en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2025-92-06-45-54
Оптоволоконная сенсорная система с гибридной структурой для обнаружения ионов металлов и устранения помех от напряжений
Jun Qi Guo, Wen Yue Zheng, Qianwen Xu, Yu Liu, Yan Fang Zhou, Ren Pu Li. A fiber sensing system based on the hybrid structure for metal ion detection and stress interference decoupling (Оптоволоконная сенсорная система с гибридной структурой для обнаружения ионов металлов и устранения помех от напряжений) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 6. P. 45–54. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-45-54
Jun Qi Guo, Wen Yue Zheng, Qianwen Xu, Yu Liu, Yan Fang Zhou, Ren Pu Li. A fiber sensing system based on the hybrid structure for metal ion detection and stress interference decoupling (Оптоволоконная сенсорная система с гибридной структурой для обнаружения ионов металлов и устранения помех от напряжений) [на англ. языке] // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 6. С. 45–54. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-45-54
Предмет исследования. Принципы построения оптоволоконных детекторов ионов металлов и давления набегающего потока движущейся водной среды. Цель работы. Увеличение чувствительности оптоволоконного датчика к концентрации ионов металлов в жидкости и давлению вследствие перемещения водных масс в естественных средах. Метод. Аналитически, а также с помощью компьютерных и физических моделей исследуется чувствительность датчика, структура которого включает собственно измеритель концентрации ионов металлов, переходной D-образный оптоволоконный модуль и измеритель давления потока набегающей жидкости на основе оптоволоконной решётки. Основные результаты. В результате экспериментов по измерению концентрации ионов металлов доказано, что чувствительность предлагаемого датчика к концентрации ионов металлов достигает 105 нм·мл/моль при получении устойчивого сигнала, соответствующего как осевой деформации, так и деформации изгиба чувствительного элемента датчика вследствие набегающего потока жидкости. Практическая значимость. Разработаны принципы построения, методы расчёта датчика концентрации ионов металлов и напряжений вследствие давления потока жидкости, который может быть использован для экологического мониторинга природных водных сред.
оптоволоконный датчик, напряжение набегающего потока жидкости, обнаружение ионов металлов, оптоволоконная решётка
Благодарность:работа финансировалась Национальным фондом естественных наук Китая (61705027, 62005033 и 52175531), проектом фундаментальных исследований Комиссии по науке и технологиям Чунцина (CSTC-2020jcyj-msxm0603), программой научно-технических исследований муниципальной комиссии по образованию Чунцина (KJQN202000609)
Коды OCIS: 060.2370
Список источников:1. Schreiter N., Wiche O., Aubel I., Quirina R.G., Martin B. Determination of germanium in plant and soil samples using high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry (HR CS GFAAS) with solid sampling // Journal of Geochemical Exploration. 2021. V. 220. P. 106674. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2020.106674
2. Chen B.H., Jiang S.J., Sahayam A.C. Determination of Cr (VI) in rice using ion chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry // Food Chemistry. 2020. V. 324. P. 126698. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.126698
3. Ma J.X., Wang Y., Liu G.C., Xu N., Wang X.L. A pH-stable Ag(i) multifunctional luminescent sensor for the efficient detection of organic solvents, organochlorine pesticides and heavy metal ions // RSC Advances. 2020. V. 10. P. 44712–18. https://doi.org/10.1039/d0ra08991e
4. Lu M.X., Deng Y.J., Luo Y., Lv J.P., Li T.B., Xu J., Chen S.W., Wang J.Y. Graphene aerogel-metal-organic framework-based electrochemical method for simultaneous detection of multiple heavy-metal ions // Analytical Chemistry. 2019. V. 91. № 1. P. 888–895. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.8b03764
5. Zhang Y.N., Sun Y., Cai L., Gao Y.P., Cai Y. Optical fiber sensors for measurement of heavy metal ion concentration: A review // Measurement. 2020. V. 158. P. 107742. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.107742
6. Abdulkareem H.D., Alwahib A.A., Bushara R. M. PCF-multimode/endless fiber sensor for respiratory rate monitoring // Optoelectronics Letters. J. 2023. V. 19. № 1. P. 8–13. https://doi.org/10.1007/s11801-023-2114-1
7. Min R., Liu Z.Y., Pereira L., Yang C K., Sui Q., Marques C. Optical fiber sensing for marine environment and marine structural health monitoring: A review // Optics And Laser Technology. 2021. V. 140. P. 107082. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107082
8. Li Y.Z, Miao Y.P., Wang F., Hu K., Zhang K. Micro-displacement sensor based on an asymmetric wavy multimode fiber interferometer // Optoelectronics Letters. J. 2023. V. 19. № 3. P. 134–138. https://doi.org/10.1007/s11801-023-2139-5
9. Raghunandhan R., Chen L.H. et al. Chitosan/PAA based fiber-optic interferometric sensor for heavy metal ions detection // Sensors and Actuators B-Chemical. 2016. V. 233. P. 31–38. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.04.020
10. Lu M.D., Zhou H.F., Masson J.F. Dithiol self-assembled monolayer based electrochemical surface plasmon resonance optical fiber sensor for selective heavy metal ions detection // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. № 12. P. 4034–4040. https://doi.org/10.1109/jlt.2021.3060796
11. Liu M.F. Wang J.W., Hwang S.J. In-fiber Mach–Zehnder interferometer based on hollow optic fiber for metal ion detection // Optics Express. 2022. V. 30. № 15. P. 26006. https://doi.org/10.1364/oe.459221
12. Shakya A.K., Singh S. State of the art in fiber optics sensors for heavy metals detection // Optics And Laser Technology. 2022. V. 153. P. 108246. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108246
13. Ghosh S., Dissanayake K., Asokan S., Sun T., Rahman B.M.A., Grattan K.T.V. Lead (Pb2+) ion sensor development using optical fiber gratings and nanocomposite materials // Sensors and Actuators B-Chemical. 2022. V. 364. P. 131818. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131818
14. Liu Z., Li GS., Zhang A., Zhou G.Y., Huang X.G. Ultra-sensitive optical fiber sensor based on intermodal interference and temperature calibration for trace detection of copper (II) ions // Optics Express. 2021. V. 29. № 15. P. 22992–23005. https://doi.org/10.1364/oe.434687
15. Zhou R., Qiao X.G., Wang R.H., Chen F.Y., Ma W.W. An optical fiber sensor based on lateral-offset spliced seven-core fiber for bending and stretching strain measurement // IEEE Sensors Journal. 2020. V. 20. № 11. P. 5915–5920. https://doi.org/10.1109/jsen.2020.2973203
16. Zhu Chen., Zheng H.K., Alsalman O., Naku W., Ma L.M. et al. Simultaneous and multiplexed measurement of curvature and strain based on optical fiber Fabry–Perot interferometric sensors // Photonics. 2023. P. 580. https://doi.org/10.3390/photonics10050580
17. Zhao J.C., Zhao Y., Bai L., Zhang Y.N. Sagnac interferometer temperature sensor based on microstructured optical fiber filled with glycerin // Sensors and Actuators A-Physical. 2020. V. 314. P. 112245. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112245
18. Liu Y.D., Chen H.L., Chen Q., Li B.C., Li S.G. Experimental study on dual-parameter sensing based on cascaded Sagnac interferometers with two PANDA fibers // Journal of Lightwave Technology. 2022. V. 40. № 9. P. 3090–3097. https://doi.org/10.1109/jlt.2022.3145004
19. Pang, M., Xuan, H. F., Ju, J., Jiu, W. lnfluence of strain and pressure to the effective refractive index of the fundamental mode of hollow-core photonic bandgap fibers // Optics Express. 2010.V. 18. № 13. P. 14041-14055. https://doi.org/10.1364/oe.18.014041.DO1:10.1364/0e.18.014041