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基于ZnO-CuO修饰单模光纤局域表面等离子体共振硫化氢气体传感器

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光学学报(网络版)

光学学报(网络版) 2025年

作者：韩佳驰冯文林重庆理工大学理学院新型储能材料与器件重庆市重点实验室

本文通过将铜引入ZIF-8中，高温退火使其形成ZnO-CuO的复合结构，之后通过提拉镀膜法将其镀在涂覆有金纳米颗粒薄膜的单模光纤上作为敏感膜，使用多模-单模-多模（MMF-SMF-MMF）的传感结构，利用金纳米膜激发局域表面等离子体共振（LSP... 详细信息

本文通过将铜引入ZIF-8中，高温退火使其形成ZnO-CuO的复合结构，之后通过提拉镀膜法将其镀在涂覆有金纳米颗粒薄膜的单模光纤上作为敏感膜，使用多模-单模-多模（MMF-SMF-MMF）的传感结构，利用金纳米膜激发局域表面等离子体共振（LSPR）效应，由于ZnO-CuO对硫化氢气体的特异性吸附，可以根据光谱波长的变化检测硫化氢气体的浓度。通过改变铜的占比调节传感器的性能。制备Zn O-CuO粉末时加入二水合氯化铜，相较于ZIF-8的质量比分别为20%、40%、60%，由此制备的三种传感器分别命名为ZnO-CuO-20、ZnO-CuO-40、ZnO-CuO-60。实验结果表明，在温度为25℃、相对湿度为30%的环境下，传感器ZnOCuO-40的性能最好，在1-7ppm浓度范围内，随着硫化氢浓度上升，共振波长出现红移，共振波长漂移1.133nm，灵敏度为188.82pm/ppm，检测限为969.3089×10-6ppm，响应时间约为125s。该传感器具有良好的时间稳定性，同时对硫化氢有良好的选择性。

关键词：光纤气体传感硫化氢氧化铜氧化锌局域表面等离子体共振

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极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器性能优化

光学学报 2019年第8期39卷 75-84页

作者：罗彬彬谢浪王亚杰邹雪石胜辉叶露蒋上海赵明富汪治华重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室

提出一种利用极大倾角光纤光栅(Ex-TFG)谐振峰的3 dB点进行悬臂梁低频振动检测的优化方法。对Ex-TFG的轴向应变和弯曲应变特性进行理论分析和实验验证;对基于光强调制的Ex-TFG振动传感的光谱响应特性进行理论分析,采用Ex-TFG谐振峰的3 d... 详细信息

提出一种利用极大倾角光纤光栅(Ex-TFG)谐振峰的3 dB点进行悬臂梁低频振动检测的优化方法。对Ex-TFG的轴向应变和弯曲应变特性进行理论分析和实验验证;对基于光强调制的Ex-TFG振动传感的光谱响应特性进行理论分析,采用Ex-TFG谐振峰的3 dB点对振动进行实验研究。实验结果表明:1)Ex-TFG在轴向应变和弯曲应变条件下,其谐振波长均发生蓝移,横电(TE)模和横磁(TM)模的轴向应变灵敏度分别为-2.8 pm/με和-1.8 pm/με,透射强度基本不变,在0~0.4 m-1的曲率范围内基于光强变化的弯曲应变灵敏度分别为2.6 dB/m-1和1.2 dB/m-1,基于波长漂移的弯曲应变灵敏度分别为-3.34 nm/m-1和-2.53 nm/m-1;2)在低频振动的检测中,Ex-TFG的TE模和TM模的谐振峰3 dB点的振动加速度灵敏度分别为113.54 mV/g和100.93 mV/g,比谐振峰的峰值波长点(100%点)的振动加速度灵敏度高2倍多,且信噪比(SNR)高约10 dB。此外,SNR随悬臂梁厚度的增大而增大;3)在相同条件下,TE模具有比TM模更高的振动响应灵敏度,但TM模比TE模具有更好的输出稳定性。

关键词：光纤光学光纤光栅轴向应变弯曲应变振动传感等强度悬臂梁

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双波长激光路面气象传感方法

光子学报 2023年第6期52卷 100-108页

作者：龙俊宇吴德操罗彬彬张颖郭裕丰曹盛邓磊赵明富重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

为解决传统接触式路面气象传感器寿命低、安装不便、易破坏路基等问题,用1310 nm、1430 nm两种波长的激光器作为探测光源,结合红外测温辅助,研究了一种非接触的路面气象传感方法。该方法通过测量不同路面状态下由光源照射形成的后向散... 详细信息

为解决传统接触式路面气象传感器寿命低、安装不便、易破坏路基等问题,用1310 nm、1430 nm两种波长的激光器作为探测光源,结合红外测温辅助,研究了一种非接触的路面气象传感方法。该方法通过测量不同路面状态下由光源照射形成的后向散射光强,得到水、冰介质膜在两个特征波长下的反射率;通过设定反射率和红外温度信号的判别逻辑,可以分辨多种路面状态,包括干燥、潮湿、积水、结冰和结霜;以朗伯比尔定律为基础建模实现积水、结冰厚度检测,利用反射率零点自动判别校准测量模型参数,无需现场标定即可在不同道路条件下实现精准测量。实验证明,该方法路面状态判别准确,水/冰厚度检测量程达到3 mm,精度均为±0.2 mm,具有结构简单、探测距离远、成本低等特点,有良好的实用价值。

关键词：激光传感短波红外朗伯定律非接触式路面气象

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基于细直径极大倾角光纤光栅的悬臂梁低频振动传感器性能研究

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光子学报 2020年第12期49卷 42-50页

作者：邹雪邓欧罗彬彬吴德操赵明富钟年丙宋涛蒋上海谢浪柳鹏刘恩华重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

为了测量结构的低频振动参数,提出一种细直径极大倾角光纤光栅的悬臂梁振动加速度传感器,并研究了该传感器的特性及优化方法.首先,对细直径极大倾角光纤光栅的轴向应变、弯曲应变特性以及悬臂梁振动传感模型进行理论分析;然后,通过静态... 详细信息

为了测量结构的低频振动参数,提出一种细直径极大倾角光纤光栅的悬臂梁振动加速度传感器,并研究了该传感器的特性及优化方法.首先,对细直径极大倾角光纤光栅的轴向应变、弯曲应变特性以及悬臂梁振动传感模型进行理论分析;然后,通过静态实验进行验证并分析轴向应变和弯曲应变对悬臂梁振动的影响;最后,完成悬臂梁动态振动实验性能测试,并与标准直径极大倾角光纤光栅传感器进行对比.实验结果表明:在轴向拉力和弯曲应力作用下,细直径极大倾角光纤光栅的TE模和TM模的轴向应变灵敏度分别为−4.68 pm/με和−3.55 pm/με,弯曲应变的波长灵敏度分别为−8.82 nm/m^-1和−7.71 nm/m^-1,弯曲应变的强度响应灵敏度分别为6.71 dB/m^-1和0.95 dB/m^-1,细直径极大倾角光纤光栅具有比标准直径极大倾角光纤光栅更高的应变灵敏度;悬臂梁振动检测实验中,细直径极大倾角光纤光栅谐振波长3 dB点的最大加速度灵敏度达500 mV/g以上,为相同条件下标准直径极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器的5倍左右;与快速傅里叶变换后的频谱图对比结果表明,细直径极大倾角光纤光栅传感器的谐波分量更少.可见,在低频振动检测时细直径极大倾角光纤光栅的抗噪声干扰能力更强,检测准确度更高.

关键词：光纤传感器细直径极大倾角光纤光栅振动传感悬臂梁轴向应变弯曲应变

氧化石墨烯包覆金纳米壳修饰长周期光栅的免疫传感器

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光学学报 2020年第18期40卷 15-24页

作者：石胜辉吴德操王鑫聂青林刘志江罗彬彬刘恩华柳鹏赵明富重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

提出一种基于氧化石墨烯包裹金纳米壳(EGO-AuNS)修饰长周期光纤光栅(LPFG)的新型免疫传感器,并将其应用于禽流感病毒(AIV)检测。利用静电结合原理将石墨烯(GO)包裹在金纳米壳(AuNS)表面形成EGO-AuNS复合材料;采用硅烷偶联剂以共价键结... 详细信息

提出一种基于氧化石墨烯包裹金纳米壳(EGO-AuNS)修饰长周期光纤光栅(LPFG)的新型免疫传感器,并将其应用于禽流感病毒(AIV)检测。利用静电结合原理将石墨烯(GO)包裹在金纳米壳(AuNS)表面形成EGO-AuNS复合材料;采用硅烷偶联剂以共价键结合方式将其固定在LPFG表面;再以AIV单克隆抗体(AIV-MAbs)为特异性生物分子识别单元,固定于光栅表面构成EGO-AuNS-LPFG免疫传感器。结果表明:在折射率(RI)1.333--1.411范围内,EGO-AuNS-LPFG传感器RI灵敏度高达-66.60 nm/RIU,约为普通LPFG传感器的6倍。通过对不同浓度等级AIV抗原溶液的检测,表明该免疫传感器的检测极限约为8 ng/mL,饱和点约为50μg/mL,在其线性响应区域的检测灵敏度约为2946.25 pm/(μg·mL^-1),约为基于GO涂覆包层腐蚀型普通LPFG的AIV免疫传感器灵敏度的7.3倍;此外,其对AIV分子的解离系数约为3.49×10^-9 mol/L。通过对几种尿囊液的对照检测实验,表明该免疫传感器且具有良好的特异性和临床性有效性,因此它在生物医学领域有较大应用潜力。

关键词：光纤传感长周期光纤光栅氧化石墨烯包覆金纳米壳禽流感病毒免疫检测

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非接触式双波长激光路面气象传感方法研究

光学学报 2020年第23期40卷 111-117页

作者：吴德操柳朋罗彬彬蒲君豪刘恩华蒋上海汤斌宋涛赵明富重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

道路湿滑程度是表征公路交通安全的重要指标,路面气象传感技术能准确检测道路积水和结冰的情况,进而定量分析临界滑水速度和路面附着系数等湿滑参数,通过实时调整车速甚至封闭道路,可有效预防交通事故。非接触式路面气象传感方法具有精... 详细信息

道路湿滑程度是表征公路交通安全的重要指标,路面气象传感技术能准确检测道路积水和结冰的情况,进而定量分析临界滑水速度和路面附着系数等湿滑参数,通过实时调整车速甚至封闭道路,可有效预防交通事故。非接触式路面气象传感方法具有精度高、不破坏路基和安装灵活等特点,是目前的研究热点,但核心技术仍被国外垄断,设备价格十分昂贵。基于积水、结冰路面的红外反射光谱特征,利用1310 nm与1550 nm激光的反射光强,研究了一套水膜厚度检测及冰水状态判别的数学模型和探测方法。以此为基础建立了路面气象传感系统,并对系统的光学结构进行了仿真优化。实验结果表明,该系统的测量距离可达3~5 m,水膜厚度在9 mm下的测量误差小于0.1 mm,系统能够精准判别路面干燥、积水和结冰等气象状态,具备良好的实用价值。

关键词：测量短波红外激光路面气象激光传感

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基于夹层多模光纤干涉计的可穿戴呼吸传感器

光学学报 2023年第3期43卷 21-30页

作者：杨翔文罗彬彬吴德操邹雪石胜辉范俊豪郭一霖范成磊赵明富重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

提出了一种基于夹层多模光纤干涉计的可穿戴式呼吸传感器。该传感单元是将一段长度为1~3 mm的渐变型多模光纤(GIMMF)夹在两段长度为1 mm的阶跃型多模光纤(SIMMF)之间制作而成的,由于二者芯径不匹配,故会构成光纤马赫-曾德尔干涉光路,其... 详细信息

提出了一种基于夹层多模光纤干涉计的可穿戴式呼吸传感器。该传感单元是将一段长度为1~3 mm的渐变型多模光纤(GIMMF)夹在两段长度为1 mm的阶跃型多模光纤(SIMMF)之间制作而成的,由于二者芯径不匹配,故会构成光纤马赫-曾德尔干涉光路,其干涉峰的强度对微弯曲非常敏感,在0~2.36 m^(-1)曲率范围内最大灵敏度可达-74.03 dB/m^(-1)。基于此,将该夹层多模光纤干涉计集成到弹性腰带上并固定在人的腹部,通过监测该传感器透射谱中特征峰的强度变化可实时准确地获取呼吸信号。实验结果表明,该传感器可以区分不同类型的呼吸状况,且具有普遍适用性。

关键词：光纤光学夹层多模光纤干涉计呼吸传感曲率弹性腰带

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反射型极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感特性

光学学报 2020年第20期40卷 51-58页

作者：邓欧罗彬彬吴德操谢浪赵明富邹雪石胜辉刘恩华蒋上海重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

提出一种反射型极大倾角光纤光栅(ExTFG)悬臂梁振动传感器。从理论上分析ExTFG的弯曲应变特性和振动传感原理,并利用ANSYS构建有限元模型,对传感器进行模态分析和谐振特性响应分析,通过实验研究其在受到周期性载荷下发生弯曲振动的动态... 详细信息

提出一种反射型极大倾角光纤光栅(ExTFG)悬臂梁振动传感器。从理论上分析ExTFG的弯曲应变特性和振动传感原理,并利用ANSYS构建有限元模型,对传感器进行模态分析和谐振特性响应分析,通过实验研究其在受到周期性载荷下发生弯曲振动的动态响应特性。结果表明:反射型ExTFG悬臂梁振动传感器对加速度连续性激励信号展现出良好的动态响应,可通过调节传感器长度实现其固有频率的改变,在1~5g范围内具有良好的线性响应,其最大加速度灵敏度相对于透射式ExTFG振动传感器提高了约2.5倍,横电模和横磁模时的最大加速度灵敏度分别达到0.3 V/g和0.26 V/g。此外,该传感器的传感探头尺寸足够小,以ExTFG作为敏感单元,无需额外封装,在实际应用中具有潜在价值。

关键词：光纤光学极大倾角光纤光栅振动传感反射型悬臂梁弯曲

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直接光谱法水体COD检测多场景优化方法

光学学报 2021年第22期41卷 228-235页

作者：刘恩华吴德操王杰谭万尧蒲君豪罗彬彬汤斌龙邹荣赵明富重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室重庆400054

提出一种多场景优化的光谱分类建模解算方法:首先,通过颗粒物Mie散射仿真分析,构建幂函数修正方程,以直接拟合法对样本光谱进行精确浊度校正;然后,利用吸光度归一化法获取不同场景的线性特征光谱,形成场景特征库;使用偏最小二乘法(PLS)... 详细信息

提出一种多场景优化的光谱分类建模解算方法:首先,通过颗粒物Mie散射仿真分析,构建幂函数修正方程,以直接拟合法对样本光谱进行精确浊度校正;然后,利用吸光度归一化法获取不同场景的线性特征光谱,形成场景特征库;使用偏最小二乘法(PLS)为每个场景建立解算模型,形成化学需氧量(COD)解算模型库。对未知水样本进行COD检测时,先通过杰卡德(Jaccard)相似性理论将其归一化光谱与场景库线性特征谱进行匹配,识别其归属场景,再获取解算库中的最优解算参数来计算COD浓度。实验结果表明,所提方法可获得较高的场景匹配精度,有效降低多场景条件下的COD解算误差,具备良好的实用价值。

关键词：光谱学直接光谱法多场景优化浊度校正 COD解算