基于光纤传感的港口取料机建模分析与健康监测系统

港口取料机工作条件恶劣,激励源多且激励特性复杂。为了实现取料机的精细化视情维护,提高其结构的可靠性并降低运维费用;同时,为了解决基于电阻应变计等电磁类传感器无法避免的电磁干扰、寿命短等问题,设计了基于光纤传感的港口取料机在线健康监测系统。以QL6000.55型斗轮取料机作为研究对象,对其进行有限元建模及分析,获得其模态及应力分布云图,确定应变、振动监测点位。通过现场安装试运行,验证了健康监测系统的可信性。试验结果表明,基于光纤传感的港口取料机在线健康监测系统在复杂作业条件下工作6个月,各项性能指标达到设计要求,各项功能满足生产需要。

基于可靠性的自由空间光网络路由算法

自由空间光(FSO)网络容易受天气等因素影响造成网络中断。为了提高光网络可靠性,同时均衡网络能耗,延长网络生命周期,首先综合考虑接收光信号强度和中断概率建立可靠性模型,利用可靠性模型对直传和中继链路方式进行对比分析,获取选择直传和中继方式的距离阈值。然后针对网络能耗均衡问题,考虑节点能量进行簇头选举,提出光学中继的能耗均衡路由算法(BEC-ORM)。最后利用Matlab仿真平台求取了BEC-ORM算法选择通信方式的距离阈值,以及最佳的簇头比例。同其他算法对比分析,结果表明该算法能有效提高自由空间光网络的可靠性和能耗均衡性。

基于紫外光谱的水体硝酸盐浓度混合预测模型研究

水体中的硝酸盐浓度过高不仅会造成水环境污染而且会对人类身体健康造成很大威胁,传统的检测硝酸盐的方法检测时间长且操作复杂。针对水体中硝酸盐氮难以快速在线检测的问题,基于紫外吸收光谱,提出了一种混合预测模型结合光谱积分快速定量检测水体中硝酸盐浓度的方法。混合预测模型为低浓度样本建立的双波长法预测模型与高浓度样本建立的偏最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型数据融合之后的模型。按照合适的浓度梯度配备了19组硝酸盐氮标准溶液,通过实验测得不同浓度硝酸盐氮样本的光谱数据。首先基于双波长法对所有样本进行回归分析,按照A=A_(220)-2A_(275)计算不同实验样本的吸光度A,其中A_(220)和A_(275)是220和275 nm处样本的吸光度,将吸光度A与样本浓度值进行线性回归,拟合出样本浓度的预测值。结果显示当样本浓度较小时,相关性很好,r为0.997 4,随着实验样本浓度的上升,曲线发生严重的非线性漂移,因此双波长法只适合低浓度样本预测模型的建立。对于高浓度样本,光谱重叠严重,适合建立非线性的预测模型,支持向量机(SVM)与LS-SVM都适合小样本的非线性数据建模, LS-SVM预测精度稍高,运算速度稍快。通过对所有的实验样本进行全波长光谱积分,比较相邻样本光谱积分的变化率可以筛选出样本的临界浓度值, 4 mg·L^(-1)的硝酸盐样本积分值前后变化率最大,因此选择4 mg·L^(-1)作为临界浓度值较为合适。浓度高于4 mg·L^(-1)的实验样本建立LS-SVM预测模型,通过交叉验证的方法选择出合适的参数,正则化参数γ=50,核函数选择高斯核,核函数宽度σ~2=0.36,训练样本之后进行回归;其余样本建立双波长法预测模型,最后进行两种模型的数据融合,形成从低浓度到高浓度的水体中硝酸盐浓度的检测。为了验证混合预测模型的预测精度,另外建立了SVM, LS-SVM,偏最小二乘(PLS)等模型,并求出r,预测值与真实浓度值平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)对模型进行评价。验证结果表明,相比于SVM, LS-SVM和PLS等模型,提出的混合模型回归的相关系数为0.999 86,分别提高了1.8%, 1.6%和0.45%,预测值与真实浓度的平均绝对误差为2.55%,分别降低了6.27%, 4.49%和1.01%,均方根误差为0.303,为四种预测模型中最小, SVM与LS-SVM的相对误差相对较高, PLS模型相对误差上下波动比较大,混合预测模型相对误差最为稳定,并保持在较低水平,由此可见混合预测模型的预测效果明显优于其他几种模型。并与文献[5—7]中的测量方法进行对比,该混合预测方法可以简单快速的测量水体中硝酸盐氮的浓度,且不需要试剂,无二次污染,与文献[9]中的预测模型相比,预测精度明显提高。因此提出的混合模型可正确快速地预测水体中硝酸盐氮的浓度,可为在线监测水体中硝酸盐浓度提供有效的技术参考。

基于全介质超表面的微流体折射率传感器

基于全介质超材料的电磁属性,提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置;利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟,仿真结果表明,该结构可以产生三重Fano共振,包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外,分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响,得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36nm/RIU,品质因数Q最大可达到1252.3,并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。

表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论,提出一种表面覆膜波导光栅传感结构,并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,选用多孔硅作为待测物承载单元,可以使光学探针更充分地接触待测样本,从而提高其检测性能。根据波导光栅共振相位条件,建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型,通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。研究表明,该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性,可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性,其Q值为1 488,对折射率的检测极限可达5×10^(-4) RIU(RIU为折射率单位)。通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析,结果表明,共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%,证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性,可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测,并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。

基于紧束缚理论的一维多镜像光子晶体特性研究

基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度等及介质的相对折射率差等参数对光子晶体缺陷模特性的影响.模拟结果表明,调整光子晶体参数和缺陷层的相对位置可有效调控光子晶体的缺陷模特性,可为光子晶体多通道滤波器等光学器件的设计和应用提供一定的理论参考.

基于GMM-ICSA的光谱重叠峰分解研究

针对X射线荧光光谱法(XRF)中Pb元素和As元素的重叠峰导致的元素浓度建模困难、乌鸦搜索算法(CSA)鲁棒性较弱等问题,将高斯混合模型(GMM)与改进型乌鸦算法(ICSA)相结合来实现重叠峰的分解。ICSA相比于CSA的改进主要有:引入了"乌鸦反哺"的特性,将GMM与ICSA更好的衔接在一起;将固定的意识概率更改为梯度型,使种群迭代更有多样性;适当调整了全局的优化策略,使算法更稳定收敛更快。将GMM模型与GMM-ICSA模型作对比实验,可得优化后的模型分解精度提升了4.93%;同时以均方误差和迭代时间为衡量搜索算法的标准,将ICSA与同类型的4种算法做了对比实验得出:CSA的均方误差和迭代时间均优于其他算法,从而表明改进后的算法能处理重叠峰问题的可行性。

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10^(4),共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10^(4).该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.

代理参数法检测有机干扰中硝酸盐氮的研究

为解决双波长法在硝酸盐氮检测过程中由于有机干扰吸光度叠加造成预测精度下降的问题,提出了代理参数法。把混合谱中的6个积分面积值作为代理参数,基于4阶导数谱的分割算法来寻找代理参数的分界点;通过面积积分法获得分界点前后各代理参数的值;根据有机干扰代理参数的比例,得到分界点前有机干扰对混合谱的贡献程度。基于处理后的数据,采用最小二乘法建立硝酸盐氮水样浓度与其积分面积的预测模型。并将该模型应用于实际水样检测,结果表明,对比传统双波长法,模型的决定系数达到了0.999 8,平均标准偏差小于3%,并且拥有更低的检出限(≥0.009 mg/L)、更好的回收率(95%～104%)和更宽的线性区间,能够为水样中硝酸盐氮的检测提供可靠的技术支持。

含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔Fano共振慢光特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性,提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。由金属双缝波导谐振腔形成的较宽的连续态波与由环形谐振腔形成的较窄的孤立态波耦合干涉相消,形成Fano共振。结合耦合波理论,分析了该结构形成Fano共振的传输及相位特性。采用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对结构慢光特性的影响,实现结构参数优化。结果表明,优化后的结构群折射率可达205。该结构能为集成等离子慢光器件的设计提供有效的理论参考。

对称双缺陷光子晶体的可调谐滤波特性分析

基于光子晶体的光子局域特性,并利用光子晶体的介观压光效应,提出了一种新型的双通道可调滤波器结构.采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了理论推导,建立了透射谱与光子晶体结构参数的关系,讨论了介观压光效应对双缺陷光子晶体透射谱的影响,并对所设计的光子晶体结构进行了数值模拟.结果表明:随着入射角度的增大,缺陷峰发生蓝移.随着各介质层折射率或几何厚度的增加,缺陷峰发生红移.当光子晶体发生轴向拉伸应变时,缺陷峰的位置向长波长移动,但缺陷峰的峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性.该光子晶体滤波器结构紧凑,可调谐性好,为光子晶体激光器及传感器的设计提供了一定的理论参考.

基于倏逝波谐振的空气栅光子晶体F-P腔折射率传感特性研究

基于倏逝波理论和光学谐振原理,研究了倏逝波在光子晶体中的存在形式及空气栅光子晶体F-P腔的折射率传感机理,并建立谐振波长与待测气体折射率的关系模型。当入射光以大于全反射临界角的角度入射到光子晶体中,由于倏逝波的作用,在中心介质层形成F-P腔并产生谐振,电磁场被局部增强,与待测气体充分作用,从而使该传感结构对待测气体的折射率具有较高的敏感性。利用传输矩阵理论进行数值模拟,结果表明,折射率传感的Q值可达3447.0,灵敏度可达1260.0 nm/RIU,证明该光子晶体F-P腔折射率传感结构具有很好的传感特性,可为高精度气体折射率传感器的设计与应用提供一定的理论参考。

多系双局域态光子晶体的可调谐滤波特性分析

利用紧束缚方法分析了双局域态光子晶体产生双缺陷模的机理,采用传输矩阵法研究了一维光子晶体的光学传输特性,并得到了透射谱与晶体结构参数的关系,在此基础上讨论了光子晶体在受到单轴应力时所表现出的介观压光效应,据此设计了一种结构简单的应力调制的近红外波段的多通道滤波结构.通过数值模拟可以看出,随着各介质层折射率或厚度的增加,缺陷模发生红移.当对多系双局域态光子晶体施加单轴拉伸应力时,各缺陷峰都向长波长移动,且缺陷峰峰值基本不变.经过数值拟合,缺陷峰中心波长与对光子晶体施加单轴拉伸应力所产生的应变呈线性关系.该滤波器结构简单、可调谐性好,在一系列精巧的光子晶体激光器、波分复用器或者其他精密仪器的制造中有一定的应用价值.

基于布洛赫理论的光子晶体表面波形成及传感机理

结合布洛赫理论和麦克斯韦方程组,针对一维光子晶体表面缺陷态结构形成的布洛赫表面波进行理论分析,并研究了布洛赫表面波的局域特性和入射电磁波波长与角度对布洛赫表面波的影响。在此基础上,对一维光子晶体表面缺陷态结构的传感特性进行分析,当TE偏振分量以一定角度入射到光子晶体中时,在待测溶液形成的缺陷层中发生谐振,电磁场被局域增强,与待测溶液分子充分作用,其形成的布洛赫表面波对待测溶液折射率变化具有高度的敏感性。数值模拟结果表明,其Q值可达2620.29,灵敏度S为62°RIU-1,因此布洛赫表面波在一维光子晶体结构中具有很好的传感特性,可为折射率传感器的设计和应用提供理论参考。

含矩形腔的MIM波导耦合T型腔结构Fano共振传感特性研究

基于表面等离激元在亚波长结构的传播特性,提出了一种含矩形腔的金属-介质-金属(MIM)波导与T型腔耦合的结构。T型腔形成的较窄离散态与矩形腔形成的较宽连续态相互耦合,经过干涉相消形成Fano共振。采用耦合模理论,分析了Fano共振的形成机理;运用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,分析结构参数对其折射率传感特性的影响。结果表明,经过结构参数的优化,其优质因子可达6.04×10~4,灵敏度为1120nm/RIU,该研究结果可为光子回路的集成及纳米级传感器的设计提供理论参考。

亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构的研究

提出了一种亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构,在结构中可产生导模共振模式、表面等离子激元共振模式和局域表面等离子体模式,模式之间互相耦合,从而在反射光谱中形成两个窄带共振缺陷峰。通过研究共振缺陷峰处磁场分布和结构参数对反射谱的影响,分析了结构中的共振模式。根据导模共振原理和表面等离子体共振形成条件,建立共振缺陷峰波长与结构参数之间的关系模型,通过观察共振缺陷峰波长的漂移实现待测样本气体浓度的动态实时监测。以多孔硅为传感载体、甲醛气体为待测样本,分析传感器的品质因数和灵敏度。结果表明,两个窄带共振缺陷峰的品质因数分别可达42.3RIU-1和78.5RIU-1,灵敏度分别为466nm/RIU和628nm/RIU。

光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构的Fano共振传感机理

基于Fano共振原理,提出光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构。由光子晶体纳米梁所产生的宽的连续态与由光子晶体纳米梁腔所产生的窄的离散态干涉相消实现Fano共振。基于耦合模理论,定性分析该结构中Fano共振的产生机制,利用时域有限差分法对该结构进行模拟仿真,定量分析结构参数对折射率传感特性的影响,并对结构参数进行优化分析。结果表明,优化后的结构品质因子值可高达5.1×10^3,这将为集成光子晶体波导传感器件设计提供有效的理论参考和技术指导。

基于紧束缚法的空气栅光子晶体双缺陷模传感机理研究

为了降低外界环境温度变化对单缺陷光子晶体折射率传感的干扰,提出了一种双缺陷空气栅光子晶体的传感模型。通过紧束缚法分析光子晶体双缺陷模的产生机理,并结合传输矩阵理论分析该光子晶体结构的光学传输特性。针对折射率和温度的交叉敏感问题,提出了一种消除温度干扰的方法,并建立两缺陷模波长与光子晶体结构参数之间的关系模型。利用该空气栅光子晶体,通过观测双缺陷峰波长的漂移,即可实现待测气体样本参数的动态监测。通过数值模拟可以发现,两缺陷模的波长均与待测气体的折射率呈线性关系,该传感具有结构简单和精度高等优点。

含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感机理

基于波导耦合光栅的共振原理和多孔硅的光学传感特性,提出一种含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感模型。根据古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论和波导耦合光栅共振的相位匹配条件,建立共振波长与待测样本折射率之间的关系模型,并分析了折射率传感结构的折射率传感特性。利用多孔硅高效的承载机制,将其作为待测样本承载单元,选用不同浓度的乙二醇溶液作为待测样本,对该折射率传感结构的灵敏度和品质因数Q进行分析。结果表明,该折射率传感结构对乙二醇溶液的灵敏度为2.2nm/1%,Q值为226,证明了该传感结构的有效性,它可实现对低浓度待测样本的检测。

单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘腔结构。由圆盘腔形成的两个孤立态与金属挡板形成的较宽的连续态干涉相消,形成两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论分析了该结构形成Fano共振的传输特性,用有限元分析法对结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明:优化后的结构在两种模式下的优质因子分别为1.7×105和1.36×105,折射率灵敏度分别为710nm/RIU和1105nm/RIU,可为解决传感器在折射率测量时的交叉敏感问题提供理论参考。