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光纤传感器中散射噪声的研究

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激光杂志 2009年第6期30卷 58-58,61页

作者：曹素霞张景超梁芳吴希军燕山大学理学院

基于光电探测器信号波散射波理论,研究了光纤气体传感器中的散射噪声。计算了透射型传感器中由于散射噪声造成甲烷气体浓度信号波与散射波之间干涉对输出信号产生的影响。并用Matlab对散射噪声进行了模拟,模拟结果与实验结果相符。

关键词：透射式传感器散射噪声相干长度

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基于近红外动态光谱的动脉血液信号无创检测研究

基于近红外动态光谱的动脉血液信号无创检测研究

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作者：杨威辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

采用近红外光谱技术检测人体动脉血液信息,可实现无创、连续、实时检测的特点,在躯体信号检测领域一直是研究热点之一。动态光谱频域提取法从原理上消除了个体差异和测量条件对光谱检测的影响。该方法基于朗伯比尔定律,提取相应的脉动... 详细信息

采用近红外光谱技术检测人体动脉血液信息,可实现无创、连续、实时检测的特点,在躯体信号检测领域一直是研究热点之一。动态光谱频域提取法从原理上消除了个体差异和测量条件对光谱检测的影响。该方法基于朗伯比尔定律,提取相应的脉动动脉血液的吸光度,由这些吸光度组成的光谱,经过傅立叶变换提取需要的频谱信号,识别出动脉血液脉搏波。试验中采用MSP430为核心设计透射式光电容积脉搏传感器,对人体手指端动脉血液信号进行检测提取并处理,识别出动脉血液脉搏波,在实际环境中采用可穿戴式传感器验证了动态光谱检测理论在动脉血液无创检测上的可行性。试验中设计的透射式光电容积脉搏传感器具有携带有效信息量大的优点,可为动态光谱检测理论提供有效采样数据,但实际应用时检测精度受到个体差异性的限制。为了克服不同手指端厚度给传感器带来的检测难题,分析了检测结果中压力与直流分量及交流分量之间的关系,通过不同厚度的手指测试实验,指出了存在一个最佳检测区域使得检测到的脉搏波处在最理想状态。

关键词：动态光谱光电容积脉搏波无创检测压力影响透射式传感器

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金钯核壳纳米颗粒单层膜光纤氢气传感器的制备及其性能研究

金钯核壳纳米颗粒单层膜光纤氢气传感器的制备及其性能研究

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作者：蔡琪辉武汉理工大学

学位级别：硕士

氢气作为一种高热值、燃烧产物无污染的清洁能源,在发电、汽车和航空航天等多种行业中得到广泛的应用。泄漏的氢气会导致潜在的爆炸事故,光纤氢气传感器具有本质安全、抗电磁干扰、传输距离长等优势,可以在各种工作环境中实现实时监测... 详细信息

氢气作为一种高热值、燃烧产物无污染的清洁能源,在发电、汽车和航空航天等多种行业中得到广泛的应用。泄漏的氢气会导致潜在的爆炸事故,光纤氢气传感器具有本质安全、抗电磁干扰、传输距离长等优势,可以在各种工作环境中实现实时监测。光纤氢气传感器主要是通过将光信号输入到氢敏元件中的敏感材料,利用其吸氢后光学性质或机械性能的变化反映氢气浓度的变化。低维纳米材料具备优异的比表面积,可以有效提高氢气传感器的响应性能。此外,绝大多数光纤氢气传感器在空气环境中容易受到干扰气体的影响,无法在空气环境中长期、稳定地工作。本文针对光纤氢气传感器研究中存在的问题,通过建立金钯核壳纳米颗粒(Au-Pd core-shell nanoparticles,Au@Pd NPs)中的氢原子扩散模型和单层纳米颗粒膜的等效介质模型分析单层纳米颗粒膜的参数对透射光的影响,提出了一种制备高性能金钯核壳纳米颗粒单层膜的新方法,设计并搭建了基于单层纳米颗粒膜的透射式光纤氢气传感器,采用锌基沸石咪唑骨架材料(Zn-based zeolite imidazole framework,ZIF-8)作为保护涂层提高传感器在空气中的响应性能,具体内容如下:(1)阐述了Pd氢敏机理,基于似化学法和三维Fick定理对球状纳米颗粒建立了氢气吸附-扩散模型,分析了Au@Pd NPs在提高响应速度方面的优势。建立了单层Au@Pd NPs膜的等效光学模型,分析了覆盖率和颗粒堆积对氢敏薄膜调制能力的意义。(2)结合核壳纳米颗粒的氢气吸附-扩散模型,通过水热法制备多种尺寸的Au@Pd NPs;利用自组装技术将Au@Pd NPs组装成均匀致密的单层膜;调控粒径、提拉速度、提拉角度等参数制备不同分布、形貌的纳米颗粒单层膜;采用多种表征手段对不同制备参数的Au NPs溶液、Au@Pd NPs溶液、Au@Pd NPs单层膜进行表征分析;探究了影响成膜质量的镀膜参数,优化镀膜工艺。(3)通过不同环境的氢敏薄膜性能退化测试和表征结果,分析了空气中干扰气体的影响和钯基材料的失效老化原因,采用ZIF-8作为纳米筛降低干扰气体的渗透率,在Au@Pd NPs单层膜表面制备具有不同厚度纳米筛进而解决传感器在空气环境中易老化的问题。表征结果表明复合膜均匀致密,无裸露的Au@Pd NPs(4)搭建了透射式氢气传感测试平台,完成了对不同制备参数的氢敏膜片的氢气响应性能测试。结果表明,Au@Pd NPs单层膜对4%的氢气响应速度约3s,在多个循环的测试中表现出良好的稳定性。采用具有不同厚度纳米筛的复合膜在空气环境中陈化两周后完成空气环境氢气响应性能测试,结果表明,传感器具有优秀的抗氧化性能和稳定的响应性能,使用寿命提高超过60倍,具有极佳的应用前景。

关键词：光纤氢气传感器透射式传感器金钯核壳纳米颗粒单层膜 ZIF-8保护涂层

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基于多层Au-Pd核壳纳米颗粒膜增敏的光纤氢气传感器研究

基于多层Au-Pd核壳纳米颗粒膜增敏的光纤氢气传感器研究

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作者：骆志杰武汉理工大学

学位级别：硕士

氢以其独特的优势,现已成为二十一世纪最重要的清洁能源载体之一。但氢气化学性质活泼,在氢能制取、贮存、运输和加注等各个环节中,泄漏的氢气极易导致重大事故,因此氢气的泄露监测必不可少。光纤氢气传感器是一种采用光作为氢气浓度信... 详细信息

氢以其独特的优势,现已成为二十一世纪最重要的清洁能源载体之一。但氢气化学性质活泼,在氢能制取、贮存、运输和加注等各个环节中,泄漏的氢气极易导致重大事故,因此氢气的泄露监测必不可少。光纤氢气传感器是一种采用光作为氢气浓度信息传递媒介的传感器,具有本质安全、体积小及易遥测等独特优势,适用于各种危险复杂环境中氢气浓度的实时监测。现有的光纤氢气传感器主要利用钯(Pd)或其复合薄膜材料吸氢后物理性质(折射率、反射率、体积等)的变化,对光信号的强度、波长、光程和偏振态等进行调制,从而实现对环境中氢气浓度信息的感知。然而受制于氢气在Pd层中的扩散作用,传感器的灵敏度和响应速度间存在不可调和的矛盾。本文针对光纤氢气传感器研究中存在的问题,提出了搭载Au-Pd核壳纳米颗粒膜的多层透射式光纤氢气传感器,在保持纳米颗粒膜较快响应速度的同时通过增加膜片数量来增大对光强的调制次数,从而提高对氢气的灵敏度,实现灵敏度和响应速度的协调优化。本文的主要工作如下:1)建立了单层核壳纳米颗粒膜的透射光强模型,分析了Pd壳厚度及覆盖率对透射光强的影响规律,以及纳米颗粒膜在吸氢气前后因介电常数改变引起的透射光强变化;2)采用种子生长法制备了粒径小、尺寸范围窄的Au-Pd核壳结构纳米颗粒,采用水平离心沉积法在玻璃基片上制备了均匀分散的纳米颗粒膜。通过多种表征手段对纳米颗粒的成分及形貌进行研究,对纳米颗粒膜的膜厚和覆盖率进行了测量分析。通过反射式传感实验平台测试了纳米颗粒膜的各项特征参数(Pd壳厚度和覆盖率)对其通氢响应特性影响规律;3)设计了一种噪音小、性能稳定的多层透射式光纤氢气传感系统。建立了多层氢敏膜增敏的理论模型,揭示了膜片数量及纳米颗粒膜的透射率对传感器增敏效应的影响规律;4)在多层透射式光纤传感系统平台上,对搭载不同数量、不同Pd壳厚度的单层Au-Pd核壳纳米颗粒膜传感器的通氢响应特性进行了测试分析,研究了Pd壳厚度和膜片数量对传感器响应特性的影响规律,验证了该传感器能够实现响应速度和灵敏度的协调优化;在常温常压下对多层透射式光纤氢气传感器进行了多次连续通放氢测试,分析了传感器的灵敏度、稳定性以及重复性,验证了传感器具有较好的实用价值。

关键词：光纤氢气传感器透射式传感器多层膜 Au-Pd核壳纳米颗粒膜

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