1 重庆理工大学智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心重庆市光纤传感与光电检测重点实验室，重庆 400054
2 眉山三苏祠博物馆，四川 眉山 620010
3 重庆自然博物馆，重庆 400711
为了实现相对湿度高灵敏、快速、准确的检测，本文提出了一种基于壳聚糖/聚乙烯醇/纳米碳粉复合物涂敷的光纤布拉格光栅湿度传感器。建立了传感器检测相对湿度的理论模型。实验研究了湿度敏感（简称湿敏）膜成分与厚度、温度及光辐射对传感器性能的影响。研究表明，当壳聚糖与聚乙烯醇中纳米碳粉掺杂的质量分数为10%、湿敏膜厚度为185 μm时，相对湿度在20%RH~90%RH（相对湿度单位）范围内传感器灵敏度达到57.7 pm/（%RH），响应时间为420 s，恢复时间为540 s。将传感器封装在黑色聚四氟乙烯毛细管内，且通过引入温度补偿光纤布拉格光栅（FBG-T）的方法对温度进行解耦后，在温度为5~65 ℃、光辐射波长为220~1200 nm、光辐射强度为50 mW/cm2时，传感器测量结果可免疫温度和光辐射的影响，测量结果准确性高、重复性好，且最大相对误差小于5.8%。
光纤布拉格光栅 湿度传感器 灵敏度 响应时间 准确度
1 重庆中国三峡博物馆馆藏文物有害生物控制研究国家文物局重点科研基地，重庆 400013
2 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室、智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400054
为了实现对纸质文物表面杂色曲霉生长过程的在线无损监测，研制了一种反射式光纤光谱传感器，该传感器由1根锥形入射光纤和6根接收光纤构成。首先建立了传感器测量纸质文物表面霉菌微生物的理论模型，接着表征了纸质样品表面杂色曲霉的形貌特征，最后利用传感器对纸质样品表面杂色曲霉的生长过程进行了在线监测。研究表明，该传感器能准确获得杂色曲霉的特征吸收峰（295 nm和390 nm），当杂色曲霉高度在101.1~596.0 μm范围时，传感器输出信号与杂色曲霉生长高度间具有线性关系，检测下限达到10 μm。
光纤光学 纸质文物 杂色曲霉 在线无损监测 光纤光谱 反射式传感器 灵敏度 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2306002
1 重庆理工大学 光纤传感与光电检测重庆市重点实验室 智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心, 重庆 400054
2 重庆理工大学 两江国际学院, 重庆 401135
3 重庆中国三峡博物馆馆藏文物有害生物控制研究国家文物局重点科研基地, 重庆 400013
为了稳定准确地检测甲醇蒸汽浓度, 该文提出了一种基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜的光纤Bragg光栅(FBG)甲醇传感器。首先使用氢氟酸腐蚀部分包层, 在栅区表面涂覆一层PMMA薄膜;然后构建测量系统, 建立了传感器检测甲醇蒸汽的理论模型;最后引入温度补偿单元, 消除温度对甲醇蒸汽浓度测量产生的影响。实验研究了PMMA薄膜厚度和温湿度对传感器灵敏度的影响, 测试了传感器的响应时间、选择敏感性和检测下限。研究结果表明, 在甲醇质量浓度为20~160 mg/L时, 传感器的中心波长漂移与浓度间具有线性关系(线性系数R2=0.992)。在温度20~40 ℃, 相对湿度40%~80%时, 传感器能够准确检测甲醇蒸汽浓度的变化, 其灵敏度为0.292 pm/(mg·L-1), 相对误差为9.3%, 检测下限为20 mg/L。
甲醇 聚甲基丙烯酸甲酯 光纤Bragg光栅(FBG) 温度补偿 灵敏度 检测 methanol polymethyl methacrylate fiber Bragg grating(FBG) temperature compensation sensitivity detection
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400054
2 重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054
为了提高光纤苯酚含量传感器的灵敏度和选择性，构建了一种新型苯酚含量表面等离子共振（SPR）光纤生物传感器。传感器主要由辣根过氧化物酶（HRP）修饰 SPR光纤和苯酚选择透过性膜构成。首先在光纤表面聚合聚多巴胺（PDA），用于吸附纳米金成膜并激发SPR效应，随后在金膜表面再次聚合聚多巴胺用于固定HRP，获得HRP修饰SPR光纤。β-环糊精掺杂PEBA2533苯酚选择性聚合物膜固定在HRP修饰光纤表面。水体中苯酚分子自由通过聚合物膜后，吸附在HRP表面，在过氧化氢（H2O2）协助下被氧化生成难溶聚合物，增大HRP膜的折射率，促进传感器共振波长发生漂移，提高其灵敏度。研究表明，传感器对苯酚含量的测量具有高选择性和高灵敏度；在传感器采样时间为300 s时，灵敏度和检测下限分别达到224.84 pm·mmol-1·L和159 nmol/L。
传感器 苯酚含量 辣根过氧化物酶 表面等离子共振效应 聚合物膜 光纤传感器 选择性 光学学报
2023, 43(12): 1228003
1 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
2 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
水质污染源的及时精确定位和精细化的污染防治措施是打赢水污染防治攻坚战的迫切需求, 为解决地表水实际水样高锰酸盐指数准确分类的实际问题, 以光谱降噪和光谱有效信息提取为切入点, 根据紫外-可见光谱数据的特点, 提出使用一维卷积神经网络处理紫外-可见光谱数据。 为验证检测一维卷积神经网络对地表水光谱信号分类的可行性, 选取长江的某段流域作为取样点。 采集当天的长江上游水、 某河水、 嘉陵江水, 生活污水、 500 mg·L-1邻苯二甲酸氢钾溶液来模拟污染水源。 将几种水样按不同的配比来模拟当天该流域的水污染变化情况。 采集现有的单一水样及混合配比水样的光谱数据, 根据各类水样的特征光谱信息进行区分, 实现地表水高锰酸盐指数的预测分类, 快速确定异常水样的污染来源, 通过仿真实验, 优化模型参数并完成优化训练。 与K最邻近法、 支持向量机等传统分类方法相比, 该算法在光谱预处理复杂度和定性分析准确度方面有较大优势, 在没有复杂的数据预处理前提下, 将获取的350条光谱数据建立水质分类模型, 随机选择其中245条数据作为训练集, 另105条数据作为测试集, 模型的混淆矩阵分类精度达99.0%。 不仅简化了整个光谱分析流程, 而且能保留更多的有效光谱信息, 减小人为预处理对紫外-可见光谱数据的影响, 实现地表水高锰酸盐指数的准确分类。 实验结果表明该方法可对不同水体水样进行准确分类, 快速定位污染源, 为无法激发荧光的污染物溯源提供了科学依据, 为与三维荧光技术辅助配合快速精确定位地表水污染源提供了可能, 同时表明了深度学习在紫外-可见光谱法测量实际水样领域有着巨大的应用潜力和研究价值。
水质 紫外-可见光谱 一维卷积神经网络 分类 Water quality UV-Vis spectrum One-dimensional convolution neural network Classification
1 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
2 重庆大学微电子与通信工程学院，重庆 400044
3 重庆市铜梁区环境保护局，重庆 402560
提出了一种基于MobileNetV2和VGG11组分拟合（CF-VGG11）卷积神经网络（CNN）与平行因子分析（PARAFAC）结合的水样分类和荧光组分拟合方法，通过输入单个三维荧光光谱（3D-EEM）数据来预测水样类别、溶解性有机物（DOM）质量浓度等级和荧光组分。算法以PARAFAC结果为基础建立荧光光谱数据集，分两步完成类别与组分的预测：第一步使用MobileNetV2算法对不同水样进行类别预测和DOM质量浓度分级；第二步使用CF-VGG11网络拟合荧光组分。采集地表水、工业废水处理水、污水处理厂进出口水和乡村饮用水4种类型的水样构建数据集，获得了95.83%的分类精度和98.11%的组分拟合精度。实验结果表明，所提方法可对不同水样和DOM质量浓度等级进行准确分类，拟合特定荧光组分，精确定位污染源，并能进行超标预警。
光谱学 三维荧光光谱 水污染 分类 卷积神经网络
1 重庆理工大学, 重庆市光纤传感与光电检测重点实验室, 重庆 400054
2 重庆中国三峡博物馆, 馆藏文物有害生物控制研究国家文物局重点科研基地, 重庆 400015
3 重庆第二师范学院, 重庆 400065
受保存条件影响, 很多纸质文物表面会形成狐斑(foxing), 如果不能进行有效监测和科学判断, 会进而影响纸质文物安全。 纸质文物狐斑病害检测存在滞后性、 主观性等问题, 对于书画藏品被墨色、 颜料及印章等覆盖的区域更是难以通过肉眼进行识别, 因此, 基于文物的预防性保护理念, 亟待开发对于狐斑高效、 精确识别的无损检测技术。 可见光-近红外高光谱图像结合了光谱和图像, 包含丰富的空间信息与光谱信息, 可以实现无损批量地平面采集样本光谱信息。 该研究提出一种基于高光谱成像技术检测纸质文物狐斑的快速识别方法, 获取模拟纸质文物在360~970 nm的高光谱图像, 因360~450 nm受噪声影响过大, 所以选择剔除这部分光谱数据; 选取感兴趣区域并获取相应的平均光谱反射率, 比较健康区域与被狐斑感染区域, 发现两者的光谱曲线存在差异; 在450~600 nm附近, 受狐斑影响区域比健康区域的光谱反射率偏高, 并在600 nm附近出现波峰形态; 而在600~900 nm范围内, 被感染区域与健康区域的光谱都趋于平稳, 两者之间差异逐渐减小。 选取从特征波长对应的图像中提取的特征信息建立图像识别模型, 运用波段运算观察狐斑图像特征, 狐斑的大小和分布情况都能清晰地显示, 但与印章和墨迹重叠部分, 狐斑被印章和墨迹遮盖, 难以识别; 利用最小噪声分离, 虽然不同部分有重叠, 但能发现仅凭肉眼难以识别的隐藏的狐斑; 180条高光谱数据(450~970 nm)建立狐斑判别模型, 随机地分为120条数据为训练集, 60条数据为测试集, 应用K-近邻法与BP神经网络建立纸质文物狐斑光谱判别模型, 总体上两种方法对狐斑判别率分别达到73.3%和85%; BP神经网络相较于K-近邻模型, 总体判别率更高, 识别效果也更好。 结果表明, 利用高光谱成像可高效准确识别纸质文物狐斑, 为后续研究狐斑分布发展提供可靠的技术手段, 也为博物馆馆藏文物的保存提供指导意见。
纸质文物 狐斑 高光谱图像 光谱 机器学习分类 Paper cultural relics Foxing Hyperspectral images Spectrum Machine learning classification 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1567
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400054
2 重庆理工大学两江国际学院，重庆 401135
为了定量检测气液两相流中气泡尺寸（气泡截面直径）、气泡频率、气泡上升速率，提出一种光纤光谱气泡特征参数定量检测方法。首先，采用近红外光纤光谱仪、平凸透镜、多模石英光纤、高速摄像机、气液两相流管道、注射泵等构建了气泡特征参数光学检测系统。然后，建立了光纤光谱定量检测气液两相流中气泡尺寸、频率、速率的理论模型，采用Zemax软件仿真分析了光学测量系统的光路传输路径。最后，实验研究了光学测量系统对气泡特征参数定量检测的性能。研究表明，所提出的气液两相流中气泡特征参数检测方法可同时定量检测气泡尺寸、频率和速率，对气泡尺寸、频率、速率检测的最大相对误差分别为9.8%、8.1%和8.7%。
光谱学 气液两相流 气泡尺寸 气泡频率 气泡速率 光纤光谱 定量检测 光学学报
2022, 42(20): 2030002
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室、智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心, 重庆 400054
2 重庆理工大学两江国际学院, 重庆 401135
为了实现对H2O2浓度选择性、准确的检测,研制了一种基于辣根过氧化物酶(HRP)的光纤倏逝波生物传感器。首先采用氢氧化钠溶液对去除部分纤芯的抗紫外石英光纤进行羟基化,接着利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化,其次将光纤浸入戊二醛溶液中进行醛基交联,再次将光纤移入对H2O2具有选择催化性的HRP溶液中进行HRP分子固定,最后将固定有HRP的光纤在室温下晾干,即可获得HRP固定化光纤生物传感器。实验研究了戊二醛、HRP的浓度和固定时间、H2O2溶液的温度对传感器灵敏度的影响,测试了传感器的响应时间、选择敏感性及检测下限,建立了传感器的理论模型。研究结果表明,传感器对H2O2有高选择敏感性,在4~20 μmol·L -1的H2O2浓度范围内传感器的输出信号与浓度间具有线性关系,灵敏度达到-8.164×10 -4 μmol -1·L,相对误差为7.59%,检测下限达到4 μmol·L -1。
光纤光学 过氧化氢浓度 辣根过氧化物酶 倏逝波 光纤传感器 选择性 灵敏度 光学学报
2022, 42(10): 1006001
1 重庆理工大学电气与电子工程学院光纤传感与光电检测重庆市重点实验室, 重庆 400054
2 重庆理工大学电气与电子工程学院智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心, 重庆 400054
3 重庆理工大学两江国际学院, 重庆 401135
为消除工质成分和折射率(RI)对液位测量准确性的影响,利用低包层RI侧发光塑料光纤、反射镜、光纤固定杆和空气密封装置构建了反射式液位光纤传感器。首先,从理论及实验角度研究了光纤包层折射率对不同工质及不同折射率的同种工质液位测量的影响。然后,为了提高传感器灵敏度,研究了光纤螺旋直径和螺距对传感器灵敏度的影响。最后,研究了液位变化速率和工质温度对传感器响应特性的影响。研究结果表明,当工质RI大于光纤包层RI、液位变化速率为10~100 cm/min、工质温度变化范围为10~70 ℃时,传感器的输出与液位间具有线性关系。此外,测量结果不受工质成分、RI及工质液位变化速率的影响,传感器灵敏度可达0.0101 cm -1,最大相对误差小于6.85%。
光纤光学 塑料光纤传感器 液位 反射式 螺旋结构 准确测量 灵敏度
