基于L型悬臂梁的膜片式FBG压力传感器

为满足油气管道压力测量需求,本文提出并研究 了一种使用膜片和L型悬臂梁作为压力转换单元的 光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器。基于传感器的结构模型,通过理论计算对传感器灵敏 度和温度自补 偿效应进行了分析,并利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性。实验结果表明,在0－2MPa范 围内,该传感器的压力灵敏度为1185.621pm/M Pa,相关系数达到 0.999,在0－80 ℃温 度范围内温 度灵敏度相关系数达到0.999以上,能有效消除温度交叉敏感。且具 有良好的可靠性,这种FBG压力传感器可广泛用于油气管道压力的长期准分布在线监测。     

光纤气体传感与谱特性研究

吸收型气体传感器的结构决定气体传感器的灵敏度和吸收效果。根据C2H2气体的光谱吸收特性,设计了一种简易的测试C2H2气体吸收强度的传感器结构。基于Gaussian03软件计算C2H2气体分子的振动强度,从分子能级角度阐述了吸收型气体传感器在近红外光区选择性光谱吸收的特点。同时通过实验加以验证,对比了理论计算与实验结论。     

用于CO传感的空芯带隙型光子晶体光纤的研究

光纤气体传感器具有灵敏度高、防磁、防爆、远程控制等优点.而将空芯带隙型光子晶体光纤应用于气体传感,将使得气体传感与检测的灵敏度进一步提高.文章针对一氧化碳气体的特性及传感器对带隙型光子晶体光纤性能的要求,利用平面渡展开法和矢量有限元法,通过分析计算,得出所需的光纤的基本参数,即纤芯的半径、空气孔的半径和间距,使其在纤芯中的传输率达到90%以上,其应用可以使传感器的检测灵敏度得以提高.     

基于类脑脉冲神经网络的光纤油气管道监测

为了提高光纤油气管道监测效果,采用类脑脉冲神经网络算法。首先通过累加平均法对光纤传感器振动信号进行消噪;接着利用小波包对振动信号频带分解,将信号在频域上平均分为８个频段,把各频段的能量占比作为神经网络训练输入;然后基于脉冲响应对类脑神经元设计,神经元连接的强度与前、后神经元激活时间差函数关系非线性设计,振动输入数据与神经元脉冲转换;最后给出了算法流程。实验仿真显示本文算对单一振动信号识别准确率在9587左右,两种振动混合信号识别准确率在9052左右,指标优于其他算法,同时定位误差小于其他算法。     

一种冰醋酸红外气体传感器设计

提出了一种基于非色散红外原 理的冰醋酸红外气体传感器。介绍了冰醋酸红外气体传 感器的原理,然后对其结构设计进行了详细描述,并利用Light Tools 软件对其光路进行了仿真验证,最后获得了冰醋酸红外 气体传感器样机。测试结果表明,该传感器在0～5000 ppm范围内 的测量精度优于±1%F.S.,响应时间(T90)为29 s。这种传感器的光源部分 采用电调制方式,舍弃了传统的红外气体传感器光源部分的机 械斩波结构,进而减小了传感器的体积,提高了稳定性。因此,该传感器 在冰醋酸运输、储存和使用等领域具有广泛的应用前景。     

电容式多晶硅微声传感器的模拟与设计

设计了一种以多晶硅薄膜作为振动膜片的电容式硅微声传感器。通过有限元法(FEM)对传感器建模，并对其进行静力、模态和谐响应分析。模拟分析结果表明此传感器机械灵敏度可达1．81X10^-7m／Pa，其频带宽度接近10kHz。     

影响全天域光轴平行度检测精度因素分析

为提高红外甲烷传感器的精度,对气室结构、电路和数据处理进行了优化设计。通过实验和光学仿真对红外气体传感器气室结构进行了重新优化设计,确定了最佳尺寸;采用三级差动放大电路设计滤除噪声;在数据处理的算法上,选用二次插值查表法来拟合方程处理数据等一系列举措设计出新的红外甲烷传感器。在甲烷浓度为0%~3%的体积分数段内对传感器进行随机测试,新传感器的反应时间能够控制在20 s以内,探测器灵敏度得到提高,测量误差控制在0.04%。与国内外相似的产品相比,优化的传感器在高灵敏度、测量误差和反应时间上都达到了较高水平。     

全方位气体摆式倾角传感器的结构原理

介绍了全方位气体摆式倾角传感器的敏感原理,并对几种敏感元件的结构设计方案进行了详细的分析。在影响传感器主要性能的基础上,比较了不同敏感元件的优劣,找出最合适的敏感元件结构设计,最后通过对实际制作的全方位倾角传感器进行测试,表明所介绍的全方位气体摆式倾角传感器的灵敏度达到0.1°,方位角测量范围达到360°,倾斜角度测量范围可达到25°,达到了预期的设计目的。     

一种低频段小型化带通频率选择表面天线罩设计

具有陡峭截止性能的带通型频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)在低频段天线设计中有重要应用需求,而传统带通型FSS设计在低频段存在单元尺寸过大和散射栅瓣等问题。为此,提出了一种低频段小型化的带通型FSS天线罩。该结构通过多层非谐振型FSS级联而成,并采用介质加载和FSS单元交叉曲折等小型化设计技术,使其具有S频段二阶带通空间滤波特性,相对带宽达到25%。同时,FSS单元尺寸减小至1/16λ0（λ0为中心工作波长）,天线罩电厚度约为1/20λ0 。基于带通FSS的等效电路模型,给出了详细的FSS单元小型化设计过程,完成了该S频段小型化二阶带通型FSS天线罩实物样件加工和传输特性测试工作,测试结果与全波仿真结果吻合较好。     

红外光学气体检测中的参数修正函数浓度计算与补偿方法

从红外光谱吸收理论出发,提出了一种高精度的红外光学气体传感器气体浓度信号处理方法。重点阐述了气体浓度计算模型的建立和各参数的实验确定方法。从气体浓度计算的原理分析入手,通过逐步修正郎伯-比尔定律得到了一个有效的气体浓度函数关系式,供计算气体浓度用。为了减少外界温度对传感器检测结果的影响,实施了温度补偿,使得传感器能在不同温度条件下使用。经测试,传感器达到了10010-6的分辨能力,具有良好的稳定性,能够满足许多场合的使用。     

Fingertip‐Skin‐Inspired Highly Sensitive and Multifunctional Sensor with Hierarchically Structured Conductive Graphite/Polydimethylsiloxane Foams

Fingertip skin exhibits high sensitivity in a broad pressure range, and can detect diverse stimuli, including textures, temperature, humidity, etc. Despite adopting diverse microstructures and functional materials, achieving skin sensor devices possessing high pressure sensitivity over a wide linear range and with multifunctional sensing capabilities is still challenging. Herein, inspired by the microstructures of fingertip skin, a highly sensitive skin sensor is demonstrated with a linear response over a broad pressure range and multifunctional sensing capabilities. The porous sensing layer is designed with hierarchical microstructures on the surface. By optimizing the porosity and the graphite concentration, a fabricated skin sensor device exhibits a superior sensitivity of 245 kPa^?1 over a broad linear pressure range from 5 Pa to 120 kPa. For practical application demonstrations, the sensor devices are utilized to monitor subtle wrist pulse and diverse human motions including finger bending, wrist bending, and feet movement. Furthermore, this novel sensor device demonstrates potential applications in recognizing textures and detecting environmental temperatures, thereby marking an important progress for constructing advanced electronic skin.     

Pressure Sensing and Electronic Amplification with Functionalized Graphite–Silicone Composite

A flexible yet electronically active composite that mimics mechanoreceptor neurons in the human skin is synthesized, generating voltage oscillations whose frequency increases with pressure. By encoding pressure into frequency, the sensor achieves a high pressure sensitivity (<10 Pa). The ability to sense pressure and to amplify signals arises from the robust negative differential resistance of functionalized graphitic flakes in silicone.     

Membrane‐Based Self‐Powered Triboelectric Sensors for Pressure Change Detection and Its Uses in Security Surveillance and Healthcare Monitoring

A new membrane‐based triboelectric sensor (M‐TES) is presented as a self‐powered pressure change sensor. It generates a voltage induced by surface triboelectric charges in response to an air pressure change. Extremely high detection resolutions of 0.34 Pa and 0.16 Pa are achieved when the air pressure increases and decreases in a small region away from the ambient standard atmosphere pressure, respectively, indicating an excellent sensitivity. By integrating the M‐TES with a signal processing unit, we demonstrate practical applications of the device in sensing footsteps, respirations, and heartbeat, which suggests widespread use of the M‐TES in fields of security surveillance, chemical engineering, geography research, environment monitoring, and personal healthcare.     

Diaphragm design guidelines and an optical pressure sensor based on MEMS technique

The design guidelines for micro diaphragm-type pressure sensors have been established by characterization of the relationships among diaphragm thickness, side length, sensitivity, and resonant frequency. According to the study, the thickness need to be thin and the side length need to be small in order to get the sensitive diaphragm with high resonant frequency. A Fabry-Perot based pressure sensor has been designed based on the guidelines, fabricated and characterized. In principle, the sensor is made according to Fabry-Perot interference, which is placed on a micro-machined rectangular silicon membrane as a pressure-sensitive element. A fiber-optic readout scheme has been used to monitor sensor membrane deflection. The experimental results show that the sensor has a very high sensitivity of 28.6 mV/Pa, resolution of 2.8 Pa, and up to 91 kHz dynamic response.     

Nano-WO3 film modified macro-porous silicon（MPS） gas sensor

We prepared macro-porous silicon（MPS） by electrochemical corrosion in a double-tank cell on the surface of single-crystalline P-type silicon.Then,nano-WO₃ films were deposited on MPS layers by DC facing target reactive magnetron sputtering.The morphologies of the MPS and WO₃/MPS samples were investigated by using a field emission scanning electron microscope.The crystallization of WO₃ and the valence of the W in the WO₃/MPS sample were characterized by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy,respectively. The gas sensing properties of MPS and WO₃/MPS gas sensors were thoroughly measured at room temperature. It can be concluded that:the WO₃/MPS gas sensor shows the gas sensing properties of a P-type semiconductor gas sensor.The WO₃/MPS gas sensor exhibits good recovery characteristics and repeatability to 1 ppm NO₂.The addition of WO₃ can enhance the sensitivity of MPS to NO₂.The long-term stability of a WO₃/MPS gas sensor is better than that of an MPS gas sensor.The sensitivity of the WO₃/MPS gas sensor to NO₂ is higher than that to NH₃ and C₂H₅OH.The selectivity of the MPS to NO₂ is modified by deposited nano-WO₃ film.     

一种钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器

为了提高光纤光栅应变传感器的应变响应灵敏度,提出了一种基于钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器.根据材料弹性模量的相关理论,该封装采用钛合金（TC4）作为封装材料;根据力学传递原理,该封装采用类似杠铃状的结构设计.这种封装能够使应变有效地传递到传感器内的光纤光栅上,从而很好地测量应变.通过实验得到其应变响应灵敏度、反射波长与应变的相关系数.实验证明,采用这种封装设计的传感器能够获得较高的应变灵敏度,其反射波长和应变具有很好的相关性.     

毛细石英管构成的高灵敏度光纤气压传感器

为实现高精度的气压测量,提出一种利用飞秒激 光微加工技术与光纤熔接技术制作的法布里- 珀罗(FP)干涉仪(FPI)型光纤气压传感器。利用波长800nm的飞秒 激光脉冲在毛细石英管侧壁上加工一微孔, 利用光纤熔接技术把毛细石英管熔接在一段单模光纤(SMF)和一段多模光纤(MMF)之间,制备 出一种光纤气压传 感器。通过改变传感器的FP腔内气压大小,导致FP腔内气体折射率改变,从而引起传感器 的透射 谱线性漂移,通过计算气压变化量与透射谱的谐振峰波长漂移量之间的关系就能够实现传感 器的气 压测量。理论分析了传感器实现气压测量的机理,实验测量了传感器的灵敏度。实验结 果表明, 传感器对周围气压变化的响应较大,透射谱的谐振峰波长随气压线性变化的灵敏度达到4.22nm/Mpa,而传感器对环境温度变化的响应很小,减少了温度对气压 测量的交叉感染。     

自适应光学数值仿真成像在GPU上的实现

在自适应光学(AO)系统中,成像是不可或缺的一部分。AO仿真系统中的探测器和哈特曼-夏克波前传感器的成像过程一般用二维的离散卷积来计算,而通常它的数值算法用快速傅立叶变换(FFT)实现。但是随着矩阵维数的增加,卷积的运算量会急剧增大,成为制约整个AO仿真效率的一个瓶颈。利用图形处理器(GPU)的强大计算能力,可以使成像系统运行速度大幅提高。在NVIDIA Tesla C2050 GPU上,针对不同分辨率的图像,获得了相对于串行程序5-24倍的加速比。     

MOEMS低频声传感器的设计与实验研究

MOEMS声传感器是MEMS技术、微光学技术、声传感技术相结合发展的新一代声音传感技术,具有灵敏度高、抗电磁场和射频干扰等优点。针对水下潜艇对空声预警涉及的高灵敏度、低频响应好、微型化声传感器整列,研究了反射光强度调制型MOEMS低频声传感阵元。对MOEMS低频声传感器膜片的振动特性进行了有限元分析,得出振动膜片的几何参数,并对反射光强特性进行了仿真和实验。采用设计的MEMS膜片、850 nm波长的LED光源设计并制作了MOEMS低频声传感器样机,通过实验表明,该传感器低频响应好,灵敏度可达200 mV/     

相消型介质参数变化测试传感器

为测量化学溶液由于温度、浓度等外在因素的变化而导致介电常数的微弱变化,设计了相消型介电常数微小变化测量传感器。该传感器依据幅度相同、相位相反的2路信号相消的原理进行设计。该装置主要包括1个同相威尔金森功分器和1个180o反相功分器,2个功分器用2条槽线相连形成2条支路,分别是参考支路与测量支路,待测物与参考物分别放在2条支路上。通过测量2条支路相消的情况来反映待测物与参考物之间介电常数的差异。仿真结果表明,与常规共面波导测量方法相比,该传感器在观测材料参数变化方面,其传输参数的幅值灵敏度提高了18 dB以上。