Transparent ZnO/glass surface acoustic wave based high performance ultraviolet light sensors

Surface acoustic wave （SAW） resonators are a type of ultraviolet （UV） light sensors with high sensitivity, and they have been extensively studied. Transparent SAW devices are very useful and can be developed into various sensors and microfluidics for sensing/monitoring and lab-on-chip applications. We report the fabrication of high sensitivity SAW UV sensors based on piezoelectric （PE） ZnO thin films deposited on glass substrates. The sensors were fabricated and their performances against the post-deposition annealing condition were investigated. It was found that the UV-light sensitivity is improved by more than one order of magnitude after annealing. The frequency response increases significantly and the response becomes much faster. The optimized devices also show a small temperature coefficient of frequency and excellent repeatability and stability, demonstrating its potential for UV-light sensing application.

应用紫外敏感器的高轨卫星自主导航技术

针对高轨卫星在无地面测控站支持下难以实现高精度自主导航,卫星的自主生存能力不足的问题,文章提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的技术并进行了在轨验证,该导航方法利用视场1观测恒星可见光波段,视场2观测地球紫外波段。视场1利用星敏感器全天球识别算法识别所有恒星星像,识别结果的光轴指向作为恒星矢量;视场2被用来对地球紫外波段轮廓成像,计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向,通过高精度的系统偏差标定,实现了目前国内较高精度的高轨卫星天文导航应用。

多波段复合型火焰探测器设计

针对目前火焰探测器存在的抗干扰能力较弱、响应速度慢等问题,设计了一款多波段复合型火焰探测器。该系统由三波段红外和单波段紫外共四波段组成,可同时编写相应的火焰检测算法,与传统的火焰探测器相比,具有更强的抗干扰能力。实验表明:该设备在15m内可快速、准确地检测火焰,能有效区分真假火,误报率低,响应时间小于3s,具有较强的实用性。

The light-enhanced NO_2 sensing properties of porous silicon gas sensors at room temperature

The NO2 gas sensing behavior of porous silicon（PS） is studied at room temperature with and without ultraviolet（UV） light radiation.The PS layer is fabricated by electrochemical etching in an HF-based solution on a p ＋-type silicon substrate.Then,Pt electrodes are deposited on the surface of the PS to obtain the PS gas sensor.The NO2 sensing properties of the PS with different porosities are investigated under UV light radiation at room temperature.The measurement results show that the PS gas sensor has a much higher response sensitivity and faster response-recovery characteristics than NO2 under the illumination.The sensitivity of the PS sample with the largest porosity to 1 ppm NO2 is 9.9 with UV light radiation,while it is 2.4 without UV light radiation.We find that the ability to absorb UV light is enhanced with the increase in porosity.The PS sample with the highest porosity has a larger change than the other samples.Therefore,the effect of UV radiation on the NO2 sensing properties of PS is closely related to the porosity.

Investigation of Ultraviolet Transmission Characteristics of Detecting Window in Ultraviolet Fire Detector

Ultraviolet （UV） fire detector is used to detect fire according to the ultraviolet radiation of the flame. High detecting sensitivity of the sensor requires high ultraviolet transmission property of the detecting window. In this paper, high performance JGS-1 （type name of glass） ultraviolet quartz glass is used as the sensor detecting window material and the ultraviolet transmission characteristics of the glass is studied. A new method with the smart fire detecting module to test the ultraviolet transmission parameter of quartz glass is demonstrated. The comparison results of UV spectrometer and this new method manifest that JGS-1 quartz glass has good ultraviolet transmission character and the new test method with fire detecting module is direct and feasible.

水质光电在线监测设备研发及其应用

研究设计了一种新型AlGaN基宽光谱紫外LED(UV-LED)结构,在单芯片上设计了包含4种不同Al组分和不同厚度的量子阱结构,获得了宽发光光谱,在6 V正向电压的偏置下,发光光谱半高宽为17 nm,接近传统UV-LED的2倍。在此基础上,将多个具有不同发光波段紫外LED组成阵列,制备成连续波段的紫外光源,同时利用该紫外光源,结合紫外探测器,开发出了紫外光电水质在线监测设备。最后,利用该光电设备对秦淮河三汊河入江口河段的水质COD进行实时在线监测,并与实验室采样检测结果进行了数据比对分析。结果表明,光电设备监测结果与实验室检测结果具有一致性,同时还具有更高的实时灵敏度,适合在线监测应用。

晕苯增强CMOS图像传感器

由于紫外光在硅中的穿透深度有限,以及多晶硅栅极对紫外光的吸收,导致传统的硅基CMOS图像传感器在紫外光波段的响应不高。在此,本文选择一种低成本的下转换法来提升CMOS图像传感器的紫外响应能力,采用真空热蒸发法分别在石英衬底和CMOS图像传感器的像敏面上蒸镀了晕苯薄膜,并对薄膜的光学性能、红外光谱、光稳定性和热稳定性进行了研究。实验结果表明,晕苯薄膜能吸收紫外光并发射出500 nm的绿色荧光,可以与CMOS图像传感器的光谱响应峰值很好地匹配;同时,发现晕苯红外吸收光谱的实验值和计算值基本吻合;薄膜在200℃温度下退火20 min后,其发射峰的荧光强度保持在原来的95.7%;在280 nm激发波长照射大约60 min后,发光强度呈指数衰减至初始值的64%。采用CMOS单色相机在可见光(400~780 nm)和紫外光(365 nm)下定性分析了薄膜的紫外增强效果,发现蒸镀晕苯薄膜后的CMOS单色相机可以提高对紫外光的灵敏度。

四波段红紫外火焰探测系统设计

针对当前烟感、温感,以及单一紫红外火焰探测器无法满足响应速度快、抗干扰能力强且具有良好环境适应性的需求,设计了一种红紫外复合型火焰探测系统。采用三波段热释电红外传感和紫外光电管复合探测技术,扩大了系统对火焰辐射光谱的探测范围,增强了系统的可靠性;设计针对该系统的红紫外探测算法,提高了系统的抗干扰能力和响应速度;采用红外遥控方式以调节系统的灵敏度,增强了系统的环境适应能力。实验表明,该探测系统可靠性高、误报率低,探测距离可达30m,响应时间小于3.68s。以期对喷漆车间、化石工厂、易燃品存储仓库等场所的消防应用具有重要意义。

电晕放电探测用紫外检测设备的研究

检测电晕放电是发现高压电气设备有无绝缘故障或潜在绝缘故障最直接、最有效的方法。传统的紫外成像仪在电晕放电检测中不但价格昂贵且需专业人员操作,无法在电力系统中大规模推广使用。针对该现象,分析了电晕放电的原理以及紫外光子数与电晕强度的联系,提出了基于UV传感器的紫外检测设备的研究课题,其主要功能模块有主控模块、紫外线的采集与转换电路(光电转换电路)、成像模块、GPS定位模块、数据存储与通信模块以及显示模块等,重点对光电转换电路、成像模块和定位模块进行了设计。通过在高压实验室测试,所设计的紫外检测设备可以有效表征电晕放电强度,并能够准确定位放电位置。

高压电力设备放电在线监测系统

针对高压电力设备局部放电对电力系统安全运行造成重大影响的现状,研究了一套基于嵌入式系统的电力设备紫外内窥系统。该系统主要由紫外内窥探头、嵌入式计算机系统和GPRS模块构成。在嵌入式计算机系统部分介绍了该系统的硬件、软件组成框架和USB摄像头的视频图像采集过程,并在此基础上实现了基于Qtopia的紫外内窥软件程序的编写。利用日盲型的紫外传感器,可以通过检测特定波长的紫外线来正确检测电力设备的放电。通过对电力设备内部特殊环境的研究,将紫外放电检测和视频内窥技术相结合,实现了基于无线GPRS的电力设备紫外放电的远程实时在线监测。实验证明了该系统能够可靠地运行,有效地防止由放电引起的电力事故的发生。

基于紫红外传感器的火焰探测系统设计与实现

针对传统的感烟、感温、感光型火焰探测器的误报率高,响应时间长的特点,研制了一种联合使用紫外和红外传感器的火焰探测系统。该系统利用紫外传感器探测火焰辐射出的处在日盲区波段的紫外光谱,同时使用红外传感器探测火焰辐射出的4.4μm波段的红外光谱,并结合快速傅里叶变换(FFT)提取火焰闪烁频率的方法来识别火焰。实验表明,该方法有效地降低系统误报率和漏报率,响应时间小于1 s,探测距离达到5 m,对于粮仓、易燃物品存放地的消防应用有着重要的意义。

基于紫外敏感器的航天器自主导航

对基于紫外敏感器的卫星自主导航方法进行了研究 ,给出了自主轨道确定的滤波算法。对基于紫外敏感器的导航在地球中低轨道、大椭圆轨道和同步轨道上的应用进行了数学仿真验证。仿真结果表明 ,导航误差主要取决于地心方向的测量误差 ,而地心距测量误差的影响要小得多。在已知卫星惯性姿态的条件下 ,仅以地心方向为观测量 ,滤波器同样能够收敛 ,并能获得较高的定轨精度。

紫外星敏感器的光学系统设计

紫外星敏感器是小卫星关键技术的一项重大突破 ,它与光纤陀螺配合可使小卫星的指向精度和稳定度提高一个数量级 .提出了一种新型紫外星敏感器的光学系统设计方案 ,在对性能指标进行分析的基础上 ,确定了光学系统的参数和结构尺寸 .采用锥面反射镜压缩光学镜头的视场角 ,使所设计的系统具有超大视场的观测能力 ,环形视场可达 135°～ 14 5° ,工作波段为 0 .2 5～ 0 .2

配备小型紫外光传感器的无人机电力巡视设计与测试

针对电晕放电现象会在高压输电线路中造成灾难性电气故障的问题,设计了一种配备小型紫外光(UV)传感器的无人机(UAV)巡视系统。通过安装在8旋翼无人机上的3个UV传感器检测电晕,首先,对有效电晕检测范围、安全距离进行分析,利用全球定位系统(GPS)保持适当间隔距离,设定合适的飞行样例;然后,在机载GPS存在不确定性的情况下,分析自主飞行巡视的可能策略和影响;最后,使用提出的无人机系统对放置于低高度变电站和中等高度转换塔之上的电晕发生器发射出的紫外光进行测量,以模仿真实电晕检测。多次试飞结果验证了UAV巡视系统检测电晕的可行性,且具备一定实践意义。

利用地球紫外和恒星可见光的卫星自主导航

提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的方法,该导航方法利用视场1观测恒星可见光波段,视场2观测地球紫外波段。在视场1利用星敏感器全天球识别算法识别所有恒星星像,识别结果的光轴指向作为恒星矢量;视场2被用来对地球紫外波段轮廓成像,计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向。最后,利用卫星轨道动力学方程和扩展卡尔曼滤波器来计算卫星轨道参数。对一紫外敏感器进行的实验表明,与利用红外地平仪和恒星可见光的自主导航方法相比,该方法的位置误差由1 000m减小到500m,速度误差由100m/s减小到40m/s,而且消除了由于太阳光与地平线夹角带来的周期误差,因此,该方法具有很好的鲁棒性。

紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析

针对空间紫外波段航天器自主导航姿态敏感器的特殊需求,提出基于正组为FK5和熔石英、负组为QF1的新型紫外玻璃组合方法,设计了波段330~365 nm、焦距80 mm、F数1.6、视场角8°×8°的紫外星敏感器。基于近轴鬼像能量计算的方法对鬼像抑制指标进行计算。利用Code V对系统轴上一阶鬼像进行初步的分析与判断,再利用非序列光线追迹对系统轴外多阶鬼像进行仿真计算,得到完备的轴外鬼像能量分布。结果表明,该光学系统结构紧凑,像质良好,各视场成像弥散斑均方根半径10μm内能量集中度大于80%,相对畸变优于0.05%,在相差7等星的动态范围下,像面处亮星最大鬼像光斑照度仅为暗星照度的1/21,满足紫外星敏感器的探测需求。

一种姿态机动辅助下的天文导航系统偏差自校准方法

基于成像型紫外敏感器的自主导航是一种典型的天文导航方法,其精度不仅取决于敏感器的测量噪声,而且与系统性误差的大小密切相关。针对成像型紫外地球敏感器的特点,建立了紫外敏感器测量模型。为消除系统误差对自主导航精度的影响,提出了一种姿态机动辅助下的偏差自校准导航滤波方法,并以紫外地球敏感器测量偏差为例,设计了导航滤波算法。数学仿真和半物理仿真结果表明,该方法能显著地提高自主导航精度。

基于紫外敏感器的卫星自主导航

卫星自主导航是指卫星不依赖地面支持,而利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位置和速度,它是未来卫星导航的必然趋势。紫外敏感器具有精度高、体积小、可以实现多个敏感器功能的特点,利用地球成像的大小和位置以及恒星的位置可以获得卫星的导航信息。为了精确获得卫星导航信息,给出了轨道动力学模型,重点研究了地心矢量的确定方法,地心矢量的准确确定是精确导航的关键,提出了基于紫外敏感器的卫星自主导航模型,设计了扩展卡尔曼滤波算法,并结合轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明了所提方案的有效性。

小波故障检测在脉冲星组合导航中的应用

为提高基于X射线脉冲星的组合导航系统容错能力,利用小波分析方法进行故障检测,以保证组合导航系统的精度和可靠性。笔者采用X射线脉冲星导航、天文导航和紫外敏感器导航构建组合导航系统,运用小波分析技术对传感器输出信号进行故障诊断,并进行故障隔离和系统重构,最后采用联邦式滤波器进行信息融合,并以火星探测任务为例进行了数学仿真。实验结果表明:该方法能够有效检测相关传感器故障,解决了X射线脉冲星组合导航系统因故障导致的导航结果变差问题,且具有较高的导航精度,提高了脉冲星组合导航系统的容错性能和工程实用价值。

强跟踪滤波器在卫星紫外导航中的应用研究

对基于紫外敏感器的卫星自主导航方法进行了研究,为了保证卫星紫外导航系统的精度和工作可靠性,要求导航系统具有一定的故障检测和自适应调节能力,并将强跟踪滤波器应用于该导航系统的故障检测中。仿真结果表明:本方案能够获得较高的定轨精度,当系统出现故障时,该方案能够保持对缓变状态和突变状态的强跟踪能力,提高了紫外导航系统的导航精度和工作可靠性。