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基于双包层光纤布拉格光栅传感手指运动姿势识别
1
作者 张森 刘熠鑫 +6 位作者 张增亚 周健文 陆俊宇 曹珊珊 余柯涵 韦玮 郑加金 《光谱学与光谱分析》 北大核心 2025年第3期863-868,共6页
手指运动姿势识别在远程医疗、智能可穿戴设备以及人机交互等领域具有广泛的应用前景,但如何实现自然流畅的手指运动姿势识别仍存在不少挑战。提出了一种基于双包层光纤布拉格光栅(FBG)传感器阵列的手指运动姿势识别系统,通过在受测者... 手指运动姿势识别在远程医疗、智能可穿戴设备以及人机交互等领域具有广泛的应用前景,但如何实现自然流畅的手指运动姿势识别仍存在不少挑战。提出了一种基于双包层光纤布拉格光栅(FBG)传感器阵列的手指运动姿势识别系统,通过在受测者前臂不同位置布设6个不同中心波长的双包层FBG传感器,可在不影响手指自然流畅运动的前提下,实时监测手指运动引起的前臂不同肌肉组织的微小形变。在学习6种已知手势引起的双包层FBG中心波长漂移的基础上,实现了对未知简单手势近100%和复杂手势约87%的高准确率识别。与普通单模FBG传感器进行了对比实验,结果表明在相同的实验条件下,双包层FBG传感器对微小应变具有更高的灵敏度和对手指运动姿势更高的识别率。本工作开发的双包层FBG传感器阵列既可以高精度的识别不同手势,同时具有良好的稳定性,有望在手势识别领域中获得实际应用。 展开更多
关键词 双包层光纤 光纤布拉格光栅 传感器 手指运动姿势识别
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高温退火程式对光纤布拉格光栅热重生性能影响研究 被引量：1
2
作者 陈焕权 董忠级 +6 位作者 陈振威 周金 苏俊豪 王浩 郑加金 余柯涵 韦玮 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1934-1938,共5页
光纤布拉格光栅(FBG)是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件,具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点,但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除,极大地限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些... 光纤布拉格光栅(FBG)是一种广泛应用于光纤通信和传感领域的关键器件,具有灵敏度高、体积小及抗电磁干扰等诸多优点,但长时间工作在高温环境下其光栅特性会逐渐衰退甚至完全擦除,极大地限制了FBG在工业生产、石油电力、航空航天等一些特殊领域的应用。通过高温退火处理有望使FBG在高温擦除后重新生长出能在高温环境下稳定工作的热重生FBG(RFBG)。因此,研究高温退火程式对RFBG性能的影响具有重要意义。基于248 nm准分子激光器,以相位掩模法制作得到反射光谱中心波长为1548.5 nm、反射率为97.8%、3 dB带宽为0.36 nm的初始FBG,再利用高温管式炉对初始FBG进行高温退火处理,发现FBG在950℃时实现热重生,得到反射光谱中心波长为1546.7 nm、反射率为50.6%、3 dB带宽为0.19 nm的RFBG;进一步研究发现,在950℃实现高温热重生后退火程式对RFBG性能有很大影响,对RFBG采用急速冷却、缓慢冷却和自然冷却以及氩气气氛下自然冷却4种方式进行退火处理并与初始光栅进行对比,结果发现采用急速冷却方式处理的RFBG机械性能最佳,其保留了初始光栅约50%的机械强度,优于缓慢冷却、自然冷却处理仅分别保留初始光栅22.2%和29.9%机械强度的RFBG,并发现在氩气中进行退火处理有利于RFBG机械强度的提升,同样是自然冷却,在氩气气氛中退火得到的RFBG保留了初始光栅43%的机械强度。进一步对采用急速冷却方式处理的RFBG进行热循环、热稳定性等测试。结果表明,RFBG在150~1050℃内三次加热循环结果完全重叠,温度灵敏度为16.30 pm·℃^(-1),温度灵敏度相关系数R^(2)为0.99538,且在800℃温度下进行热稳定性测试7 h,波长总漂移量仅为0.08 nm,表明所制备的RFBG具备良好的测温性能和稳定性。该研究工作为RFBG高温传感器的实用化和工程化应用提供了一定的理论与实验依据。 展开更多
关键词 光纤布拉格光栅 高温退火 热重生光纤光栅 热稳定性
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具有温度自补偿的保偏光纤布拉格光栅多参量传感器的设计与制备 被引量：3
3
作者 李建宇 董忠级 +3 位作者 张吉宏 史雯慧 郑加金 韦玮 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第14期123-130,共8页
多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义,开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标.为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的多参... 多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义,开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标.为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的多参量传感器结构和原理复杂、制作成本高等问题,本文基于保偏光纤布拉格光栅(PM-FBG)设计并制作了一种结构简单且高灵敏度,单点可同时测量多个参量的新型传感器.该传感器通过传感臂可以同时测量某一点在两个垂直方向上的位移和扭转变化,并具有温度自补偿功能.实验结果表明:该传感器的快轴和慢轴对于温度的响应不同,其线性灵敏度分别为11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,温度补偿系数为0.8 pm/℃,平均扭转灵敏度为0.20 dB/(°);该传感器的快轴和慢轴对位移/弯曲的响应相同,线性灵敏度为31.5 pm/mm.当改变传感器周围的温度场,其位移和扭转传感性能不受影响,可实现3个参量的同时测量.本文研制的PM-FBG新型多参量传感器可以保证高精度的温度、位移和扭转测量,同时具有较低的制作成本,有望为多参量动态检测提供一种新的手段. 展开更多
关键词 光纤传感器 保偏光纤布拉格光栅 温度补偿 多参量传感
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Al掺杂硅烯材料吸附气体分子的第一性原理研究 被引量：1
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作者 谢浩 李卫 +3 位作者 任青颖 郑加金 解其云 王祥夫 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2023年第4期549-557,共9页
通过Al原子吸附和取代的方法对硅烯材料进行掺杂,基于第一性原理计算方法研究了Al掺杂硅烯材料的吸附特性,分析H_(2)、SO_(2)和NH_(3)气体分子在其表面的吸附过程。研究发现,Al吸附硅烯体系由于强的物理吸附对H_(2)敏感,吸附能为-0.51 e... 通过Al原子吸附和取代的方法对硅烯材料进行掺杂,基于第一性原理计算方法研究了Al掺杂硅烯材料的吸附特性,分析H_(2)、SO_(2)和NH_(3)气体分子在其表面的吸附过程。研究发现,Al吸附硅烯体系由于强的物理吸附对H_(2)敏感,吸附能为-0.51 eV;SO_(2)和NH_(3)以成键的方式吸附在两种掺杂材料上,其中Al取代硅烯体系吸附SO_(2)后打开了0.3 eV的带隙,吸附能为-1.19 eV;Al吸附硅烯体系吸附SO_(2)后带隙缩小,吸附NH_(3)后带隙增大,吸附能分别为-1.01和-0.96 eV。结果表明,Al原子的吸附和取代提高了硅烯材料的吸附性能,为研究Al掺杂硅烯材料的储氢和气敏性能提供理论参考。 展开更多
关键词 硅烯 第一性原理 储氢 气体传感器 气敏性能
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基于双包层光纤布拉格光栅传感器的锂电池组温度场监控 被引量：3
5
作者 王浩 曹珊珊 +4 位作者 苏俊豪 徐海涛 王震 郑加金 韦玮 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期143-151,共9页
锂离子电池是当今最通用的储能技术之一,锂电池的可靠性和安全性一直是业界追求的目标,因此准确监控电池安全状态显得尤为重要.锂电池内部的热失控是一切锂电池安全问题的根源,为克服目前锂电池组温度测量系统测温精度不高,较高温度下... 锂离子电池是当今最通用的储能技术之一,锂电池的可靠性和安全性一直是业界追求的目标,因此准确监控电池安全状态显得尤为重要.锂电池内部的热失控是一切锂电池安全问题的根源,为克服目前锂电池组温度测量系统测温精度不高,较高温度下长时间工作稳定性不足等问题,本文提出了一种基于双包层光纤布拉格光栅(FBG)的准分布式锂电池组温度监测系统.通过搭建4通道16个双包层FBG点位对18650锂电池组进行温度场及鼓包形变监测,结果表明在0—450℃的温度条件下可以精确确定由短路等问题产生异常温度升高的点位,相应温度灵敏度为10 pm/℃,分辨率达0.1℃,并且贴于锂电池壳体表面的双包层FBG还可以监测电池壳体表面出现的鼓包形变现象,其纵向压力应变灵敏度达142 pm/N.本文的双包层FBG准分布式锂电池组温度场监测系统既可以保证高精度的温度、形变测量,同时具有良好的稳定性和抗干扰能力,表明本文的研究工作有望为锂电池组的安全监测和使用提供可靠的理论与实验依据. 展开更多
关键词 光纤布拉格光栅传感器 双包层光纤 锂电池组 温度监控
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具有温度补偿的高精度FBG微位移传感器的设计、制作及性能研究 被引量：8
6
作者 陈振威 陈焕权 +3 位作者 史雯慧 李建宇 郑加金 韦玮 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期116-124,共9页
为克服现有光纤布拉格光栅传感器设计结构复杂、温补误差大等缺陷,设计并制作了一种基于弹簧与滑块相结合的结构简单且高精度光纤布拉格光栅位移传感器,在一根光纤上获得温度补偿的同时,实现了高精度微位移测量,极大的减小了空间占用。... 为克服现有光纤布拉格光栅传感器设计结构复杂、温补误差大等缺陷,设计并制作了一种基于弹簧与滑块相结合的结构简单且高精度光纤布拉格光栅位移传感器,在一根光纤上获得温度补偿的同时,实现了高精度微位移测量,极大的减小了空间占用。实验结果表明:该传感器具有优良的微位移测量能力,灵敏度为145.08 pm/mm,精度为1.43%,量程为10 mm;静态综合相对误差为2.88%,整体的线性度、重复性和迟滞性误差较小。比较铝合金衬底、石英衬底和无衬底的温补效果,发现石英衬底的传感器温度补偿效果更佳,其延迟时间从6.8 min下降到4.3 min,最大温度补偿误差从44 pm减少至40 pm。最终采用石英玻璃作为衬底制成的传感器温度灵敏度为6.34 pm/℃,温补误差为0.26%。本文研制的传感器有望用于机械装备和土木工程等高精度结构位移的在线监测。 展开更多
关键词 光纤布拉格光栅 光纤传感器 位移传感器 高精度 温度补偿
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基于光纤布拉格光栅传感的锂电池内部状态原位监测 被引量：3
7
作者 史雯慧 王浩 +4 位作者 曹慧 刘熠鑫 李建宇 郑加金 韦玮 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期156-164,共9页
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... 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18.3με。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。 展开更多
关键词 锂电池 光纤布拉格光栅 温度 应力 原位监测
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氧化石墨烯修饰倾斜光纤光栅10^(-12)级重金属离子传感 被引量：1
8
作者 李醒龙 赵浩宇 +5 位作者 武文杰 蒋卫峰 郑加金 张祖兴 余柯涵 韦玮 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期96-103,共8页
设计了一种氧化石墨烯(GO)功能化的倾斜光纤光栅(TFBG)传感器,用于检测水溶液中的重金属离子.通过氧等离子体活化光纤表面,以及采用GO的无水乙醇分散液,避免了咖啡环效应引起的GO的团聚和堆叠,充分了暴露GO的表面和羧基.吸附重金属离子... 设计了一种氧化石墨烯(GO)功能化的倾斜光纤光栅(TFBG)传感器,用于检测水溶液中的重金属离子.通过氧等离子体活化光纤表面,以及采用GO的无水乙醇分散液,避免了咖啡环效应引起的GO的团聚和堆叠,充分了暴露GO的表面和羧基.吸附重金属离子后,GO-TFBG传感器的透射光谱中的谐振峰发生红移,这是由GO向重金属离子的电子转移导致的有效折射率变化造成的.对Pb^(2+)和Cd^(2+)离子最低检测限可达到10^(-10)mol/L(ng/L量级),相应灵敏度分别为0.426 dB/(nmol·L^(–1))和0.385 dB/(nmol·L^(–1))(2.06和3.43 dB/(μg·L^(–1))).此外,GO-TFBG传感器具有出色的器件一致性,5组传感器的传感性能稳定.本研究实现了GO纳米片在光纤表面的无团聚和均匀成膜,获得了具有超大表面积的GO并充分暴露表面羧基实现对重金属离子的吸附,利用了TFBG不同模式谐振对环境的高度敏感性,完成了对低浓度重金属离子的高灵敏度、可重复检测.本研究为提高各种类型的基于二维材料的传感器性能提供了参考. 展开更多
关键词 倾斜光纤布拉格光栅 氧化石墨烯 重金属离子 表面能
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基于第一性原理计算Mo_(2)NS_(2)对多硫化锂的吸附性能
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作者 彭祯凯 李卫 +3 位作者 任青颖 朱宸 许杰 白刚 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2023年第5期720-728,共9页
高效的储能技术一直都是限制新能源汽车发展的关键因素,而具有超高理论比能量密度(2 500 W·h/kg)的锂硫电池被认为是最有希望的下一代可充电电池。然而,锂硫电池的实际应用受到硫导电性差和多硫化锂的穿梭效应等的限制。为了解决... 高效的储能技术一直都是限制新能源汽车发展的关键因素,而具有超高理论比能量密度(2 500 W·h/kg)的锂硫电池被认为是最有希望的下一代可充电电池。然而,锂硫电池的实际应用受到硫导电性差和多硫化锂的穿梭效应等的限制。为了解决这些问题,提出以硫功能化的过渡金属氮化物材料来提高锂硫电池的电化学性能。对载体二硫氮化钼和吸附物多硫化锂进行建模,并计算载体的态密度;通过计算系统总能量找到了最佳吸附构型,并研究了吸附多硫化锂后复合材料的电荷差分密度和态密度;计算了多硫化锂在吸附载体界面的吉布斯自由能。研究结果表明,二硫氮化钼对多硫化物有较好的吸附强度,在放电过程中表现出较低的吉布斯自由能势垒(0.84 eV),加快了放电反应速率,缩短了电极反应中的多硫化锂的存在时间,从而有利于抑制多硫化锂的溶解和穿梭效应。本研究为过渡金属氮化物以及其他二维材料作为高性能硫阴极材料的设计提供了参考。 展开更多
关键词 锂硫电池 穿梭效应 第一性原理计算 二硫氮化钼 吸附强度
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