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关键词： 石质文物   苔藓腐蚀病害过程参数   光纤布拉格光栅   在线原位检测  

摘要： 石质文物具有独特的历史、艺术、文化价值,是极其珍贵的人类文化遗产。然而一些大型石质建筑和石像暴露于自然环境,极易遭受苔藓等植物的入侵定植,这些植物生长代谢产生有机酸从而对岩石造成腐蚀破坏,使得岩石表面变色、发生开裂、脱落,影响岩石美观及寿命,因此石质文物预防性保护成为文物保护研究领域的研究热点。在石质文物预防性保护研究中,在线实时获取其发生发展过程复杂多参数时空分布变化信息,揭示岩石病害机理与规律,是实现其预防性保护的关键。然而当前关于石质文物的检测技术及其落后,并且存在仪器昂贵且体积庞大、数据处理复杂以及测量参数单一等缺点,只能对文物某个时刻的状态进行分析而不能做到原位实时检测,难以获取文物病害过程关键参数(文物本体温度、pH及微应变)准分布/分布变化信息。基于此,本文提出基于光纤传感器在线原位检测石质文物本体病害过程“温度-pH-微应变”信息的新方法。首先研制了用于苔藓腐蚀病害过程参数检测的温度、pH、微应变传感器,并对每种传感器进行性能测试;接着对苔藓分泌有机酸(草酸)腐蚀过程中石质文物本体的三种关键参数进行检测,并利用光学显微镜、SEM-EDS、XRD、XPS、MIP等手段对腐蚀后的石质文物形貌进行表征;最后模拟石质文物苔藓腐蚀病害过程,并连续30天原位检测腐蚀过程中石质文物本体的三种参数变化,为解析苔藓对石质文物腐蚀病害机理提供重要支撑。其主要研究工作有以下3点: (1)本文提出了一种用于在线原位检测石质文物苔藓腐蚀病害过程关键参数(温度-pH-微应变)的方法。研究并制备了基于PVA/PAA水凝胶的pH光纤Bragg光栅(FBG)传感器,在pH缓冲溶液中对其进行了性能测试。通过拉力实验对微应变传感器进行了标定,并使用两端固定的方式将其固定在文物表面。选择裸FBG作为温度传感器并消除pH传感器和微应变传感器的温度交叉干扰,并建立了三参数测量理论模型。实验结果表明,pH传感器响应时间为177 s,恢复时间为221 s,传感器在pH值为1-6时响应灵敏度达到30.73 pm/pH;应变传感器的灵敏度为1.23 pm/με;三种传感器的温度敏感系数分别为9.62 pm/℃、9.61 pm/℃和9.61 pm/℃。 (2)培养苔藓并对其分泌的有机酸进行分析,确认苔藓分泌的有机酸主要成分为草酸。在此基础上基于本文研制的FBG传感器,研究了不同浓度草酸溶液腐蚀砂岩样品过程中岩石样品温度、pH、应变及其分布变化信息,并结合光学显微镜、SEM-EDS、XRD、XPS、MIP手段对砂岩样品酸腐病害发生前后的本体特征进行表征。实验研究发现草酸会对砂岩产生严重的腐蚀病害,并生成草酸亚铁和草酸钙;生成的草酸盐不断从岩石内部向外部析出,从而改变岩石的物质成分与孔隙结构。同时在草酸腐蚀岩石过程中,将导致岩石不同空间温度、pH值及微应变发生变化;草酸浓度越高对砂岩的腐蚀病害越严重;在砂岩孔隙吸力和重力作用下,草酸溶液在岩石样品3cm高度处的腐蚀反应最为剧烈,导致岩石内部温差达到2.9℃、岩石内部pH值变化达到2.0、岩石表面应变达到287με。 (3)将培养好的苔藓移植到岩石样品表面,利用研制的FBG温度、pH及微应变传感阵列,搭建了三参数准分布式信息检测系统,在线原位实时检测了岩石样品遭受苔藓腐蚀病害过程中空间温度、pH及微应变变化信息,对苔藓腐蚀岩石样品过程进行30天连续检测。实验研究发现苔藓会分泌有机酸,从而对石质文物造成腐蚀,腐蚀过程中文物本体温度变化较小,但6 cm高度处pH值提高了0.5,且产生了微应变,最高达到7.6με。表明苔藓主要通过分泌有机酸与石质文物产生化学反应对其造成破坏,这改变了石质文物孔隙液体的pH值,使文物本体产生了微应变,但是其病害过程较为缓慢,需要长时间的腐蚀时间积累。

关键词： 传感器   光纤传感器   法布里-珀罗干涉仪   表面等离子体共振   折射率   温度   热光系数  

摘要： 设计了一种基于光纤法布里-珀罗干涉（FPI）和表面等离子体共振（SPR）效应的高精度液体热光系数传感器。该传感器利用端面固化了聚二甲基硅氧烷（PDMS）的单模光纤（SMF）和无芯光纤（NCF）在毛细硅管中构造了PDMS-Air-PDMS非本征FPI结构，并在NCF侧面镀银纳米膜构造SPR传感单元，实现了温度和折射率的高灵敏度测量。通过FPI对SPR传感单元进行了温度补偿，消除了交叉干扰。实验结果表明，传感器在1.333～1.371折射率范围内的灵敏度达到2913.68 nm/RIU，在20～80℃温度范围内灵敏度达到597 pm/℃，无水乙醇的热光系数测量误差仅为0.82%。该传感器具有高精确度、制作简单、集成度高、无串扰和无交叉敏感等优点，在生物医学和生物化学领域中有着广阔的应用前景。

关键词： PCF-SPR传感器   表面等离子体共振   温度和折射率同时检测   高双折射   高非线性  

摘要： 光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）传感器是一种新型的传感器技术,利用物质与光场耦合产生的表面等离子体共振效应实现对测量环境变化的高灵敏度检测。PCF-SPR传感器在灵敏度、可调性、超快性和有效光限制等方面的表现都优于传统的光学传感器,因此在传感器研究领域得到了广泛的关注。为了丰富PCF-SPR传感器的检测功能,提升传感器的检测效率、以及检测性能,本文做了以下内容研究: 1.在提升PCF-SPR传感器检测效率方面,本文提出了一种PCF-SPR双通道传感器。通过双抛D型的结构设计为传感器提供两个独立的外部检测通道。敏感层材料设计为复合微光栅形结构,有效的提升光纤传感器的检测灵敏度。本研究两个检测通道分别沉积了Ag-Ti O2和Ag-Zr O2复合材料。利用不同的复合材料自身的折射率不同,可以在检测图谱中得到两个互不干扰的共振峰,从而实现两个检测通道同时使用,检测结果并行输出且互不干扰的功能。双通道波长灵敏度分别达到11200 nm/RIU、14300 nm/RIU,波长分辨率分别为9.174×10-6RIU、7.142×10-6RIU。 2.为了提升PCF-SPR双通道传感器的性能,在本项研究中改进了PCF-SPR传感器的结构。由于纳米线结构具有较大的比表面积,可以起到增强局域表面等离子体效应的作用。因此将之前的研究中微光栅结构改为银纳米线结构能够有效提升传感器性能。经过仿真计算结果显示,传感器的双通道波长灵敏度分别为13700 nm/RIU和21100 nm/RIU,波长分辨率分别达到7.29×10-8RIU和4.74×10-8RIU,折射率的检测范围提升至1.33-1.40。相较于上一项研究其灵敏度分别提升了2500 nm/RIU和6800 nm/RIU,检测范围扩大了0.2。因此,改进后的传感器不仅在原有的基础上提升了光纤传感器检测性能,还增加了其检测范围。 3.本项研究提出了一种PCF-SPR双参量传感器,使检测功能得到了进一步扩展。PCF-SPR双参量传感器可以实现对分析物的温度和折射率的同时检测,并且实现检测结果的并行输出。由于同一物质在不同的温度下所测得的折射率不同,因此实现对分析物温度与折射率的同时检测,可以有效地避免分析物温度对折射率检测产生的干扰。仿真分析结果表明光纤传感器温度检测范围可以达到-60℃-100℃,折射率检测范围为1.30-1.40。最佳温度分辨率为1.42×10-2RIU,温度灵敏度为0.7 nm/℃,折射率波长灵敏度可达1.25×10～4nm/RIU,波长分辨率为0.8×10-6RIU。 4.为了提高光子晶体光纤在光纤传感以及光通信系统中的信息传输质量,本文提出了一种新型的具有高非线性和双折射的光子晶体光纤（PCF）。本文所设计的光纤包含三个横向排列的椭圆形空气孔。在结构设计上有效地打破了光纤的完全对称性,增强了PCF的双折射率。中心椭圆空气孔中填充了氧化锌（Zn O）,由于Zn O本身具有良好的光学特性,因此填充了Zn O的PCF具有较好的非线性光学性能。本文采用有限元法对空气孔的内部结构参数进行了优化,并对PCF光学性能进行模拟仿真。计算结果表明,优化后的PCF的双折射率达到0.45,非线性系数可达到7.8×10～4W-1Km-1,数值孔径为0.84,约束损耗为0.7×10-4dB/cm。

关键词： 磁编码器   游标原理   单码道磁栅   支持向量回归  

摘要： 伴随着众多领域内技术的不断更新和发展,先进的测量技术和手段也在不断的发生变革。角度测量作为众多控制领域内不可或缺的重要标尺,对于控制过程的稳定性、精度和时间等都是非常重要的。角度测量装置发展至今已经到了较为成熟的阶段,不断发展的编码器技术为控制过程提供了强有力的保障。因此,不断开发和设计新形式的编码器,不断设计和研发出精度更高、成本更低、应用更加灵活的磁编码器,无疑是有必要的。 本文针对于传统形式的编码器进行分析,提出了一种新型的磁栅角度编码方法和的角度解码算法,并制作出了对应的单码道绝对式磁编码器。 本文中所设计的新型磁栅以单码道磁环为基础,将磁栅上的磁极规划为两个区域,区域间存在磁极大小和数量的差异,并以此来构造求解绝对角度的方法。利用有限元分析软件MAXWELL对磁栅进行仿真分析,获得磁栅的磁场情况。根据仿真得到的结果,本文设计出了搭配新型磁栅使用的解算硬件电路。硬件主要由用以实现不同功能为区分的电路所组成,包括供电电路、模数转换电路、解算控制电路和磁传感器电路等,根据磁栅的磁场情况以及磁编码器实际测量过程中的主要运动情况对元器件和电路进行了合理的选择和设计。本文还设计了针对本磁栅的改进游标原理法,通过对基本游标原理进行改进设计,将其重构成为了能够求解本文所提出的新型编码形式的解码算法。 根据所设计制作的新型磁编码器,本文介绍了用以进行测试和实验的控制转台以及利用控制转台所进行测试所得到的相关性能情况。根据结果进行分析,所设计的磁编码器在稳定性、复现性等基本特性上满足要求,但是拥有较大的角度误差,需要设计方法对其进行补偿。 针对于所设计出的磁编码器拥有较大误差的问题,本文对磁编码器主要的误差来源和影响如磁栅精度、安装误差、温度变化等进行了分析,同时选择利用PSO-SVR算法对误差建立统一的数据回归模型进行补偿。补偿结果表明,磁编码器的精度特性得到了较大的优化,样本最大角度误差由1.4°减小到0.62°。

关键词： 光纤传感器   Mach-Zehnder干涉仪   纤芯错位结构   花生结构   折射率传感  

摘要： 光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪是将传统Mach-Zehnder干涉仪的两条物理干涉臂用一根光纤中的芯层和包层代替,因此具有结构紧凑、成本低廉和易于制备的优点。其中,纤芯错位是光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪中的一种常用的光分束和耦合结构。 然而,在以纤芯错位对构成的光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪中,因为光波通过纤芯错位后形成了非对称光场,使得两个纤芯错位之间的相对方向对其干涉产生影响,从而影响其折射率的传感特性。 因此,本文提出用一个对称的花生结构代替纤芯错位对中的一个纤芯错位结构,设计和制备了基于纤芯错位-花生结构的光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪,研究了它的干涉特性和折射率传感特性,得到的主要研究结果如下: 使用光纤熔接机制备了不同参数结构的纤芯错位-花生结构光纤内嵌MachZehnder干涉仪,研究了干涉仪在不同折射率环境条件下的模式干涉特性。测试结果显示,光波在干涉仪中的传输具有很好的方向互易性。 研究了纤芯错位-花生结构光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪的折射率传感特性,并对干涉仪的结构参数进行了优化。当干涉仪的长度为45cm,纤芯错位距离为12μm,时,在1.333～1.373的折射率测量范围内,最高灵敏度为-62.21nm/RIU。 对纤芯错位-花生结构光纤内嵌Mach-Zehnder干涉仪进行了宏弯曲,提高了它的折射率传感特性。结果显示,随着曲率半径减小,折射率灵敏度随之增加。当干涉仪的干涉臂长为50mm,纤芯错位距离为12μm,弯曲半径为18.56mm时,折射率灵敏度最高可达-167.27nm/RIU。