针对光纤温度传感装置普遍结构复杂且灵敏度偏低的问题, 文章提出并仿真验证了一种具有高灵敏度的椭圆形气孔温度传感装置。利用表面等离子体技术与光纤温度传感技术相结合实现温度传感。在光纤外侧包覆一层金属膜, 待测物质使用氯仿酒精混合物作为温度感应物质, 通过有限元矢量软件COMSOL进行模拟仿真。仿真结果表明, 当入射波长由0.5 μm增加到1.0 μm时, 其温度测量区间为-20~120 ℃, 可以得到最大光谱灵敏度6 nm/℃, 分辨率为1 337.12 RIU-1, 测量精度为2.85×10-5 RIU。

通过在非线性光子晶体光纤的两个特定包层气孔内侧镀甲烷气敏薄膜,实现了一种基于简并四波混频效应的甲烷测量新方法,该方法通过建立光纤中斯托克斯光谱、反斯托克斯光谱的移动与甲烷浓度变化的直接联系来实现对甲烷气体的实时精准检测。实验结果证明,传感器的灵敏度与气敏膜厚度、泵浦波长密切相关。在同一泵浦波长下,随着气敏膜厚度增加,传感灵敏度相应增加;当气敏膜厚度保持不变时,泵浦波长越接近零色散波长,传感灵敏度越高。经过结构参数优化,最终斯托克斯光谱和反斯托克斯光谱所对应的气体传感灵敏度分别达到了-4.87 nm/%和2.83 nm/%。相关测量原理同样适用于其他气体的精准测量和混合气体的组分分析。

通过在完整三角晶格空气孔型光子晶体平板中引入两条空气槽型波导,并在槽型波导中引入折射率随甲烷气体浓度变化的敏感薄膜,设计并优化了一种甲烷与温度双参量传感器。建立光子晶体波导传感分析模型,利用平面波展开法、等效折射率方法、时域有限差分法对甲烷和温度的传感特性进行了理论分析。结果表明,两条传感通道的通带峰值中心波长会随甲烷气体浓度增加发生线性蓝移,而随温度增加出现线性红移。其中,通道1的甲烷传感灵敏度能达到0012 nm,温度传感灵敏度达到169 nm／℃,通道2的甲烷传感灵敏度能达到0010 8 nm,温度传感灵敏度达到166 nm／℃,同时结合双参数矩阵法正好能解决传感交叉敏感问题。

煤粉气力输送的细度检测对磨煤机工作状态的最优控制具有重要的意义。 传统的检测方法多采用抽检取样法, 通过分样筛等设备检测样品的细度, 耗时长且操作复杂。 国内外对细度地快速检测也有部分研究成果, 但所测粉体浓度须较低, 且设备稳定性还有待提高。 太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的无损检测技术, 其低能性、 选择透过性、 相干性等特点使它具备其他光谱测量方法没有的优势。 国内外对太赫兹辐射与颗粒介质相互作用的研究表明, 太赫兹波对颗粒介质的细度具有显著敏感性, 因此通过太赫兹波检测煤粉细度具有可行性。 太赫兹波在高浓度颗粒介质的传播可以被看成是一个非线性动力过程, 这个过程包含了复杂的非线性动力学效应, 导致光谱测量结果具有混沌特征。 将非线性动力系统的概念应用到太赫兹时域光谱信号的分析中, 将太赫兹时域光谱信号视为由复杂非线性动力系统产生的时间序列进行特征分析。 实验中将煤样研磨并筛分为<38.5, 55~74, 74~88, 88~105和105~200 μm六种细度, 并将煤粉与HDPE混合后压制成样品片。 分别提取了的煤粉样品太赫兹时域光谱信号的功率谱熵、 小波能量熵、 盒维数、 关联维数、 偏度和峭度作为太赫兹时域光谱的混沌特征, 通过比较发现这些混沌特征与细度变化具有一定的相关性, 从视觉上可以大致区分出细度范围, 但无法进行定量分析。 支持向量机常用来解决小样本和非线性的分类问题, 但是需要选择合适的参数才能建立较为准确的预测模型。 文中引入粒子群算法来优化支持向量机建模参数选择。 将上述提取的混沌特征向量作为粒子群算法优化的支持向量机的输入变量, 以分样筛筛孔作为回归目标, 对所测量煤粉细度建立回归模型。 实验结果表明利用混沌特征建立的回归模型对<38.5和38.5~55 μm样品的预测结果要逊色于消光谱建模的回归结果, 认为这是因为煤粉细度小, 太赫兹波在样品中传播时与煤粉颗粒相互作用也比较弱, 时域信号的混沌特征表现不明显所导致。 对55~74, 74~88, 88~105和105~200 μm煤粉样品细度的预测结果要明显优于频域消光谱建立的模型, 特别是74~88和105~200 μm样品, 校正集均方根误差相对于消光谱分别下降了29.48%和26.14%, 预测集误差分别下降了88.62%和56.86%。 从预测结果整体上来看, 采用混沌特征建模的预测结果与目标细度的相关系数为0.9618, 消光谱建模的预测结果相关系数仅为0.78。 混沌特征建模的均方根预测误差仅为9.52, 消光谱建模的均方根预测误差为24.48。 同时采用混沌特征的建模时间相对于消光谱的建模时间下降了43.19%。 研究结果为太赫兹时域光谱技术在高浓度煤粉气力输送细度检测上的应用提供了科学依据和参考。

为了实现远端多节点的高效检测并降低成本, 设计了一种新颖的分布式光纤气体传感系统。该系统采用共享一个工作于特种波长的分布反馈半导体激光器, 将其置于一个本地控制节点内并通过双向光纤链路串联各远端检测节点, 同时使用特殊设计的远端节点结构和光纤段, 在每个检测节点, 用两个Y型耦合器接入气室, 将系统中信号分为上行流和下行流, 避免来自其它节点信号影响并直接实现时分复用; 并以三节点系统的瓦斯体积分数检测为例进行数值计算和实验。结果表明, 激光二极管占总成本比重可由约60%降至约38%, 且增加循环检测次数能使各节点测定气体体积分数的相对误差降低, 首个节点的相对误差可降至0.2%以下, 甚至更低, 该方案能够精简高效地实现共享光源的分布检测。

设计了一种远程多点光纤传感系统用于大范围对象测量,其结构为一个本地控制节点通过双向光纤链路串联所有远端传感节点。在本地控制节点共享光源、光电检测器等光电器件,并结合虚拟仪器实现数据处理电路;而远端传感节点仅包含敏感元件、无源光器件构成的光路,并能直接实现时分复用。以3节点系统的甲烷气体检测为例进行实验和计算,结果证明该方案能够有效工作,通过循环检测可使首个传感节点的相对误差降至0.2%以下。