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基于流控液体波导的暗场漏水传感器关键技术研究

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基于流控液体波导的暗场漏水传感器关键技术研究

作者：李莹洁中北大学

学位级别：硕士

在水下装备、大型数据处理中心、半导体制造车间、智能家居、图书馆等存在液体泄漏风险的场所,以及石油化工存储运输和输水管网中,液漏检测技术正在大面积应用。针对不同的场所、安装环境和种类多样的被测液体,需要采用特定的液漏检测... 详细信息

在水下装备、大型数据处理中心、半导体制造车间、智能家居、图书馆等存在液体泄漏风险的场所,以及石油化工存储运输和输水管网中,液漏检测技术正在大面积应用。针对不同的场所、安装环境和种类多样的被测液体,需要采用特定的液漏检测技术。目前针对液漏检测的研究和应用很多,但在解决滴漏、渗漏测量难题时需要传感器有快速的响应和较高的微量检测能力。因此,设计一款高实时性、高空间分辨率以及对微量渗漏检测敏感的传感器具有极其重要的研究价值。本文基于液体波导和光纤侧耦合传输原理,设计了流控液体波导的暗场漏水传感器,并对流控液体波导的暗场漏水传感器所需的关键技术进行了研究。具体工作包括以下几方面:(一)针对侧耦合光纤传感器光强变化不稳定、易发生漏检误检等问题,设计了流控封装,本底噪声低于2n W,提高了传感器信噪比,初步实现了对光源噪声的抑制;当有液体泄露时,液体在结构内流动,由于结构内部气体不能完全排出,会在通道上表面存在残余气体,与通道内的液体形成液-气-固三层界面,利用封装内部气-液界面实现了泄漏液体对光路的控制,提高光纤传输功率,使得液漏区分度可达到1.9d B。(二)分析了传感器中光纤耦合结构与耦合功率、插入损耗的关系,利用Zemax软件对光纤耦合结构进行仿真分析,并搭建实验平台对耦合结构进行加工测试,确定了光纤耦合结构的形状及参数,有效提高了光纤侧耦合功率、降低传输损耗。(三)为进一步提高光纤传输功率,在封装设计中融合了菲涅尔透镜,提升了光源利用效率,实现侧向耦合功率提升40%,大大降低了信号探测难度,在测量范围不变时,将光纤侧耦合结构的密度从5cm提高至3cm,有效提高了传感器空间分辨率。(四)对传感器进行封装设计,将设计好的传感器在不同安装方式下进行检测性能测试,从液体泄露至传感器响应,时间范围为0.5-0.7s,实现了高实时性;传感器可探测到的液体极限为0.5ml,实现了对微量液体的检测。最后对传感器整体进行测试,将测试所得数据进行对比,进一步验证了传感器的可靠性。

关键词：液漏传感光纤传感器液体波导菲涅尔透镜

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大型菲涅尔透镜聚焦光斑的能流强度直接测量

大型菲涅尔透镜聚焦光斑的能流强度直接测量

作者：张可心华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

菲涅尔透镜是一种具有高倍聚光能力且占用空间小的聚光设备,被广泛应用于太阳光聚集系统和光纤传输照明系统研究。实际应用中,由于缺乏对菲涅尔透镜的聚焦光斑通量密度的测量研究,导致光纤端面的过热防护缺乏参考。对透镜的聚光通量的... 详细信息

菲涅尔透镜是一种具有高倍聚光能力且占用空间小的聚光设备,被广泛应用于太阳光聚集系统和光纤传输照明系统研究。实际应用中,由于缺乏对菲涅尔透镜的聚焦光斑通量密度的测量研究,导致光纤端面的过热防护缺乏参考。对透镜的聚光通量的研究大多采用实验方法测量,如抛物槽式太阳能聚光器、太阳能发电塔和抛物面碟式聚光器接收器上的通量分布,而对于菲涅尔透镜,特别是本文中的大口径菲涅尔透镜,大多采用仿真模拟法,缺乏实际测量数据。针对这一问题,本研究开发了一个实验系统,用于测量菲涅尔透镜的聚光通量密度。本文针对大口径菲涅尔透镜的聚光通量的测量和计算进行了相关理论和实验研究。首先,本文对CCD相机法、热流计法、仿真模拟法针对的不同场景进行详细介绍,对本文所需要的硬件场景,搭建了大型菲涅尔聚光通量测量系统,该系统包括手动双轴跟踪系统、聚焦系统(大口径菲涅尔透镜及遮挡片)、测量系统(热流计、CCD相机)。基于CCD相机法,使用电荷耦合器件(CCD)相机来捕捉大口径(968mm)菲涅尔透镜的光斑图像,并使用热流计来校准CCD相机捕捉的光斑亮度图像。实验中还使用红外热像仪观测聚焦光斑的温度场信息。本文提出基于CCD相机法搭建了测量系统,该系统可以测量高倍聚光通量,并可以通过与太阳直接辐射强度(Direct normal irradiance,DNI)等信息结合得到通量密度分布。实验数据表明,菲涅尔透镜聚焦能流密度中心峰值可达4.06MW/m2。该方法证实了之前研究的模拟结果,即使用射线追踪法,菲涅尔透镜的通量水平可以达到5000倍太阳通量强度。实验结果表明,基于CCD相机的方法与热流计相结合,能够测量出5000倍太阳的通量强度。

关键词：菲涅尔透镜通量密度分布精细测量 CCD图像

采用菲涅尔透镜的太阳能CPV/T系统实验与模拟研究

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热能动力工程 2019年第3期34卷 114-120页

作者：徐洪涛饶江伟郭玉鹏王宁上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 鄂尔多斯市特种设备检验所内蒙古鄂尔多斯017000

为了解决光伏板温度过高使光电转换效率下降的影响,搭建了一套基于聚光型菲涅尔透镜的太阳能光伏/光热(CPV/T)系统,菲涅尔透镜的聚光比为5.85,光伏板由蛇形换热通道进行冷却。基于上海气象参数,对该系统进行了实验研究。实验结果表明:... 详细信息

为了解决光伏板温度过高使光电转换效率下降的影响,搭建了一套基于聚光型菲涅尔透镜的太阳能光伏/光热(CPV/T)系统,菲涅尔透镜的聚光比为5.85,光伏板由蛇形换热通道进行冷却。基于上海气象参数,对该系统进行了实验研究。实验结果表明:实验日内系统的光热效率、光电效率和综合效率分别为50.93%,10.86%,61.79%。同时,利用TRNSYS软件,建立了系统动态能效分析模型,将模拟结果与实验结果进行对比,最大误差仅为3.08%,两者吻合较好。

关键词：太阳能菲涅尔透镜光伏光热实验研究

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菲涅尔透镜聚光倍率测试系统研究

传感器与微系统 2012年第11期31卷 64-66页

作者：陈志明张丽董前民梁培中国计量学院光电学院浙江杭州310018

在对菲涅尔透镜聚光倍率测试系统的研究过程中,提出了一种基于光—电—光信号转换的测试方法。首先硅光电池将光信号转换成电信号,并被LabVIEW软件采集,采集到的电信号根据硅光电池的光电转换标定关系还原为光信号,最后基于菲涅尔透镜... 详细信息

在对菲涅尔透镜聚光倍率测试系统的研究过程中,提出了一种基于光—电—光信号转换的测试方法。首先硅光电池将光信号转换成电信号,并被LabVIEW软件采集,采集到的电信号根据硅光电池的光电转换标定关系还原为光信号,最后基于菲涅尔透镜聚光前后光信号强度的不同去评估镜面上各处的聚光倍率。实验研究表明:该系统具有结构简单、使用方便、测试效果良好等特点,在太阳能聚光测试领域将会有广阔的应用前景。

关键词：菲涅尔透镜聚光倍率硅光电池

滑移式线性菲涅尔定焦线聚光集热系统光热特性研究

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滑移式线性菲涅尔定焦线聚光集热系统光热特性研究

作者：李浩腾广东工业大学

学位级别：硕士

基于现有的反射式线聚焦技术尚不能大规模推广至民房的技术困境,本文开发了滑移式定焦线菲涅尔聚光集热系统,该系统采用菲涅尔透镜作为聚光元件,通过一系列设计,该系统整体轻便、紧凑,可有效克服端部损失和余弦效应等光学损失,适用于普... 详细信息

基于现有的反射式线聚焦技术尚不能大规模推广至民房的技术困境,本文开发了滑移式定焦线菲涅尔聚光集热系统,该系统采用菲涅尔透镜作为聚光元件,通过一系列设计,该系统整体轻便、紧凑,可有效克服端部损失和余弦效应等光学损失,适用于普通民房/厂房屋顶。本文详细地阐述了系统的构建思路和设计原理,然后基于蒙特卡洛光线追迹法,对所建立的光学模型进了仿真。基于光学模拟的结果,搭建了滑移式线性菲涅尔聚光集热系统以及相关的测试系统,选取数个晴朗日期对系统的集热效率进行了探究。逐步探索了太阳直射辐射强度、腔体表面是否涂覆黑漆、腔体有无透明盖板、工质入口流量对出口温度和集热效率的影响,分析了各实验案例中的光热损失占比,得到的主要结论如下:随着太阳赤纬角的增大,线性菲涅尔透镜的焦线在南北方向以及竖直方向都会产生移动,在太阳赤纬角增大至23.5°时,焦距为650mm的线性菲涅尔透镜焦线竖直上升了98.7mm,水平移动了243mm。本文所设计的滑移调节,可为该系统一年平均减少约10%的光学损耗。系统相对光学效率受腔体内表面吸收率、太阳赤纬角以及太阳时角的影响显著。腔体内表面吸收率越高,相对光学效率越高。太阳赤纬角越大,相对光学效率越低,太阳时角越大,相对光学效率越低。系统光学效率受镜腔距离的影响显著。系统光学效率随着镜腔距离的增大而减小,当内表面吸收率为0.85,镜腔距离为600mm、625mm、650mm、675mm和700mm时,板材三角腔一年内的平均光学效率分别为81.14%、79.17%、74.97%、69.73%和62.77%;对应的管材三角腔一年内的平均光学效率分别为75.98%、71.74%、66.50%、60.39%和54.03%。使用板材构建的三角腔体的光学效率普遍高于使用管材构建的三角腔体。太阳直射辐射强度对集热效率影响较小,但对腔体出口温度影响显著,且呈正相关性。系统腔体铜管表面涂覆黑漆、无盖板时,直射辐射强度为400W时的出口温度为49.6℃,集热效率为30.4%。当直射辐射强度增加至500W时,出口温度53.4℃,集热效率为29.91%。有无黑漆对集热效率影响较大,在其他条件相同时,表面涂覆黑漆的铜管腔体集热效率普遍得到提升。增加透明盖板可以提高光洁铜管腔体的集热效率,但是会减小黑漆铜管的集热效率。流速会影响出口温度以及集热效率,测试太阳直射辐射强度为500W,无透明盖板,带有黑漆铜管腔体的系统,当流速从0.0012kg/s增大至0.002kg/s,平均出口温度由原来约55℃,下跌至约45℃,而集热效率从30.93%上升为32.25%。本文从光学仿真和实验的角度对滑移式定焦线菲涅尔聚光集热系统的光热特性和参数影响进行了系统研究,为新型太阳能聚光系统的设计和优化提供了新思路以及理论支撑。

关键词：太阳能聚光集热光热特性菲涅尔透镜腔体式吸收器

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菲涅尔透镜的微注塑实验研究

工程塑料应用 2011年第12期39卷 39-42页

作者：郑辉仇中军路瑞军房丰洲天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津市计量监督检测科学研究院天津300192

通过对菲涅尔透镜进行微注塑过程模拟仿真,并结合正交实验,综合评价了各个微注塑参数对菲涅尔透镜成型质量的影响。利用加权算术平均法确定了各个微注塑参数对菲涅尔透镜收缩率和翘曲的综合影响排序,并得到菲涅尔透镜微注塑的最佳工艺... 详细信息

通过对菲涅尔透镜进行微注塑过程模拟仿真,并结合正交实验,综合评价了各个微注塑参数对菲涅尔透镜成型质量的影响。利用加权算术平均法确定了各个微注塑参数对菲涅尔透镜收缩率和翘曲的综合影响排序,并得到菲涅尔透镜微注塑的最佳工艺参数组合。在仿真分析的结果上,通过实际微注塑实验,评价了菲涅尔透镜制品的质量,并比较了微注塑模拟仿真与实际微注塑过程的异同。结果表明,通过实际实验得到的最佳工艺参数与模拟仿真得到的最佳工艺参数十分接近,而注塑参数影响排序存在着一定的差异。

关键词：微注塑菲涅尔透镜正交实验

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基于多平面拟合的菲涅尔透镜优化研究

太阳能学报 2015年第8期36卷 1895-1901页

作者：杨光辉卫明陈丙振杨翠柏代明崇王智勇北京工业大学激光工程研究院北京100124 第二炮兵装备研究院北京100085 广东瑞德兴阳光伏科技有限公司中山528437

提出一种第一环中心透镜为球面,第二环起的外侧环带为倾斜平面的应用于高倍聚光光伏的等厚型菲涅尔透镜设计方法,并对前几环透镜进行基于多个倾斜平面拟合的优化设计,在此基础上进行光学仿真和实验验证,结果表明优化后透镜光学效率和光... 详细信息

提出一种第一环中心透镜为球面,第二环起的外侧环带为倾斜平面的应用于高倍聚光光伏的等厚型菲涅尔透镜设计方法,并对前几环透镜进行基于多个倾斜平面拟合的优化设计,在此基础上进行光学仿真和实验验证,结果表明优化后透镜光学效率和光斑能量均匀性均有明显提升,透镜的实际光学效率可满足设计要求。该设计可为高倍聚光光伏模组用菲涅尔透镜的工程应用提供参考。

关键词：聚光光伏菲涅尔透镜等厚型优化设计

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复合椭球腔太阳能聚光均匀线光源设计

中国光学（中英文） 2023年第1期16卷 144-150页

作者：芦宇杨逸张祥祥孔维敬天津职业技术师范大学天津300350

为了实现太阳光直接泵浦板条高功率激光器,对均匀线形高功率密度泵浦源进行研究。本文提出由一级聚光系统与7个共焦点椭球叠加形成二级聚光系统(复合椭球腔),组合实现高功率密度均匀线光源的设计方法。每个椭球可对圆形第一焦斑进行等... 详细信息

为了实现太阳光直接泵浦板条高功率激光器,对均匀线形高功率密度泵浦源进行研究。本文提出由一级聚光系统与7个共焦点椭球叠加形成二级聚光系统(复合椭球腔),组合实现高功率密度均匀线光源的设计方法。每个椭球可对圆形第一焦斑进行等辐射通量分割,镜像成像特点使得峰值功率密度未明显下降,分解后镜像光斑在第二焦点处形成均匀线光源。通过坐标变化给出等辐射通量数学模型,利用退火算法求解出每个椭球旋转平移参量。由半径为30 mm,焦距为70 mm菲涅尔透镜和a=3.4 mm,c=3.15 mm单椭球腔组成一级系统,附带二级复合椭球腔聚光系统,可实现有效长度为12 mm,峰值功率密度为1.09×10^(6)W/m^(2),均匀度为95.46%线光源。对比每个椭球参量对均匀度贡献,中间椭球旋转参量θ为1.4°,均匀度改善明显,边缘椭球参量Δ改变对线光源有效长度影响显著,其最佳值为0.53 mm。

关键词：太阳能聚光器复合椭球腔菲涅尔透镜模拟退火算法

室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究

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物理学报 2015年第2期64卷 112-118页

作者：李湘蓝天王云王龙辉北京理工大学光电学院北京100081

针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求,设计了等齿距平面菲涅尔透镜.相比常规透镜光接收天线,菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点.利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真,分析了透镜... 详细信息

针对基于白光LED室内可见光无线光通信技术的应用需求,设计了等齿距平面菲涅尔透镜.相比常规透镜光接收天线,菲涅尔透镜具有聚焦能力强、焦距短、透镜厚度薄、重量轻、成本低等优点.利用Trace pro软件对设计进行了模拟仿真,分析了透镜不同设计参数对接收天线光学增益、光学效率及光斑尺寸的影响,讨论了透镜在平行光斜入射时的会聚情况.结果表明,平面点聚焦菲涅尔透镜的光学效率可达92.1%,适用于小视场、高增益接收光学系统前端.

关键词：可见光通信接收天线菲涅尔透镜等齿距