基本信息

项目名称:
面向煤矿生产安全监测的光学微腔温度传感器
小类:
信息技术
简介:
本项目设计并实现一种面向煤矿安全生产检测的光学微腔温度传感器,属于新型微纳传感技术, 该系统在新型化工、空气质量检测以及构建煤矿安全生产监测网络等方面有巨大应用潜力,能推动我省相关行业和产业进步。其高灵敏性、低功耗和小体积的特点使此传感器在构建传感器网络、分布式监测系统以及物联网上有重要应用。
详细介绍:
基本思路是通过热对微米纳米结构的热光效应以及热膨胀效应实现了环境温度的传感。当环境中耦合系统周围的环境发生改变时,光学微腔材料的表面折射率就会改变,从而耦合系统的透射光谱发生明显的变化,不同温度的环境对耦合系统的影响不同。由于该系统容易受到周围环境温度的影响因此具有探测灵敏度高、响应时间短、使用方便、体积小等优点。

作品图片

  • 面向煤矿生产安全监测的光学微腔温度传感器
  • 面向煤矿生产安全监测的光学微腔温度传感器
  • 面向煤矿生产安全监测的光学微腔温度传感器
  • 面向煤矿生产安全监测的光学微腔温度传感器
  • 面向煤矿生产安全监测的光学微腔温度传感器

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

创新点主要有:(1)利用锥形光纤与光学微腔的耦合透射光谱的变化来检测温度的变化,把低功耗、小型化的微光学结构用于温度传感;(2)此外本项目中提出的光学微腔的封装方法属于国际首创,已申请国家发明专利,其是本项目的另外一个鲜明的创新点。 主要技术指标有: 1、敏感单元封装体积:≤2mm3; 2、探测器响应时间:≤500ns,放大倍数:102—104;3、可探测温度范围: -100℃--200℃;4、温度传感响应时间:≤500ms;5、灵敏度:14pm/℃;6、分辨率:1.05×10-3℃。

科学性、先进性

该项目主要在于把低功耗、小型化的微光学结构用于温度传感。把微光学结构的良好光学特性与高灵敏快速温度结合起来,实现高分辨力温度场分析与传感,为构建网络化传感打下基础,也为构建煤矿预警中的生产矿井温度分布构建基础。其次,该温度传感器是基于微纳结构倏逝波场的传感机理。利用微纳结构光学器件的强倏逝场特性提高了传感和探测的灵敏性和分辨力。此外,本项目中提出了一种光学微腔的封装方法,其是国际首创,目前的研究证明,该方法是推进光学微腔研究走向应用的重要一步。同现有的温度传感器对比发现,该系统具有更快的响应速度,有更小的敏感头、更低的损耗和更高的灵敏度,适合构建分布式在线温度场监测。并且,传感核心单元采用微纳结构光学器件,使得该系统更易于构建大空间分布式传感系统,为进一步构建物联网系统打下温度传感器件的基础。

获奖情况及鉴定结果

(1)2010年10月13号获得了一项发明专利的授权。 (2)2010年7月27号申请了三项发明专利,并拿到申请号。 (3)2010年在第七届太原市青少年发明创新竞赛中荣获一等奖。 (4)2011年获得中北大学“刘鼎杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获一等奖。

作品所处阶段

中试阶段

技术转让方式

未转让

作品可展示的形式

图片 实物 现场演示

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

自行制造、封装微纳锥形光纤与光学微腔,并设计实现光学探测器以完成在温度传感的光学信号的采集与光电信号的转换,通过信号处理模块对探测器采集的信号进行分析处理,获得微纳结构所处环境的温度等信息,有高灵敏性、低功耗、响应时间短、系统可扩展性强等优点,在新型化工、空气质量检测以及构建煤矿安全生产监测网络等方面有巨大的应用潜力,能推动我省相关行业和产业的进步。 根据目前煤矿安全开采、物联网技术研发等需求,其经济效益十分可观,具有重大的社会经济意义。

同类课题研究水平概述

光学微腔具有超高的品质因数和较低的模式体积。在要求极细线宽、极高能量密度、极细微探测能力的场合中得到重要应用,国外的相关研究主要集中在美国。以加州理工大学Vahala1 领导的小组为代表,研制了基于微腔的生物蛋白传感器。2002年,美国洛克菲勒大学生物物理研究中心Vollmer领导的小组利用微球腔和锥形光纤的耦合系统研制高灵敏度的生物传感器,通过测试吸附在微腔表面的牛血清蛋白,测得了很好的灵敏度。并且对维生素H以及连锁状球菌有很好的检测效果。他的实验小组还对该传感器的工作原理进行了理论分析。分析表明该装置能探测到的生物分子量下限50,是以前的生物传感器的1/3。即使是原子尺度的生物分子附着在微腔表面,耦合系统同样会有反应。这一结果对生物医学乃至整个生命科学有重要的意义。通过光学微腔与耦合器件的相对距离的改变可以用于研制高灵敏度加速度传感器。腔体和耦合器件很小的距离变化(几个nm)会直接影响输出波形的相位和强度,这就意味着史无前例的灵敏度。根据不同的测试场合,可以通过调整光学微腔的直径大小以及改变耦合方式来满足需求。Lain等曾在实验室环境下,通过检测谐振振幅和线宽的改变实现了1mg的极高灵敏度的加速度探测。 光学微腔在工作的过程之中以热传导的方式与周围的环境进行着热量的交换,从而与外界温度保持着一致。因此,当对光学微腔加热时,就能够引起平面环形微腔的谐振频率的明显变化。这一现象最初是由Rosenberger在做微球腔激光试验的过程之中发现的,误差仅为1%。因此对于已知材料的腔体根据微腔频谱的变化就能够测得其温度的变化。整个温度测量系统以其小体积、高灵敏度等优点必将在生物医学、工业特殊环境控制方面有广阔的应用空间。 由此可见,根据引起微腔传输特性变化的原因多种多样,以某一方面为切入点可以设计高灵敏度的微型探测器件。但是,器件的性能优劣直接决定于微腔的品质因数、模式体积等特性参数。因此设计制造高性能的光学微腔的意义就显得尤为重要。 国内起步较晚,但是由于光学微腔的高Q优势,在传感性能上会有所提高。
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