1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海201620
2 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海201620上海艾为电子技术股份有限公司，上海201199
为了提高双稳态压电电磁复合能量采集器(BPEEH)的能量转换性能和转换效率，该文在典型BPEEH的基础上，提出了一种新颖的三稳态压电电磁复合能量采集器(TPEEH)。与传统的BPEEH相比，其兼有一个新颖的电磁发电装置，进一步构成三稳态系统。该文通过对TPEEH结构装置建立数学模型，进行了数值分析，并得到该采集器系统的势能变化函数。在此基础上，通过实验验证了外界激励频率、磁铁间距及电路负载电阻对该采集器输出电压和功率的影响。实验结果表明，当磁距为16 mm，外部磁间距为26 mm，外部激励频率为10.2 Hz时，TPEEH采集器有最大的输出电压(为6.348 9 V)，同时在外部负载电阻为500 Ω时，采集器获得最大输出功率(为0.08 W)。与传统的BPEEH采集器相比，TPEEH采集器的采集谐振频率低，采集频带宽，输出电压和功率高，从而提高了能量转换性能和效率。
压电 电磁 三稳态 数学模型 复合能量采集器 piezoelectric electromagnetic tristable mathematical model composite energy harvester
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
为研究中红外波段的片上波导传感性能，针对2 172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线，提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律，通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构，优化了光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。仿真结果表明，光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%和115.65%。对两种传感器进行计算和性能评估，得到两种传感器的传输损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm，最佳波导长度分别为72 μm和162 μm。设定探测器最小可检测信噪比为10，得到两种传感器的最小可检测气体浓度分别为9.13×10-6和8.51×10-6。讨论了波导传输损耗对传感器性能的影响，若能有效降低波导损耗，可进一步降低最小可检测气体浓度。对比两种传感器，光子晶体波导具有更大的功率限制因子，脊形波导具有低传输损耗和横磁模兼容性的优点。
波导传感器 中红外 吸收光谱 气体传感器 光子晶体波导 脊形波导 Waveguide sensor Middle infrared Absorption spectrum Gas sensor Photonic crystal waveguide Ridge waveguide 光子学报
2023, 52(10): 1052414
光子学报
2023, 52(10): 1052407
光子学报
2023, 52(10): 1052402
1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 上海 201620
2 上海工程技术大学 工程实训中心, 上海 201620
针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题, 该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型, 并制作了实验样机, 研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下, 磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明, 随着磁极对间距减小, 带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱, 由此确定最佳磁极对间距为12 mm, 谐振频率为18 Hz, 最大输出均方根电压达到12.01 V, 采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz, 工作带宽达到7 Hz, 带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带, 在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。
非线性磁力 双稳态 共振频率 压电能量采集器 异形孔 nonlinear magnetic bistable resonant frequency piezoelectric energy harvester shaped hole
1 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，吉林 长春 130012
制备了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的梯形光波导甲烷传感器，采用片上波长调制光谱技术，开展了气体检测实验，将仿真结果与实验结果进行了对比，证明了基于波长调制光谱的仿真模型的准确性。狭缝波导是常用的非悬浮波导气体传感器结构，优化了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的狭缝波导传感器结构，外限制因子达到了42%。根据实验测试得到的噪声幅值，理论研究了狭缝波导气体传感器和波长调制光谱技术结合的性能，分析了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。本工作为基于波长调制光谱的片上气体传感器的设计提供了指导。
光波导 波长调制光谱 片上集成 光波导传感器 气体传感器 光学学报
2023, 43(18): 1899913
1 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，吉林 长春 130012
甲烷(CH4)是天然气的主要成分，快速探测潜在的天然气泄漏、科学预防泄漏事故的发生是保障城市天然气管道输运安全的关键。基于中红外可调谐半导体激光吸收光谱技术，研制了一种检测大气痕量甲烷的传感器系统。采用中心波长为3291 nm的带间级联激光器作为光源，探测CH4位于3038.5 cm－1处的较强吸收峰。采用有效光程为26.4 m的多通池作为气室，增强了气体吸收。采用波长调制光谱技术，降低了CH4检测下限。Allan方差结果表明，当积分时间为54 s时，系统的检测下限为6.2×10－10。采用LabVIEW平台获取了浓度数据和天气站数据，基于气体湍流模型，并结合粒子群优化算法，给出了一种移动式天然气泄漏源定位方法。利用所研制的传感器系统，在吉林大学校园开展了大气甲烷移动监测实验和天然气泄漏源定位实验，验证了该传感器系统具有较强的移动探测能力。研究结果为天然气泄漏快速溯源提供了一种有效途径。
传感器 红外光谱学 气体检测 车载移动测量 泄漏源定位 中国激光
2022, 49(18): 1810001
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
基于非分散红外吸收光谱技术，利用CO气体分子在4.6 μm处的基频吸收带，采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器，研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理，对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择；推导了光学矩阵理论，设计并优化了气室结构，优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定，1σ检测下限为0.15 μV，背景噪声为38.89~43.23 μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示，CO的检测分辨率优于2.00×10-5，响应时间为35~38 s。对纯氮气（N2）样品进行了长达80 min的监测，其浓度波动范围为-1.42×10-5~1.51×10-5，当积分时间为0.25 s时，系统的检测下限为1.54×10-6；当积分时间为300 s时，系统的理论检测下限可达3.50×10-7。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性，对纯氮气进行长达80 min的探测，引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%，同时，当积分时间为0.25 s时，检测下限降低到3.60×10-7。利用该传感系统，开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验，研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系，验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法，证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。
传感系统 红外吸收光谱 矩阵光学 气体检测 火灾探测 Sensor system Infrared absorption spectrum Matrix optics Gas detection Fire detection
1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620
2 上海艾为电子技术股份有限公司, 上海 201199
针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题, 该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中, 实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型, 并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明, 随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小, 采集器的均方根电压输出逐渐增大, 其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时, 该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍, 同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。
能量采集 非线性双稳态 压电悬臂梁 切断式两自由度 弹性支承 energy harvesting nonlinear bistable state piezoelectric cantilever beam cut-off two-degrees-of-freedom elastic support
