1 南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子学院，南京 210023
2 江苏省特种光纤材料与器件制备及应用工程研究中心，南京 210023
锂电池内部的应力和温度变化难以监测是影响电池安全运行的最大隐患，提出采用光纤布拉格光栅传感技术，在锂电池内部植入光栅对电池阳极的温度和应力变化信息进行实时采集，实现了对锂离子电池阳极的原位监测，建立了电信号与光学传感信号之间的联系。实验结果表明，锂电池工作循环中，锂离子的脱嵌和嵌入会引起温度变化，对应传感器波长偏移达100 pm，温度上升11.1 ℃；在排除温度因素的影响后，循环电流的跳变会引起阳极收缩，产生的应力使波长漂移达21.96 pm，约为18.3 με。此外，研究了不同充放电速率对电池的影响，10 mA电流比2.5 mA电流时温度提高了2.8倍，应力提高了4.4倍。所植入光栅监测系统既可以高精度地测量电化学反应引起的温度、应力变化，同时解调速度快，有利于实时、准确监测锂电池的热失控及形变鼓包故障，研究结果有望为锂电池的安全使用提供有效的实验依据。
锂电池 光纤布拉格光栅 温度 应力 原位监测 Lithium battery Fiber Bragg grating Temperature Stress In-situ monitoring
1 武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学光纤传感技术与网络国家工程研究中心，湖北 武汉 430070
3 上海大学材料基因组工程研究院，上海 200444
4 日照武汉理工大生物医药暨新材料研究院，山东 日照 276826
锂离子电池运行期间尤其在高放电倍率下产生的热量会导致温度大幅上升，仅仅依赖于单体电池表面的温度监测不能为电池管理系统提供最准确、最可靠的传感数据。对锂离子电池原位监测是防止锂离子电池热失控的最有效的方法之一，将传感器置于锂离子电池的热源核心处，可第一时间感知温度变化。在18650圆柱体锂离子电池内部中心处埋入光纤复合温度传感器，利用同一根光纤上的法布里-珀罗空气腔消除布拉格光栅传感机理固有的温度与应力交叉敏感，实验结果表明，在电池充放电阶段可以实时监测电池内部温度变化，光纤传感器与电池内部电芯相容性较好，可以满足大尺度锂离子电池集成组件的健康状态长期监测。
光纤光学与光通信 光纤传感 锂离子电池 法布里-珀罗干涉 布拉格光栅 原位监测 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1706005
1 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
2 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035
翘曲变形与开裂是激光沉积制造大型整体结构的瓶颈，限制了该技术的发展。为解决这一难题，笔者基于表面形貌监测系统提出了一种翘曲变形原位检测及开裂预测新算法。通过坐标系校准、滤波降噪、曲面重构等实现了原位检测与数据预处理，采用旋转切片和平行切片两种方案求取切片与重构表面的交线，计算交线的翘曲角与翘曲角变化量，根据翘曲阈值与开裂阈值判定翘曲变形并预测开裂。设定的阈值与制件尺寸呈反比关系，与翘曲度呈正比关系。实验结果表明：翘曲样件X向的最大翘曲角为3.98°，且该方向所有交线的翘曲角均超出了翘曲阈值（3.27°），判定发生翘曲变形；薄壁件开裂影响区内翘曲角的最大值在第46~51层呈连续正增长趋势，翘曲角变化量为1.58°，且80%的交线的翘曲角变化量超出了开裂阈值（1.53°），判定即将发生开裂，继续沉积至第55层时出现开裂。通过实验证实了所提算法检测翘曲与预测开裂的有效性，对激光沉积制造技术的发展具有重要意义。
激光技术 激光沉积制造 翘曲检测 开裂预测 原位监测 中国激光
2023, 50(16): 1602105
1 江苏省扬州环境监测中心, 江苏 扬州 225100
2 扬州大学环境科学与工程学院, 江苏 扬州 225009
针对当前地表水体有机污染的原位快速监测需求, 提出一种基于三维荧光光谱技术的水质指标预测模型和水质等级快速判断方法。 以扬州市域内多种地表水体的水质监测数据作为模型训练样本, 充分利用水体三维荧光光谱信息, 结合线性支持向量回归算法(LIBLINEAR), 建立了与化学需氧量(CODCr)、 高锰酸盐指数(CODMn)、 氨氮(NH3-N)、 总磷(TP)、 总氮(TN)和五日生化需氧量(BOD5)6项有机污染相关水质指标的预测模型。 研究结果表明, 6项指标预测模型的训练集和测试集决定系数R2均大于0.73, 预测值与国标及行业标准方法分析结果的相关系数r达到0.9以上。 利用水质指标预测结果进一步判断有机污染指标相关水质等级, 黑臭水体识别率达86%, 对Ⅲ类~重度黑臭共6个水质等级的分类准确率为60%。 结果说明该方法通过水体三维荧光光谱信息预测水质有机污染指标具有较好的准确性和精度, 为广域时空尺度地表水的高效原位监测提供了一种新的解决方案。
三维荧光光谱 线性支持向量回归 水质指标 水质等级 原位监测 EEM spectrum Linear support vector regression Water quality indexes Water quality grade In situ monitoring 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2839
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室(中国科学院上海高等研究院), 上海 201210
通过在锂离子电池内部埋入分布式光纤温度传感器,实现了对电池内温度场的实时分布式原位监测,并对其运行健康状态进行了预警和评估。根据锂离子电池结构设计模型,理论上模拟分析了不同运行环境下锂离子电池内温度场的分布状态和演化规律。基于此,选取特征温度点(正负极耳、中心点)优化传感器的布设位置,实现各种情况下温度场的准确测量,基于性价比给出传感器的优化组合,减少了传感器使用数量,降低了布设工艺的难度及解调设备的成本。在实验中埋入分布式级联的光纤光栅温度传感器,对模拟分析结果进行了验证。实验结果表明,随着外界环境温度的上升,各特征点温度都随之上升,但上升速率整体变小,而中心温度点具有较快的温升效应,实验结果与理论结果一致。该方法为未来大尺度锂离子电池集成组件健康状态的原位监测提供了技术参考和实施方案。
光纤光学 光纤原位监测技术 锂离子电池 内温度场 健康状态监测 中国激光
2020, 47(12): 1204002
1 商洛学院 化学工程与现代材料学院, 陕西 商洛 726000
2 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 陕西 商洛 726000
3 南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心, 江西 南昌 330047
MOCVD原位红外测温方法主要有单色辐射测温法与双波长比色测温法。利用薄膜等厚干涉模型与Kirchhoff定律计算了Si (111)衬底生长10 μm GaN外延片的940 nm、1 550 nm光谱发射率, 以Thomas Swan CSS MOCVD为例, 比较了500 ℃至1 300 ℃范围内, 940 nm单色辐射测温法、1 550 nm单色辐射测温法、940 nm与1 550 nm双波长比色测温法的相对误差和相对灵敏度, 以及单色辐射测温法与双波长比色测温法的校准修正, 并利用940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在线监测了Si (111)衬底生长InGaN/GaN MQW 结构LED外延片过程中的温度。研究表明: 940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在相对误差及有效探测孔径修正校准上优于940 nm单色辐射测温法和1 550 nm单色辐射测温法, 该结论可为MOCVD原位红外测温设备开发提供参考。
原位监测 红外测温 比较研究 MOCVD MOCVD in situ monitoring infrared radiation thermometry comparative study
1 中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系, 安徽 合肥 230023
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
浮游植物生长状态监测以叶绿素荧光为基础,利用叶绿素荧光技术可以获得有关光系 统II的大量信息。以蓝藻和绿藻为主要研究对象,采用两个450 nm蓝光LED分别用于激发本底荧光Fo和使样本 处于光适应状态,利用超高亮激光二级管作为饱和脉冲光源获得最大荧光Fm。利用自行搭建的系统测量正常光照 培养和对照组放置于暗室浮游植物样品的光化学反应效率Yield,研究了不同光适应状态下的最大相对 电子传递速率ETRmax、光能利用效率α和光损伤参数β,并记录了完整的荧光诱导曲线和光响应曲 线,实现了浮游植物生长状态的测定。
浮游植物 叶绿素荧光 光合作用 原位监测 phytoplankton chlorophyll fluorescence photosynthesis monitoring in situ
1 国土资源部天然气水合物重点实验室, 青岛 266071
2 青岛海洋地质研究所, 青岛 266071
3 中国海洋大学光学光电子实验室, 青岛 266100
介绍了常见的几种类型气体水合物的拉曼光谱特征, 从水合物晶体结构、生成和分解动力学过程、自然界水合物的分析鉴定及激光拉曼光谱原位探测等几方面对天然气水合物拉曼光谱研究的最新进展进行了综述, 探讨了激光拉曼光谱技术目前存在的问题与挑战, 指出了其在天然气水合物研究方面的发展趋势与工作重点。
拉曼光谱 天然气水合物 笼型结构 生成分解动力学 原位监测 Raman spectroscopy Gas hydrate Clathrate structure Formation and dissociation kinetics In-suit detection
