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关键词： 光纤布拉格光栅   压差式流量传感器   低启动流量测量  

摘要： 流量测量在石油生产测井领域中起着至关重要的作用。精确测量油气井下流体流量信息,对于井中安全监测,提高采收率等意义重大。近年来,随着石油产业的不断发展,以及人民群众对石油能源需求量的不断提高,石油生产已经逐步从常规化生产转向高含水油气、页岩气等复杂环境下生产。由于开采难度的提高,传统的流量检测方式由于其灵敏度低、耐高温高压能力弱等原因,逐渐无法满足人们的勘探需求。而光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术由于其具有灵敏度高、耐高温高压、抗电磁干扰且尺寸小等优点,逐步得到了广大科研人员的关注,成为了目前研究的重要方向。本论文提出的光纤光栅压差式流量传感器因其具有低启动、高灵敏的特点,适用于油气井中小流量的实时监测。本文基于压差式传感机理,结合光纤光栅传感基本理论,进行了一系列流量传感研究,主要内容包括传感器结构设计、仿真优化和实验测量等相关工作。具体内容包括:(1)对当前油气井下流量测量的常见方式进行分析,总结各电类流量传感器的组成结构、工作原理和优缺点,对比分析FBG流量传感器的优点,讨论各类FBG流量传感器的特点。根据油气井下流量测量面临的实际问题,提出本文的工作内容。(2)从理论层面上阐述了FBG压差式流量测量的传感机理,包括耦合模理论、Bragg条件、热光效应、弹光效应和热膨胀效应等。分析计算在流体域中流量与应变之间的关系,建立相关物理模型。(3)设计并研制了一种基于差压式传感机理的低启动光纤光栅流量传感器。分析了FBG及压差式传感机理,推导了其中心波长变化量与流量之间的关系。通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感,然后通过静压实验验证了理论部分的正确性,最后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明,封装后的传感器静压响应灵敏度分别为86.6925 nm/MPa和68.6286 nm/MPa;两根FBG的温度灵敏度分别为0.0298 nm/℃和0.0288 nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00029 L/s。(4)提出了一种使用扁平固支梁进行流量转换单元的FBG流量测量方法。以提高灵敏度、降低传感器尺寸为设计思想,建立流量传感器模型,结合油气井下对于传感器的实际要求,优化传感器各项参数。首先通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感,然后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明,两根FBG的温度灵敏度几乎一致,分别为0.0279 nm/℃和0.0287 nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00017 L/s。

关键词： (2+1)维非线性Schr?dinger方程   变系数KdV方程   相似构造法   CK直接约化法   (G'/G)-展开法   精确解   相似解  

摘要： 变系数的非线性偏微分方程在许多数学物理问题中具有十分广泛的应用,求解变系数的非线性偏微分方程是物理学家和数学家研究的重要课题.本文研究了两类变系数的非线性波动方程:具有空间调制系数的(2+1)维非线性Schr?dinger方程和带强迫项的变系数Korteweg-de Vries方程.利用相似构造法、CK直接约化法和(G'/G)-展开法求解,得到了上述两类方程的一些新的相似解.全文共分为如下四个章节:在第一章中,我们介绍了本文的研究方法、主要内容及主要结果.在第二章中,我们研究了具有空间调制系数的(2+1)维非线性Schr?dinger方程.首先,经过恰当的变换,将具有空间调制系数的(2+1)维非线性Schr?dinger方程所对应的线性方程转化为Hukuhara方程,并利用相似构造法求解.其次,利用(G'/G)-展开法和拟设函数法给出了具有空间调制系数的(2+1)维非线性Schr?dinger方程的精确解,包括明暗孤子解、双曲函数解、三角函数解和有理函数解.最后,分别画出了在k=1,2时的具有空间调制系数的(2+1)维非线性Schr?dinger方程与它们所对应的线性方程解的图像,这揭示了具有空间调制系数的(2+1)维非线性Schr?dinger方程解的演化规律可以由其所对应的线性方程确定.在第三章中,我们研究了带强迫项的变系数Korteweg-de Vries方程.首先,利用CK直接约化法将带强迫项的变系数Korteweg-de Vries方程转化为常微分方程.其次,利用(G'/G)-展开法求出了该常微分方程的解.最后,给出了带强迫项的变系数Korteweg-de Vries方程的相似解并画出了它们的图像.在第四章中,我们总结了本文所做的主要工作并展望未来研究的问题.

关键词： 可穿戴   光子集成芯片   光纤光栅解调   温度   心音   脉搏   血压  

摘要： 相较于传统的电学传感器而言,光纤传感器有其无法比拟的优势,其具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积较小等,并且光纤传感器能够织入织物内部,成为了可穿戴传感技术的关键。硅基光子学的发展为光学系统的微型化提供了可行性,微型化的光纤光栅解调系统可以更好的服务于对人体的温度、脉搏、心音等各项生理指标参数进行光子传感与检测。 本论文的主要工作结合国家自然科学基金、天津市重点研发计划等项目的研究内容与研究目标开展。我们基于比利时微电子研究机构(IMEC)的i Si PP50G工艺研制了硅基光子集成芯片,并且利用光子集成芯片设计了解调系统,制作了柔性解调手环电路,可实现对人体温度、心音、脉搏和血压参数进行实时监测。论文的主要研究内容如下: 1.设计了一种基于硅基光子集成芯片的微型光纤光栅解调系统。为提高解调系统集成度,选用SLD光源芯片作为光子集成芯片的光源;利用光纤对准耦合封装技术对光子集成芯片和光源芯片进行了水平耦合封装;利用线径为25μm的金线完成了光子集成芯片和光源芯片的键合;设计了滤波电路、I/V转换电路、蓝牙电路及电源管理电路,并制作了柔性光纤光栅解调手环电路。 2.提出了一种基于数学形态学的人体心音信号处理算法。利用小波变换提取第一心音(S1)和第二心音(S2),并通过余弦结构元素对去噪后的心音信号进行心音包络提取,通过所提取的心音包络识别心音信号的峰值点和起止点,并提取特征参数进行分类诊断,根据心率、第一心音时限、第二心音时限和心力诊断结果判断人体健康状态。 3.提出了一种基于脉搏波的血压检测算法,通过小波阈值去噪对脉搏波进行预处理,提取脉搏波特征参数,选取与血压相关性高的特征参数,利用偏最小二乘法建立人体血压估算模型。该算法计算出的收缩压、舒张压与电子血压计的结果有较好的一致性,收缩压SBP和舒张压DBP的误差分别为3.24±2.87mm Hg和3.75±3.01mm Hg。 4.提出了一种利用热熔压工艺将传感器植入衣物的方法,通过阵列波导光栅解调法,实际人体穿戴下对温度、心音和脉搏信号进行检测。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1545 nm-1555nm,温度监测范围为35℃-42℃,误差为±0.2℃,解调系统分辨率为±0.122pm;可实时检测人体心音和脉搏信号,运动前后可穿戴系统检测的收缩压SBP、舒张压DBP和心率均具有较好准确性。

关键词： 半线性波动方程   呼吸子解   时间周期解   变分方法  

摘要： 非线性波动方程可以刻画包括流体力学、化学等多个科学领域的非线性现象,研究其解性质能为其他科学领域研究提供理论依据.非线性波动方程的呼吸子解(空间局域化的时间周期实值解)在线性色散方程中观察不到,是真正的非线性现象,因此对于非线性波动方程呼吸子解的研究有着十分重要的意义.本文研究如下R × R中的1+1维半线性波动方程其中V,q ≥0是2π-周期分布势,满足V(x)=α+β1δ1per(x)+β2δ2per(x),q(x)=τω2V(x),α>0,β1>0,β2=Mβ1,M≥ 1,且δ1per(x),δ2per(x)分别是集合Iδ1:={2nπθ:n ∈ Z},Iσ2:={2nπ:n ∈Z}上的 2π 周期延拓,0≤|τ|<τ0.f(x,u)为 2π-周期函数且满足 |f(x,u)|≤c(1+|u|p),c>0,p>1.本文主要利用变分方法证明了该半线性波动方程存在呼吸子解,具体的证明过程主要分为如下三个部分:第一部分:首先利用解的傅里叶级数展开,将波动算子分解成一组椭圆Hill-型算子(Lk)k∈Zodd,再利用Floquet理论对波动算子进行谱分析,可得它的谱远离原点,即在0附近存在谱间隙.0附近的谱间隙是通过强不定泛函的变分临界点方法找到呼吸子解的前提.第二部分:这部分内容主要研究了算子Lk的性质及呼吸子解的泛函分析框架.首先利用0附近的谱间隙对椭圆算子|Lk|进行估计,得到两个双线性形式估计,然后定义了一个呼吸子解所在的Hilbert空间H,由于双线性形式估计,可以证明此Hilbert空间在一个Lebesgue空间中存在嵌入性质,这种嵌入性质是之后利用变分方法控制非线性项的关键.第三部分:本文所研究的半线性波动方程可以看成是泛函J的Euler-Lagrange方程,从而定义一个广义Nehari流形,由于广义Nehari流形不能生成Lagrange乘子,它可以看成是一个极小化约束,利用广义Nehari流形变分方法在函数工作空间H中找到泛函J的临界点作为弱解,从而证明本文的主要结果,半线性波动方程呼吸子解的存在性和正则性.

关键词： 通关散总苷元   紫杉醇口服生物利用度   P-gp   CYP3A4   CYP2C8  

摘要： 目的:紫杉醇是一种广谱抗癌药物,但由于溶解度差且为P-gp和CYP450共同底物,口服生物利用度很低,口服剂型的应用受限。其临床应用剂型主要为注射剂,紫杉醇注射液疗效确切但副作用也很明显。因此提高紫杉醇口服生物利用度,发展患者依从性高、成本低、无创安全的紫杉醇口服制剂一直以来都是研究热点。改善紫杉醇口服生物利用度低的首要关键在于促进紫杉醇在肠道的吸收。通光散总苷元(Total aglycones of Marsdenia tenacissima,TAMT)是将中药通光散(Marsdenia tenacissima)乙酸乙酯提取部位经酸水解制备所得,富含多种通光藤苷元乙(tenacigeninB)的酯类衍生物。本课题前期研究发现TAMT能显著增强紫杉醇对异种移植的KB-3-1和HeLa实体瘤的生长抑制作用;TAMT的主要成分之一11α-O-2-Methylbutanoy1-12β-O-tigloyl-tenacigenin B(MT2),对多药耐药蛋白 MDR1(P-gp)、肝代谢酶 CYP3A4 和CYP2C8活性均抑制作用,能显著提高紫杉醇(注射)在大鼠体内的达峰浓度(Cmax)和药时曲线面积(AUC(0-t),降低表观分布容积(VZ/F)的作用;显著增强紫杉醇注射剂对紫杉醇诱导多药耐药(MDR)的人宫颈癌HeLa/Tax异种移植瘤的生长抑制作用。因此,我们推测TAMT可通过抑制肠道P-gp促进紫杉醇在肠道的吸收,可作为紫杉醇增敏剂协助紫杉醇口服剂型的开发和临床应用。基于此,本课题对TAMT是否能够提高紫杉醇的口服生物利用度、促使口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤作用展开研究。本研究可为TAMT应用于抗肿瘤药紫杉醇口服剂型的开发和临床应用提供实验依据。方法:一、TAMT的药效物质基础研究1.采用HPLC对TAMT中的主要成分进行定性分析。2.采用Q Exactive LC-MS/MS技术,对TAMT中的通光散苷元乙酯类衍生物进行鉴定。二、TAMT提高紫杉醇口服生物利用度的实验研究SD大鼠随机分为5组,分别灌胃给予30 mg/kg的紫杉醇(OP组)、30 mg/kg紫杉醇和 400 mg/kg(OP-TH 组)或 200 mg/kg TAMT(OP-TL 组),或尾静脉注射 10 mg/kg紫杉醇(VP组)、紫杉醇10 mg/kg并灌胃给予400 mg/kgTAMT(VP-TH组)。分别在给药后不同时间点采集眼眶血分离血浆,UPLC-Q/TOF-MS法测定血浆中紫杉醇浓度,计算各组紫杉醇的药代动力学参数。根据TAMT对紫杉醇在大鼠体内药代动力学行为的影响评价其提高紫杉醇、尤其是口服紫杉醇生物利用度的能力。三、TAMT促进口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤作用的实验研究1.荷瘤模型建立:将1x108个/mL的HeLa/Tax细胞悬液与基质胶1:1比例混匀以200 μL体积注射于雌性BALB/C裸鼠皮下建立荷瘤模型。2.动物分组和治疗:将42只肿瘤体积为50～100 mm3的荷瘤小鼠按每组7只随机分为6组,分别灌胃给予10 mL/kg的空白溶剂(Model组)、20 mg/kg紫杉醇(OP组)、200mg/kg TAMT(TL 组)、20mg/kg紫杉醇联合 200mg/kg TAMT(OP-TL组),或腹腔注射阳性药消癌平注射液10mL/kg(IX组)、口服20mg/kg紫杉醇联合腹腔注射消癌平注射液10mL/kg(OP-IX)。隔日给药一次,连续10次,给药结束后停药观察2天结束实验。实验期间定期记录小鼠体重和肿瘤体积变化。3.取材和检测:实验结束后剥取各组肿瘤,拍照称重。采集心、肝、脾、肺、肾,H&E染色观察组织病理学改变情况。根据结果评价TAMT是否能促进口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤作用,以及TAMT联用是否对小鼠造成毒害。部分肝脏组织和肿瘤组织采用4%多聚甲醛固定,用于后续的免疫组化分析。四、TAMT提高紫杉醇口服生物利用度、协助口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤药效的作用机制研究***在Caco-2单层细胞上对紫杉醇的吸收和转运的影响及机制研究(1)紫杉醇的吸收和转运:将人结肠癌细胞Caco-2接种于12-Transwell嵌入式培养板的顶侧(AP)小室,使其生长至完全融合并形成符合要求的单层以模拟体内肠道吸收环境。随后,将紫杉醇(5 μM)加入到细胞单层的培养液中,同时加入或不加入一定浓度的TAMT(10或20 μg/mL)进行孵育。采用UPLC-Q-TOF-MS法在孵育的不同时间点检测侧(AP)和基底侧(BL)小室培养液中紫杉醇的量,计算AP→BL转运和BL→AP转运的表观渗透系数Papp以及外排比ER,评价TAMT对紫杉醇的吸收和转运的影响。(2)P-gp转运功能:将Rhodamine 123(Rh-123,P-gp荧光底物)作为荧光探针检

关键词： 张量Tucker分解   矩阵低秩近似   随机算法   素描   幂迭代  

摘要： 随着大规模数据集的广泛使用,对高维数据进行压缩近似处理的需求越来越迫切。基于Tucker分解进行张量低秩近似的算法得到了广泛研究,并在机器学习、图像处理等实际应用中取得了显著的成功。在张量低秩Tucker近似的传统确定性算法中,计算中间矩阵的奇异向量需要对矩阵进行完整的奇异值分解,这个计算过程通常是十分耗时的,导致了计算成本过高的问题。矩阵低秩近似的随机化算法已经被广泛研究并应用于实际问题中,其基本思想是通过采样或投影来对大规模数据进行降维,然后求解矩阵低秩近似。与确定性算法相比,随机化算法的计算成本更低,通常能够在较短的时间内获得较好的近似结果。在张量低秩Tucker近似中,可以借鉴矩阵低秩近似的随机化思想,来计算中间矩阵的奇异向量,从而有效地改进传统的确定性算法。本文主要通过矩阵两边素描算法和幂迭代对STHOSVD算法进行改进,来解决STHOSVD算法中求解中间矩阵奇异向量计算成本过高的问题。主要研究内容如下:(1)矩阵两边素描算法是一种快速随机算法,用于计算矩阵低秩近似。本文将该算法应用于STHOSVD算法中,提出了 一种新的张量Tucker近似随机算法,该算法显著提高了计算效率,并具备理论上的收敛性分析和实验验证。在多个张量数据上的实验结果表明,该算法在保持较高近似精度的同时,可以显著减少计算时间。(2)当数据矩阵的奇异值衰减速度较慢时,简单的矩阵两边素描算法可能会导致较差的近似结果。为了提高算法精度,本文引入了幂迭代技术来加速奇异值的衰减,从而提高矩阵两边素描算法的性能。实验结果表明,结合子空间幂迭代的素描算法在各种数据集上都取得了相对较优的结果。(3)将结合子空间幂迭代的两边素描算法应用于STHOSVD算法,本文提出了一种更有效的张量低秩Tucker近似随机算法。实验结果表明,该算法相对于其他方法具有更好的性能表现,能够在优化计算成本的同时,达到和确定性算法相似的近似精度。

关键词： 风力机叶片   光纤光栅   应变监测   解调仪   寻峰算法  

摘要： 风能是可再生能源中最具开发潜质的一种,风机叶片是实现将风能向机械能转化的核心部件,其良好的结构性能是保证机组稳定、高效运行的前提。在长期的运行中,叶片会出现不同程度的纹裂现象,进而产生安全隐患,若不能及时进行监测,将会给机组带来不可逆转的损伤。因此,对风机叶片进行状态监测具有重要的理论意义及工程应用价值。本文首先对风机叶片结构及常见的叶片检测技术进行分析,针对现有检测技术的不足,设计了基于光纤光栅的风机叶片监测系统。论文主要研究内容如下:(1)构建以玻璃纤维复合材料制成的风机叶片模型。分析叶片在额定转速、最大转速、极端天气三种工况载荷情况下的力学性能,通过分析确定出风机叶片的重点受力区域,为光纤光栅传感器布局提供参考。(2)搭建了基于扫描激光器的光纤光栅解调系统,采用“FPGA+STM32”结构对多通道光纤光栅传感数据进行采集和解调。系统首先通过多通道开关CD4051芯片对多路光电传感数据进行切换,用AD9226芯片进行数模转换,并利用FPGA处理单元对采集数据的波峰进行解调,将解调峰值通过SPI接口传输给STM32F407芯片,再由Lo Ra模组与4G通讯模块将信号传至上位机。(3)针对实际工程应用中,光纤光栅的反射谱不是严格对称,导致寻峰过程中峰值存在一定误差。本文改进了一种在非对称高斯模型下的寻峰算法,通过五点滑动均值滤波法处理原始光谱数据,利用三点寻峰算法对反射谱进行峰值进行粗定位,引入非对称高斯模型对峰值位置进行校正,实验结果表明,本文算法能有效提高寻峰精度。(4)针对1.5MW的大型试验机组开展现场调试,搭建监测系统一体式样机,并对光纤光栅进行布局铺设,测试结果显示,本系统能够满足风机叶片在复杂环境下的应力监测需求,具有一定的工程价值。