质和光导材料,以光纤界面呈指数衰减的渐逝场作为工作原理,建立了一种新型的固-液界面研究方法,用于实时、在线研究染料污染物在固-液界面的吸附机理及洗脱行为。论文以未作表面修饰和采用溶胶-凝胶法对表面进行不同烷基化基团修饰的光纤作为介质,选取亚甲基蓝和结晶紫两种典型的偶氮染料作为研究对象,通过渐逝场强度的变化,考察不同条件对其在固-液界面吸附和洗脱行为的影响,并对其热力学和动力学进行探讨,揭示染料在固-液界面的微观吸附机理和洗脱过程,为染料废水的高效处理提供理论指导。对于吸附过程,论文通过研究溶液pH值、离子强度、转速、浓度等条件对染料在固-液界面吸附的影响,以Langmuir吸附模型进行热力学结果拟合,获得了两种染料在光纤表面的吸附平衡常数（Kads）和吸附自由能（⊿G）;以pseudo-first-order模型对动力学结果进行拟合,获得了两种染料在光纤表面的pseudo-first-order反应平衡常数（k1）,并探讨了两种染料的在不同浓度阶段在光纤表面的作用力和吸附模型,揭示了吸附机理。对于洗脱过程,论文通过研究溶液pH值、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）表面活性剂浓度及离子强度等条件对染料在固-液界面洗脱的影响,获得了最佳的洗脱条件。第三章研究亚甲基蓝（MB）和结晶紫（CV）分子在未修饰光纤表面上的吸附,结果表明:吸附热力学结果,Kads（MB）=（3.30±0.500）×104M-1和Kads（cv）=（5.90±1.50）× 103 M-1;△G（MB）=-25.7±1.70 kJ/mol 和△G（CV）=-21.5±0.600 kJ/mol。MB 和CV在二氧化硅固-液界面的吸附均为自发过程。△G（MB）＜△G（CV）,说明MB分子比CV分子更易于吸附到二氧化硅界面上。pseudo-first-order模型动力学拟合结果,得到吸附速率常数ka和解吸速率常数kd:ka（MB）=0.850×104 M-1min-1,kd（MB）=0.260 min-1;ka（CV）=0.209×104 M-1min-1,kd（CV）=0.354 min-1。染料在界面脱附时,SDBS浓度越大,其对界面吸附着的染料分子洗脱效果越好。SDBS在达到一定浓度后,脱附效率不变。SDBS在酸性条件下对界面的染料分子脱附效果较好。随着NaCl的离子强度增加,1 mmol/L的SDBS对界面上MB分子的洗脱效果越来越好,而对界面上CV洗脱效果变化不大。第四章研究两种偶氮染料在甲基修饰光纤表面上的吸附,结果表明:Kads（MB）=（5.15±0.70）×103 M-1 和 Kads（CV）=（8.15+1.16）×103 M-1;△G（MB）=-21.1 ±0.300 kJ/mol 和△G（CV）=-22.3±0.350 kJ/mol。MB 和 CV 在甲基修饰二氧化硅固-液界面的吸附均为自发过程。△G（MB）△G（CV）,说明CV分子比MB分子更易于吸附到甲基修饰二氧化硅界面上。pseudo-first-order模型对动力学拟合结果,得到吸附速率常数ka和解吸速率常数kd;ka（MB）=0.110×104 M-1min-1,kd（MB）=0.214 min-1;ka（CV）=0.257×104M1min-1,kd（CV）=0.315 min-1。染料在界面脱附时,SDBS浓度越大,其对界面吸附着的染料分子洗脱效果越好。SDBS在达到一定浓度后,脱附效率不变。SDBS在酸性条件下对界面的染料分子脱附效果较好。NaCl的加入有利于SDBS洗脱界面上的染料分子。第五章研究两种偶氮染料在丙基/三氟丙基修饰光纤表面上的吸附,结果表明:Kads（MB）=（8.47±1.07）×104M-1和 Kads（CV）=（1.72±0.180）×104 M-1;△G（MB）=-27.8±0.320 kJ/mol 和△G（CV）=-24.1±0.260 kJ/mol。MB 和 CV 在丙基/三氟丙基修饰二氧化硅固-液界面的吸附均为自发过程。△G（MB）△G（CV）,说明MB分子比CV分子更易于吸附到丙基/三氟丙基修饰二氧化硅界面上。pseudo-first-order模型对动力学拟合结

关键词：渐逝场固-液界面吸附动力学结晶紫亚甲基蓝

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硅基光波导化学传感器研究

光学学报 2009年第7期29卷 1983-1986页

作者：吴远大安俊明李建光王玥尹小杰张家顺王红杰胡雄伟中国科学院半导体研究所光电研发中心北京100083

研究了基于硅基集成光波导的马赫-曾德干涉仪(MZI)型化学传感芯片的设计、制备及相关敏感特性的模拟和分析。传感芯片采用硅基二氧化硅光波导材料,利用与传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的工艺技术制作。通过波导的单模设计以及对... 详细信息

研究了基于硅基集成光波导的马赫-曾德干涉仪(MZI)型化学传感芯片的设计、制备及相关敏感特性的模拟和分析。传感芯片采用硅基二氧化硅光波导材料,利用与传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的工艺技术制作。通过波导的单模设计以及对MZI结构的优化,获得了有效折射率分辨率达到10-7量级的高灵敏度传感芯片。作为化学传感器,把MZI的其中一臂设计成传感臂,并进行适当的表面修饰,可制作出高灵敏度的干涉型光波导化学传感器。最后,对该传感器的折射率分辨率、敏感特性等进行了分析、模拟,同时,对面临的关键问题进行了分析和讨论。

关键词：光波导传感马赫-曾德干涉(MZI) 渐逝场折射率相位差

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基于耦合分光可见度的光纤温度传感器

光电子．激光 2005年第12期16卷 1413-1416页

作者：包华育王廷云上海大学上海市特种光纤重点实验室上海200072

基于光纤耦合原理,利用耦合分光可见度概念,提出了一种新型的光纤温度传感器.其传感元件是由2根常规通信单模光纤熔融拉锥而成的光纤耦合器,将传感探头置于温度场中,传感器周围温度变化改变包层材料折射率,从而引起渐逝场分布变化导致... 详细信息

基于光纤耦合原理,利用耦合分光可见度概念,提出了一种新型的光纤温度传感器.其传感元件是由2根常规通信单模光纤熔融拉锥而成的光纤耦合器,将传感探头置于温度场中,传感器周围温度变化改变包层材料折射率,从而引起渐逝场分布变化导致能量在耦合器两臂中的重新分配,使输出耦合分光比(CR)相应发生变化.为提高传感器的性能,采用所定义的耦合分光可见度Vis来取代耦合CR,对CR和Vis的特性进行了分析、比较,验证了利用Vis作为光纤传感器的输出具有更高的灵敏度及信噪比.对该温度传感器在20～45 ℃的温度进行了测试,实验结果与理论分析具有良好的一致性.

关键词：折射率渐逝场分光比(CR) 分光可见度

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光纤氢气传感器

光纤氢气传感器

作者：严启发电子科技大学

学位级别：硕士

渐逝场型氢敏传感技术是一个多学科高度交叉的领域,它涉及到氢敏感膜的研究、光学表面等离子共振技术、渐逝场传感技术及传输模式分析、氢敏感纯Pd膜或Pd99-Ag1合金薄膜的生长工艺、氢敏传感器的检测技术及数据分析与处理等,如何实现各... 详细信息

渐逝场型氢敏传感技术是一个多学科高度交叉的领域,它涉及到氢敏感膜的研究、光学表面等离子共振技术、渐逝场传感技术及传输模式分析、氢敏感纯Pd膜或Pd99-Ag1合金薄膜的生长工艺、氢敏传感器的检测技术及数据分析与处理等,如何实现各种相关技术的整体集成、降低渐逝场型光纤氢传感器的制造成本、提高氢敏传感器的可靠性、重复性和灵敏度等是目前渐逝场型光纤氢敏传感技术走向产业化所面临的主要问题。本论文主要涉及光学表面等离子共振氢传感技术的理论及渐逝场型光纤氢敏传感器的设计、制作和实验等工作;研究如何在腐蚀光纤上生长单一Pd膜或Pd99-Ag1合金薄膜及氢敏传感器的测试技术,开发出具有自主知识产权的渐逝场型光纤氢敏传感器。通过在腐蚀光纤上沉积氢敏感的单一Pd膜或者Pd99-Ag1合金薄膜,制作了用于实验的渐逝场型光纤氢气传感器。数值计算表明当Pd膜的厚度在10nm～30nm的时候,传感器在氢气浓度在0～4%的范围内都具有比较高的灵敏度。单一Pd膜以及合金薄膜是由磁控溅射镀膜机通过专门设计的光纤镀膜夹具生长而成的。所得到的氢敏传感器分辨率达0.5%(体积氢气浓度),响应时间为60s。本文设计了一套光纤腐蚀用夹具、光纤封装加热夹具和一套光纤溅射镀膜实验夹具;设计并制作了一套具有防潮、抗震和抗腐蚀功效的光纤传感头封装装置;设计了一套由激光器、反应混合气室、光功率计、质子流量计和流量控制器等组成的氢气定标实验装置并对实验数据进行了分析与处理。对于实验中出现的各种不同实验现象,本文建立与其对应的数学模型进行解释,从而为进一步工艺指明方向。

关键词：渐逝场表面等离子共振氢气传感器钯膜光纤镀膜

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基于磁耦合谐振的无线能量传输技术研究

基于磁耦合谐振的无线能量传输技术研究

作者：李莎河南师范大学

学位级别：硕士

作为众多中短距离电能特殊传输技术之一的能量无线传输，以其特有的安全、便捷等优点受到了广泛的关注。在三种依赖常规意义作为界限加以区分的功率无线传送技术中，基于磁耦合谐振原理的能量无线传输技术以比电磁感应传输方式传输距离... 详细信息

作为众多中短距离电能特殊传输技术之一的能量无线传输，以其特有的安全、便捷等优点受到了广泛的关注。在三种依赖常规意义作为界限加以区分的功率无线传送技术中，基于磁耦合谐振原理的能量无线传输技术以比电磁感应传输方式传输距离更远，比微波传输方式无敏感的方向性要求等特点成为目前物联网研究的热点关键之一。我国目前对于磁耦合谐振功率非线连接传输技术的研究进展方兴未艾，对于系统参数的分析还未进一步有效展开;发射和接收线圈的形状、安置位置和参数的分析与设计还没有系统完善的方法;负载阻抗的匹配，以及系统与干扰源之间的影响关系也未得到充分的讨论。因此，合理划定系统最佳谐振频率范围、确定系统的特性参量、减少干扰体对传输功率的损耗，以及在提高系统的传输效率的同时减少对人体的危害等都需要进一步研究。本文给出了基于磁耦合谐振的无线能量传输系统的实现原理及其内置构架，着重围绕传输功率、传输效率、最佳工作频率等关键技术开展研究，并进行有关公式的推导与分析，最后建立了相应的传输模型。首先对非接触能量传输技术从整体层面进行了概括，之后就基于磁耦合谐振技术的电能传输展开原理分析。明确了磁耦合谐振非接触能量传输技术的系统结构和工作原理，以及传输工作中涉及到的准则方程。结合耦合模公式确立了类似可分离变压器的无线能量传输理论模型，研究了该无线能量传输技术的内在规律，为后续的模型建立提供了理论依据;其次，通过对传输系统耦合系数、损耗系数、辐射损耗的综合考虑，确立了系统实现相对高效工作的最佳频率范围。建立了其在渐逝场与感应场作用范围内的传输模型，并结合磁耦合谐振传输系统适应的耦合模理论进行了各制约因素对系统工作的影响分析。建立了能量传输模型，仿真研究了传输距离、效率、功率与系统参数之间的关系，进而提出了系统设计方法并做出系统能效分析。最后，通过运用面向对象的Feko、Matlab等软件对模型中的空间辐射的电磁场情况进行了仿真，并对其相关参量绘出了其变化曲线。从数值分析角度提出了系统能够在更广区域内仍以高效率工作的实用方式，从而为解决能量无线传输系统的实际应用奠定了坚实的基础。

关键词：磁耦合无线传输数值分析传输效率渐逝场

具有消逝场结构的光纤氢气传感器的制备与研究

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具有消逝场结构的光纤氢气传感器的制备与研究

作者：李慧武汉理工大学

学位级别：硕士

具有消逝场结构的光纤氢气传感器是一款工艺要求非常高,灵敏度高,稳定性强,可以进行复用的新颖的光学氢气传感器。对它的研究是一个多学科高度交叉的研究领域。其中涉及了氢敏感膜的研究及其生长工艺、光在光波导的传输模式分析、光学... 详细信息

具有消逝场结构的光纤氢气传感器是一款工艺要求非常高,灵敏度高,稳定性强,可以进行复用的新颖的光学氢气传感器。对它的研究是一个多学科高度交叉的研究领域。其中涉及了氢敏感膜的研究及其生长工艺、光在光波导的传输模式分析、光学表面等离子共振技术、氢气传感器的检测技术等。如何实现各种相关技术的整体集成、降低渐逝场型光纤氢传感器的制造成本、提高氢敏传感器的可靠性、重复性和灵敏度等是目前具有消逝场结构的光纤氢气传感技术走向产业化所面临的主要问题。本论文针对具有消逝场结构的光纤氢气传感器存在的问题,开展了以下一些相关的技术性研究:钯的氢敏感原理、表面等离子共振原理、腐蚀型光纤的制作、薄膜的生长、传感头的封装和传感系统的实验及结果分析。本论文的具体工作如下:1、研究了光纤氧气传感器的分类及每种传感器的原理,设计了具有消逝场结构的光纤氢气传感器。2、研究了本系统相关的各种理论,包括光学表面等离子共振技术、渐逝场传感技术及光在光波导的传输模式分析等,并通过数值模拟分析了系统的最佳参数。3、对传感器腐蚀时所需要的各种相关工具进行了制作,对腐蚀液进行了配置,并设计出了一套合理的腐蚀流程,并通过实验揭示了光纤腐蚀的规律性。4、设计了一套可靠的氢气浓度测试系统,通过系统,对传感器的响应时间、功率逆向等各项性能进行了测试、分析和研究。本文重点介绍丁工作原理和制作工艺。并对腐蚀时间是50分钟、镀膜厚度为50nm的光纤传感器进行了实际测试,得出了氢气浓度从0%增大到100%然后再减小到0%的光功率变化关系图。

关键词：光纤氢气传感器渐逝场表面等离子共振腐蚀钯膜

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集成MZI光波导生化传感平台研究

集成MZI光波导生化传感平台研究