1 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
针对迷你无人飞行器（mini-UAV）探测难度大的问题，仿真设计并制作了谐振频率接近mini-UAV噪声特征频率的硅基微机电系统（MEMS）轮形振膜，结合精密机械加工制作了光纤法布里-珀罗干涉式声传感器。测试结果表明，该光纤声传感器的谐振频率为7.279 kHz，与仿真结果基本一致，其在频率为7 kHz声波正入射的条件下的灵敏度为1.8 V/Pa，信噪比为71 dB，最小可探测声压为99 μPa/Hz0.5。值得强调的是，该声传感器对声波的响应呈现“8”字形的方向依赖性，表明其具有识别声源方向的能力。进一步在户外测试了该光纤声传感器对mini-UAV的探测能力，结果表明，声传感器能够在65 m的范围内探测到mini-UAV噪声，其探测距离是商用驻极体声传感器的3倍左右。所研制的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器为解决实践中mini-UAV探测难的问题提供了一种简单有效的工具。
传感器 光纤声传感器 MEMS轮形振膜 迷你无人飞行器探测
1 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144
研制了一种光栅干涉集成麦克风，其传感核心尺寸为0.93 mm×0.34 mm×2.50 mm（体积小于0.8 mm3），并且具有基于波长调谐实现控制工作点的功能。针对光栅干涉仪集成化设计问题，系统分析了激光器发散角对麦克风性能的影响。提出了集成型光栅干涉仪的设计指导，制作出了光栅干涉集成麦克风探头，探头整体尺寸为10.0 mm×10.0 mm×2.5 mm，并进行了实验测试。实验测试结果表明，该探头在50~300 Hz的低频范围内具有平坦的频率响应曲线，灵敏度为-33.11 dBV/Pa @ 251.2 Hz，在低频噪声监测领域有着广阔的应用前景。
光学器件 光栅 麦克风 垂直腔面发射激光器 微机电系统
1 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
3 中国科学院大学光电学院, 北京 100049
听觉感知是移动机器人不可或缺的功能, 传统电声式麦克风灵敏度较低、易受电磁干扰, 致使移动机器人听觉感知能力较差, 使用受到很大限制。采用自制的Fabry-Perot干涉式(FPI)光纤麦克风代替电声式麦克风, 在市售移动机器人平台上构建了四元十字型光纤麦克风阵列, 设计了基于FPGA的信号处理与声源定位算法程序, 实现了机器人听觉感知与被动式声导航功能。介绍了FPI光纤麦克风的工作原理, 测试并比较其与市售驻极体麦克风的灵敏度; 优化了基于FPGA的声达时差(Time Difference of Arrival, TDOA)定位算法, 完成了移动机器人搭载声源定位系统的设计与集成。实验表明移动机器人搭载的光纤麦克风声源定位系统具有水平全向声源定位功能, 在平均距离为6.60 m的情况下, 室内定位方位角平均误差为1.54°、距离平均误差为0.09 m; 室外定位方位角平均误差为1.84°、距离平均误差为0.16 m, 具有较高的精确度与稳定性; 且移动机器人均能准确到达声源处完成声导航功能, 具有很强的实用性与广阔的应用前景。
光纤 麦克风 声源定位 听觉导航 移动机器人 阵列 fiber microphone sound source localization acoustic navigation mobile robot array
表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、 无需标记、 可原位实时监测的特点, 被广泛应用在生物医学、 化学检测、 食品安全、 环境监测等领域。 对于波长调制型SPR传感器, 由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同, 从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰, 影响到实验检测结果。 为消除这种影响, 提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法, 并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。 通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线, 将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱, 进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。 相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱), 此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势, 从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。 随后基于拟合误差最小化的目标, 对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。 实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱, 使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm, 表明此方法的光谱峰形优势具备普适性; 连续采集了4 000组光谱并计算共振波长, 其相对标准偏差为0.007 8%, 处理速度为每个光谱12 ms, 表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性; 测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱, 其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5, 品质因数为传统校正方式的3倍, 表明此方法具备良好的可靠性, 并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能, 相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式, 处理简便, 效果更突出。 结果表明, 基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、 运算速度快、 分辨率高、 抗噪声、 品质因数高等特点, 能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。
SPR传感 基于辐射度的光谱校正 自适应拟合 共振波长 SPR sensing Radiation-based spectral correction Self-adaptive fitting algorithm Resonance wavelength determination
1 北京工业大学信息学部光电子技术省部共建教育部重点实验室, 北京 100124
2 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室, 北京 100190
3 中国科学院大学, 北京 100049
提出一种基于集成光波导沟槽耦合器的超紧凑折射率传感器。该结构包括入射波导、反射波导及透射波导,亚微米宽的沟槽位于入射波导与反射波导的交汇处。入射波导中的导波光在沟槽侧壁发生受抑全内反射,使得一部分光经消逝场耦合进入透射波导,另一部分光被反射进入反射波导。透射光强度取决于消逝场耦合效率,而后者依赖于沟槽填充物的折射率,这意味着这种集成光波导沟槽耦合结构可作为微纳传感器用于实时探测液体折射率或溶液浓度。以氮化铝脊型波导为例,对这种新型折射率传感器进行仿真设计和仿真验证,经过结构优化,其折射率灵敏度可达207.05 %/RIU。
集成光学 沟槽耦合器 受抑全内反射 折射率传感 光学学报
2020, 40(24): 2413001
1 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
设计并制作了一种基于光纤干涉仪的低频声传感器,用于检测频率小于20 Hz的次声信号。该传感器利用厚度为5 μm,半径为1/2 inch(1 inch=2. 54 cm)的圆形镍膜作为振膜,该振膜被平整地固定在金属腔体的一个端口,呈周边拉伸式。伸入腔室的单模光纤的端面与振膜内表面构成一个非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(EFPI),用于检测由声音导致的振膜的振动。为了优化传感器性能,基于弹性力学原理和有限元仿真软件,分析了振膜预应力和振膜厚度对传感器一阶谐振频率的影响。仿真结果表明在一定的膜厚范围内,一阶谐振频率对预应力非常敏感而对膜厚不敏感。利用B&K 4193-L-004型标准声传感器和42AE型标准次声发射腔对所制光纤次声传感器进行了测试,结果表明该传感器在0.1~20 Hz范围内具有良好的频率响应特性,对1 Hz声波的灵敏度高达285 mV/Pa。
光纤光学 低频声传感器 光纤非本征法布里-珀罗干涉仪 高灵敏度 有限元仿真 激光与光电子学进展
2019, 56(15): 150603
1 中国科学院电子学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
采用射频溅射技术在平板玻璃基底上淀积约60 nm厚的金银合金薄膜,然后在室温下通过化学脱合金法形成附着力强、大面积均匀的纳米多孔金膜(NPGF)。利用自建的宽光谱表面等离子体共振(SPR)检测平台获得了暴露于空气中的NPGF在可见-近红外波段的共振光谱,利用菲涅耳公式结合Bruggeman介电常数近似方程拟合实验结果,得到NPGF的孔隙率约为0.38。研究了NPGF-SPR传感器对不同浓度水溶液中的Pb
2+离子和三聚氰胺的响应特性,结果表明该传感器能够对水溶液中浓度为1 nmol·L
-1的Pb
2+及三聚氰胺作出明显响应。对比实验显示NPGF-SPR传感器的灵敏度远高于常规的致密金膜SPR传感器。
传感器 纳米多孔金薄膜 表面等离子体共振 孔隙率 高灵敏度
1 中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京100049
3 广东工业大学 机电工程学院, 广东 广州 510006
本文报道了一种基于色相算法的彩色表面等离子体共振(SPR)成像传感器, 该传感器不仅能够对发生于SPR芯片表面的物理化学反应进行直观的图像观测, 还能基于色相算法对这些表面反应进行定量分析。利用自制的波长/图像同步检测型SPR传感器, 实验获得了不同共振波长对应的共振图像, 然后借助色相算法求得每一幅共振图像对应的二维色相分布及其平均色相, 建立了共振波长与图像平均色相的依赖关系, 用于优化基于色相参数的SPR折射率灵敏度。实验选择起始共振波长为650 nm, 测得基于色相的折射率灵敏度为3 338/RIU, 是基于共振波长的折射率灵敏度的1.49倍。利用彩色SPR成像技术能够直观地观测到金膜表面涂布的聚四氟乙烯薄膜的不均匀性, 再通过计算图像局部区间的平均色相, 可以定量获得不同薄膜厚度对应的折射率灵敏度。实验结果证明了基于色相算法的彩色SPR成像传感器明显优于常规SPR传感器。
彩色表面等离子体共振成像 共振波长 色相 厚度不均匀性 折射率灵敏度 color surface plasmon resonance imaging resonance wavelength hue inhomogeneity of the thickness RI sensitivity
中国科学院 电子学研究所 传感技术联合国家重点实验室,北京 100190
研制了基于气相可逆比色法的小型水样氨氮自动光学检测装置样机,该装置主要由样品室、测试室、自动进样模块和数据处理与控制电路组成。以不同浓度氯化铵水溶液作为氨氮样品测试了样机性能,建立了样机吸光度与氨氮浓度的线性依赖关系式;通过比较样机对氨氮标样的测试值和样品标准值,验证了样机的可靠性。研究结果表明,该样机能够在室温下对水样氨氮进行连续长时间的自动检测,具有较好的测试重复性,探测极限约为0.04 mg/L(以N计),低于国家标准对一类水的检测上限(0.15 mg/L,以N计)。该装置体积小,重量轻,成本低,功耗小,自动化程度高,无需对水样进行复杂预处理,适合水环境现场的快速检测。
氨氮测定仪 自动化测试 气相比色法 水污染 ammonia nitrogen measuring instrument automatic detection gas-phase colorimetry water pollution 光学 精密工程
2014, 22(10): 2598
