随着现代光纤技术的兴起与迭代,光纤传感技术也逐步走进人类的日常生活。相较于电传感器件,光纤传感器具有质量轻体积小、抗电磁干扰、快速响应、灵敏度高的优势。D形光纤,顾名思义就是横截面呈字母“D”样式的光纤。它作为新兴的光纤传感基底,因其本身具有强倏逝场、制作工艺简单、插入损耗可控、易与功能性材料结合的特性,近些年来成为各国学者的研究热点。虽然对D形光纤的传感研究已取得很大的进展,但其本身固有的传感结构易于断裂、交叉敏感、抛磨面与水平面夹角不易控制等问题难以解决。本文通过将D形光纤与柔性材料PDMS相结合的方式,以提高D形光纤的柔韧性,提出一种新型的光纤柔性传感器。基于此,本文分别研究了基于PDMS薄膜的D形光纤多参量传感器、基于D形光纤的柔性传感以及基于双芯-D形光纤的多参量传感器。主要研究内容如下:提出了一种基于PDMS薄膜的D形光纤多参量传感器。首先,使用光纤抛磨系统将单模光纤加工为改进的D形光纤,激发多模干涉。然后,通过提拉-镀膜的方法将改进的D形光纤封装到微米级厚度的PDMS薄膜中,以提供保护和稳定的折射率环境。由于D形光纤的天然的非对称结构,该传感器可以辨别两个弯曲方向,并且具有高灵敏度,包括曲率灵敏度(2.66d B/m)、温度灵敏度(0.344 nm/℃)和应力灵敏度(0.26 pm/με)。接着,基于该传感器,提出了基于D形光纤的柔性传感器,用于动态弯曲的实时监测,并且在速度传感和位移传感方面具有潜力。此外,对该传感器进行了弯曲试验,证实了它的稳定性和可重复性,并且将其应用于人体手指和手腕的弯曲,可以实现手指和手腕弯曲幅度的检测和辨别手腕的弯曲方向。本研究旨在探究基于双芯-D形光纤的多参量传感器。实验中,首先将一段双芯光纤的两端与单模光纤相熔接,利用马赫曾德干涉效应,可以观察到该结构的透射光谱中存在消光比大约15 d B的干涉谷。然后使用光纤抛磨系统对双芯光纤进行部分抛磨,使抛磨面破坏一个纤芯,通过改变外界环境的有效折射率来操控两个纤芯的光程差,以实现传感目的。实验结果表明,在折射率n变化范围为1.344～1.375时,该结构的最大折射率响应为188.06 nm/RIU;在曲率变化范围为0～2.56 m时,传感器不仅可以辨别正、负两个弯曲方向,而且最大曲率灵敏度达到了0.221 d B/m。此外,该传感器还表现出极低的温度灵敏度。该结构具有实现柔性传感功能的潜力。
近年来,无线能量传输技术的突破较好地解决了无线传感器网络中的能量供应问题,并且使得无线可充电传感器网络的发展成为可能。针对无线可充电传感器网络,大多数现有研究工作主要考虑传统的充电网络模型,即所有的充电站和传感器都由用户进行部署和维护。不同于现有工作,本文提出了一个新颖的协作充电服务模型。在该模型中,网络中的所有充电站由一个充电服务提供商(Charging Service Provider,CSP)进行部署和维护,用户根据特定的充电需求定期向CSP请求充电服务,并通知网络中的传感器设备移动到对应的充电站接受CSP提供的充电服务,最终用户依据充电服务时间向CSP支付相应的充电服务费用。基于上述充电服务模型,本文主要研究高时效低成本的传感器设备移动协作充电调度优化问题,即如何找到一个最优的传感器设备协作充电调度策略,以使得在满足时效性约束的前提下实现总充电服务费用最小化。本文分别针对不同类型的应用场景,对上述问题进行了深入的研究。(1)针对延迟非敏感(delay-insensitive)的应用场景,研究了基于位置一致性的高时效低成本的传感器设备移动协作充电调度优化问题。在该问题中,每个传感器设备在停止服务时间的约束下,选择合适的充电站完成充电后返回其初始部署位置。本文首先证明了该问题的NP困难性,接着探究了单充电站情况下的目标问题,并提出了一个多项式时间复杂度的最优解决方案,在此基础上,进一步结合贪心法与剪枝法的思想,为多充电站情况下的目标问题提出了一个多项式时间复杂度的有效近似算法。最终通过大量的仿真实验表明,本文的算法相比于其它对比算法,至少能够提高20%以上的性能。(2)针对延迟敏感(delay-sensitive)的应用场景,研究了基于拓扑一致性的高时效低成本的传感器设备移动协作充电调度问题。该问题放宽了对传感器设备移动范围的约束,使其完成充电后不一定必须回到初始部署位置,而只需保证所有传感器设备充电完成后回到的位置所形成的拓扑结构和初始部署位置形成的拓扑结构一致即可。针对该问题,本文首先研究单充电站情况下的调度,并通过三次优化,将其等价转换为最大基数瓶颈二部图匹配问题,并设计了一个多项式时间复杂度的最优化算法。然后在此基础上,使用贪心法和迭代法的思想,为多充电站情况下的目标问题提出了一个多项式时间复杂度的高效解决方案,并通过广泛的仿真实验证明了本文所提出的算法相比于其它对比算法具有明显的性能优势。
暂无评论