基于双维尼尔放大与轻量级卷积神经网络的全范围超灵敏光纤氢气检测技术

《ACS Sensors》：Full-Range Ultrasensitive Fiber-Optic Hydrogen Detection via Twin Vernier Amplification and Lightweight CNN

　　

摘要

要实现可靠的氢气监测，需要使用具有高灵敏度、宽动态范围以及抗环境干扰能力的传感器。在此，我们介绍了一种单片集成的双法布里-珀罗干涉仪（双FPI）光纤氢气传感器，该传感器将双维尼尔光谱放大技术与轻量级的双分支融合卷积神经网络（DBF-CNN）相结合。该传感器在单根光纤上集成了填充有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的温度参考腔体以及PDMS/Pd-WO₃氢气敏感腔体，从而无需外部参考装置即可实现内在温度补偿和不受湿度影响的检测。数字双维尼尔放大技术可使灵敏度提升约10倍，其灵敏度可达–62.989纳米/%，检测下限为5.33 ppm。为了解决自由光谱范围带来的波长不确定性问题，我们采用了基于物理原理的光谱数据增强方法，并结合轻量级的DBF-CNN回归模型，实现了从0%到100%体积分数的氢气浓度端到端反演，相关系数R²为0.999443，均方根误差为0.682%。这种集成式传感方案同时解决了灵敏度、检测范围以及环境交叉敏感性等问题，为光纤氢气安全监测提供了一种紧凑的解决方案。