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关键词： 典范平行因子分解(CP分解)   张量序列   变点检测   精确剪枝线性时间算法(PELT)  

摘要： 变点问题是统计推断的热点问题,在自动控制、金融、经济、医疗等各个领域都有广泛的应用,因而对变点检测问题的研究有重大意义。随着大数据时代的不断发展,数据不仅呈现出高维化趋势,还呈现出海量化趋势。面对复杂高维数据的变点检测,传统方法着眼于将高维结构展开,以多变量或者单变量的形式进行变点检测,这往往会破坏原始数据结构中的交互效应,导致检测精度不高且结果不稳定。因此,针对高维数据的变点检测以及预测模型的构建,本文进行了以下研究。第一,本文考虑对张量序列的波动率进行变点检测,保留原始数据的多维结构,着力发现序列中波动率结构发生显著变化的时间点。本文以国外经典数据集Fama-French组合收益率为启发,计算中国A股股票市场5×5以及10×10组合收益率数据,研究数据的动态协方差结构变化。在变点检测算法中,选取精确剪枝线性时间算法(Pruned Exact Linear Time),简称PELT,通过动态规划最小化惩罚成本函数提高变点检测过程中的搜索效率,以期更快更好检测出序列中的变点数量及位置。通过实验对比了以张量形式、多变量形式和单变量形式进行变点检测的效率和精度,验证了以张量结构进行变点检测能够有效提升变点检测的效果,而且能够检测出更多的变点。第二,本文对于张量序列采用典范平行因子分解(Canonical Polyadic Decomposition),简称CP分解。本文将CP分解与PELT算法融合,对原始张量利用CP分解去噪,保留原始结构中的关键信息再通过PELT算法进行变点检测。收集中国近70年31个省份多指标的经济数据,定义已知的经济市场发生变化的时间点,利用已知变点事件评估变点检测的优良性。第三,为了更进一步验证融合CP分解能够提高精度,本文将计算CP分解中的因子保留,作为自变量的一部分拟合因子增广自回归模型,与只利用历史信息的自回归模型进行比较,验证了融合CP分解能够提升变点检测精度,同时也能够对未来的预测提供正向作用。

关键词： 分类数据分析   张量分解   凸优化  

摘要： 多类别响应变量问题在近年受到广泛关注,如生物领域中探究基因表达与组织功能、结构的关系,计算机视觉领域中的图片分类、分割问题。与传统的单变量类别响应变量不同,在多变量场景下研究人员需考虑协变量与响应变量、响应变量与响应变量之间的关系,这对模型假设、参数求解等问题带来巨大挑战。多类别多响应问题的分析方法在生物、医药、经济、管理、农业、工业与工程技术等领域都具有广泛的应用场景,对此问题的研究不仅具有重要的学术价值,还能够为相关技术的应用提供强有力的支持。在本文中,张量模型被用来描述高维类别响应变量之间的交互效应,而协变量与响应变量之间的关联则通过条件概率模型来进行刻画。为增强现有模型的表达能力和泛化性,本文借助张量分解方法提升模型建模异质数据的能力并为其设计自适应参数估计算法。具体地,本文做出以下四方面贡献:第一,设计针对类别型变量的张量模型,通过张量分解的特殊结构提高模型对异质数据的拟合程度,进而提升模型对复杂情形的适应性;第二,利用谱方法设计确定性的惩罚EM算法进行参数估计,在提供较好的初始点的同时保证模型收敛速率;第三,借助数据填充技术处理缺失数据,进而拓展模型的适用范围。第四,利用广义可加模型实现非线性依赖情形的建模与分析。为说明所提出的方法的有效性,本文设计不可分情形、非参数情形和可分情形三类模拟实验,实验结果表明所提出的方法能够较为准确地刻画数据的生成过程。在应用部分,本文呈现本方法在变量选择、敏感性分析等方面结果,同时,多类方法的比较分析结果表明所提出的方法能够提升模型的预测准确度。

关键词： 可调激光器   声光可调滤波器   宽带调谐   快速调谐   增益介质级联  

摘要： 可调激光器能够对输出激光波长进行任意操控,因而被广泛应用于大容量光通信、分布式光纤传感以及精密物质检测等光电精密测量领域。随着精密测量技术的不断进步,对可调激光器的波长调谐范围与调谐速度提出了越来越高的要求。目前实现激光波长调谐的方式主要包括力学调谐、温度调谐、电光调谐以及声光调谐等机制。其中,基于力学调谐的激光波长调谐范围较大但调谐速度较慢,基于温度调谐的激光波长调谐精度较高但调谐范围小且调谐速度受限,基于电光调谐的激光波长调谐速度极快但调谐范围较小。而基于声光效应的可调滤波器件兼具波长调谐范围大以及调谐速度较快的优点,是实现快速、大范围可调激光器非常有潜力的方案。为实现激光器大波长范围调谐的目标,还需要扩大增益介质的原始增益光谱范围。针对目前可调激光器在快速、大波长范围调谐方面的研究热点和难点,本文开展激光波长调控核心器件、激光快速调谐系统以及增益范围扩展的系统性工作,基于光纤声光效应构建快速、大波长范围可调滤波器件,利用增益介质级联提高激光增益范围,最终形成快速、大波长范围可调激光系统。本文主要内容如下:(1)介绍了可调激光器的应用需求、典型调谐机制、声光核心器件以及增益范围扩展方式。首先介绍了可调激光器的应用需求,然后对可调激光器的典型调谐机制进行了分类介绍,并对可用于激光快速、大波长范围调谐的声光核心器件研究进展进行了重点介绍,最后介绍了典型激光宽带增益介质以及级联特性。(2)基于声致光纤偏振旋转机制,构建了全光纤大范围声光可调带通与带阻滤波器。首先介绍了声弯曲波对光纤折射率调制的原理,基于模式耦合理论,建立了声致光纤偏振旋转的理论模型。然后搭建了全光纤声光可调滤波器,该滤波器基于声致偏振旋转效应可同时获得带通和带阻滤波输出端口,并利用高阶模剥离器突破了常规光纤声光滤波器的单模条件限制,进一步扩展声光滤波器的波长调谐范围。所搭建的光纤声光可调滤波器带阻滤波的波长调谐范围为1081 nm至1582nm,带通滤波的波长调谐范围为1090 nm至1577 nm,波长调谐范围超过500 nm,声光调谐斜率为-0.807 nm/k Hz,波长切换时间约为110μs,为激光器的快速大波长范围调谐提供了核心器件。(3)基于所构建的光纤声光可调滤波器,搭建了环形腔半导体增益可调谐光纤激光器。首先测试了该激光器的稳态调谐特性,通过改变压电换能器的射频驱动频率,能实现从1503 nm到1598 nm的激光波长调谐,平均调谐斜率为-0.998nm/k Hz。然后测试了该激光器的动态调谐响应特性,通过加载扫频驱动信号能实现激光波长扫描,输出激光波长扫描速度最快达到31700 nm/s,激光波长扫描范围达到90 nm;利用射频驱动信号对输出激光在不同波长之间进行切换,测得激光波长切换的动态响应时间约为780μs。(4)利用双半导体增益提升声光可调光纤激光器的波长调谐范围。在声光调谐半导体增益光纤激光器的基础上,以并联的方式引入双半导体增益,搭建了宽带声光可调激光器系统。通过双增益介质并联提升激光增益带宽后,该声光可调激光器实现了从1507 nm到1627 nm的激光波长调谐,波长调谐范围达到120 nm,波长平均调谐斜率为-0.999 nm/k Hz。对该声光可调激光器的动态调谐特性进行测试,波长扫频速度提高到40000 nm/s,波长扫描范围达到120 nm,与静态波长调谐范围基本一致。该双半导体增益声光可调激光器的波长切换响应时间为790μs,与单增益声光可调激光器的响应时间基本相同,说明增益介质的级联能保持声光可调激光器的波长快速调谐特性。

关键词： 微创手术   光纤光栅传感器   力反馈   学习曲线   腹腔镜培训  

摘要： 研究背景微创手术由于其美容效果好、术中出血少、术后恢复快等优点,得到广泛应用。然而,在其应用过程中仍存在一些亟待解决的问题,其中之一为力触觉反馈的丧失。相比于开放手术,微创手术中术者使用长器械通过小切口插入体内进行操作,术中无法直接触摸组织,导致使用过大的夹持力进行操作,延长了新手术者的微创手术培训周期、导致了陡峭的学习曲线。为此,有研究者提出在微创手术中使用力传感器,在操作过程中为术者提供力反馈以控制抓握力,从而缩短新手术者的学习曲线。当前应用于微创手术中的力传感器主要有压阻、压电及电容传感器等,但其应用中仍受限于生物相容性差、难以和手术器械整合及电气安全等不足。光纤传感器因其体积小,生物相容性好及抗电磁干扰等优点,具有广阔的医学应用前景。基于此,本文提出将课题组先前开发的集成单芯光纤光栅力学传感器的腹腔镜抓钳运用于微创手术操作训练中,在术者操作中提供实时力反馈,以提高学习效果,缩短新手术者的学习曲线。研究目的在微创手术操作训练中使用集成单芯光纤光栅传感器的腹腔镜抓钳提供实时力反馈,帮助控制抓握力,缩短新手术者的学习曲线。研究方法1.有腹腔镜操作经验的外科医师及新手术者使用集成单芯光纤布拉格光栅(FBG)传感器的腹腔镜抓钳在腹腔镜训练箱中完成夹持任务,以设定夹持阈值及初步验证力反馈在腹腔镜培训中的可行性。2.新手术者经历三个阶段:训练前、训练和随访,进行为期四周的小圆球夹持训练并绘制新手术者的学习曲线。3.在无反馈-有反馈-无反馈的条件下,新手术者进行活体兔小肠夹持、兔小肠切除及兔肝脏切除任务,以验证瞬时力反馈的学习效果。研究结果1.成功设定体外夹持阈值,粗糙小圆球的阈值为0.731 N,猪小肠的阈值为1.203 N,猪心脏的阈值为0.938 N。2.在可行性验证实验中,在不提供力反馈条件下完成夹持任务,新手无反馈组最大夹持力、夹持力标准差均大于经验外科医师组,p<0.05,夹持力差异具有统计学意义;提供力反馈后,新手有反馈组最大夹持力、夹持力标准差均较新手无反馈组小,p<0.05,夹持力差异具有统计学意义;进一步对新手有反馈组及经验外科医师组进行比较,新手有反馈组最大夹持力大于经验外科医师组,p<0.05,夹持力差异具有统计学意义,新手有反馈组夹持水平仍不及经验外科医师组,表明进一步的培训是必要的。3.在腹腔镜操作培训中,成功绘制有无力反馈情况下新手术者的学习曲线。在第6次训练过程中新手有反馈组最大夹持力为0.635 N,低于阈值,随后整体呈现下降趋势。新手无反馈组第10次训练的最大夹持力为0.765 N,仍未达到阈值水平。新手有反馈组更早达到阈值水平以下,学习曲线明显短于新手无反馈组。4.在活体兔小肠夹持、兔小肠切除及兔部分肝脏组织切除任务中,新手术者在有反馈条件下的最大夹持力、夹持力标准差及力时积均较无反馈条件下小,p<0.05,差异具有统计学意义;经过一次力反馈学习后,新手术者在无反馈条件下的最大夹持力、夹持力标准差及力时积均达到,甚至优于反馈条件下水平。研究结论1.腹腔镜训练中提供实时力反馈可以帮助控制抓握力,提高夹持力稳定性,并可明显缩短新手术者学习曲线及培训周期。可考虑将其纳入住院医师的培训中,为学员制定个体化培训课程提供条件。2.瞬时力反馈学习在活体动物中也表现出积极作用,可提高学习,为进一步将局限于实验室的外科培训转向活体动物研究中奠定基础。

关键词： 大气介质   大气湍流   声波   涡旋光束   声光效应   相位  

摘要： 大气环境与人类的生存和发展密切相关,大气中的光通信问题一直备受关注。当大气中的物理量发生改变时,即使是微小的改变,也会对光传输造成影响。因此研究利用声波主动控制局域大气,改变大气中的物理量,从而影响大气信道中的光传输特性是十分有意义的。本文主要研究了涡旋光束通过平面声波扰动的均匀、非均匀大气和大气湍流时,对其相位传输特性的影响,从而达到利用声波对涡旋光束相位传输特性调控的目的,主要工作有:1.根据Gladstone-Dale关系,推导了均匀大气折射率和声压之间的关系,数值模拟了不同声源扰动下,均匀大气折射率的分布情况,分析了当不同声源的声压幅位和频率改变时,对大气折射率分布的影响;针对平面声波,推导了非均匀大气折射率和声压之间的关系,分析了大气压强纵向变化的大尺度角度和小尺度角度下,平面声波对非均匀大气折射率的影响情况,数值模拟了小尺度角度下,平面声波的频率和声压幅值改变对非均匀大气折射率的分布的影响;从大气湍流折射率的微结构出发,推导了平面声波扰动后的大气湍流折射率结构常数,数值模拟了平面声波扰动后局域大气湍流的强度分布。2.从Maxwell方程组出发,研究了经平面声波扰动后,平面光波的光程和相位变化,建立了平面光波通过经平面声波扰动的大气介质传输模型,数值计算了平面声波扰动均匀和非均匀大气后,平面光波的光程和相位变化,分析了不同声波频率和声压幅值对平面光波相位的影响情况;以拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束为例,建立了 LG光束通过经平面声波扰动的大气介质传输模型,数值计算了 LG光束从自由空间进入平面声波扰动的均匀和非均匀大气介质中的传输相位变化情况,并模拟了传输距离和传输高度对LG光束传输相位的影响情况,分析总结了平面声波扰动对LG光束的相位传输特性的影响规律。3.推导了折射率和声波能量共同影响下的平面声波扰动大气湍流折射率功率谱,根据功率谱反演法,数值模拟了平面声波扰动后的局域大气湍流;建立LG光束通过经平面声波扰动后的局域大气湍流传输模型,研究了在不同传输高度,LG光束通过平面声波扰动后的局域大气湍流,其相位传输特性的变化情况。结果表明:经平面声场扰动后,均匀大气介质折射率分布呈层均匀的周期性分布;对于大气压强纵向变化的小尺度角度,非均匀大气折射率会随高度的增加逐渐减小,并且随声压的影响而产生波动;平面声波扰动均匀大气介质时,会使平面光波的等相位面因声波的影响产生明显波动;LG光束相位会发生旋转,且总会回到初始相位;平面声波扰动非均匀大气介质时,会使平面光波的相位变化会随着声波的变化规律产生周期性的变化,光程整体为倾斜的平面,但由于声波的扰动,光程会产生波动;LG光束的相位仍会发生旋转,但与均匀介质不同的是,由于其折射率随高度的变化,其相位不会回到初始相位;声波主要还是通过影响折射率来影响大气湍流的强度分布,声波能量会使大气湍流折射率结构常数随高度向减小的方向偏移;当平面声波的扰动在波谷处时,对大气湍流起减弱作用,导致大气湍流的相位起伏变小;当平面声波的扰动在波峰处时,对大气湍流起增强作用;在声波减弱处,LG光束的相位畸变会比无声波扰动时的相位畸变小;在声波加强处,LG光束的相位畸变会增大。

关键词： 回音壁模式   谐振腔   耦合   长周期光纤光栅   光纤  

摘要： 回音壁微腔因采用连续全反射限制光场而具有品质因子高和模式体积小的特点,已用于高分辨率传感、低阈值激光和非线性光学等领域。片上微腔具有结构紧凑、耦合状态稳定以及大规模集成的优势,但受限于现有微纳加工水平,片上微腔结构单一、材料选择较少且其品质因子仍远低于分离式回音壁微腔。采用拉锥光纤或者棱镜耦合的分离式回音壁微腔可灵活选择微腔结构和材料,已报道的回音壁微腔品质因子可达10～9量级。拉锥光纤耦合回音壁微腔的效率可达99%,但其鲁棒性和长期稳定性较低;而棱镜耦合回音壁微腔的鲁棒性较强,然而耦合效率较低且体积庞大。为实现兼具高效耦合和高度稳定的回音壁微腔谐振结构,本文研究了一种基于D型长周期光纤光栅的回音壁微腔耦合器,主要内容包括:(1)建立长周期光纤光栅与回音壁微腔的耦合模型,数值分析长周期光纤光栅的谐振波长和谐振强度对回音壁微腔耦合的影响规律,利用有限时域差分法理论验证长周期光纤光栅耦合回音壁微腔的有效性,为实验制备长周期光纤光栅耦合的回音壁微腔提供理论指导。(2)利用电弧放电的方式分别制备长周期光纤光栅和球形回音壁微腔。为了提高长周期光纤光栅的制作效率和倏逝场强度,首先将标准单模光纤通过侧边抛磨的方式制作D型光纤,然后采用自行编写的放电程序在D型光纤中自动化地制备长周期光纤光栅。实验研究电弧放电量、电弧持续时间等参数对制备长周期光纤光栅耦合性能的影响规律,同时,通过在光纤端面电弧放电形成的表面张力制备高品质因子的球形回音壁微腔。(3)基于上述制备的D型长周期光纤光栅和微球腔搭建回音壁微腔耦合系统,得到以长周期光纤光栅透射为包络的谐振光谱。实验结果表明,研磨深度为56μm的D型长周期光纤光栅可高效激发直径为242μm的微球腔回音壁模式,实现10.5d B的谐振对比度,且长周期光纤光栅耦合特性无方向依赖性,即可双向工作,从而可以为耦合级联回音壁微腔提供一种高效稳定的耦合器。

关键词： 飞秒激光   啁啾光纤光栅   光纤传感器   光纤激光器   光纤滤波器  

摘要： 光纤光栅作为一种重要的光纤光学器件,具有抗电磁干扰、低传输损耗,以及体积小、易复用和易集成等显著优势,被广泛应用于光纤传感、光纤通讯和微波光子学等众多领域。开展光纤光栅的制备方法及特性的研究不仅有助于加快解决光栅制备工艺方面的难题,同时还能为进一步推动光纤光栅技术在更多领域应用的成熟化、规模化和产业化提供有力支撑和有效保障。啁啾光纤光栅是一种具有广泛应用的光纤光栅器件,在光纤传感器、光纤滤波器、光纤激光器和光通讯等领域都发挥着重要的作用。啁啾光纤光栅的常见制备方法有相位掩模法、飞秒激光直写法。相位掩模法稳定性、重复性好,适合大批量生产,但相位掩模版价格昂贵、易损伤(高能激光加工)、制备的光栅波长单一。飞秒激光直写技术具有灵活可调的优势,啁啾光纤光栅的波长、周期和啁啾率等参数可以灵活设置。本论文提出了一种飞秒激光直写啁啾光纤光栅的制备方法,获得了具有不同色散特性的啁啾光纤光栅结构;开展了基于啁啾光纤光栅结构的高灵敏曲率、温度和应变光纤传感器,滤波器和可调多波长激光器的研究。具体研究内容与成果如下:(1)利用耦合模理论模拟分析了啁啾光纤光栅的光谱特性。通过耦合模理论分析了均匀光纤Bragg光栅的理论模型,结合传输矩阵理论分析了相移光纤光栅及啁啾光纤光栅的传输特性,通过MATLAB仿真软件模拟了以上几种光栅的光谱。分析了飞秒激光与透明材料的作用机理,概述了飞秒激光诱导折射率改变模型,最后探究了高斯光束的聚焦特性并提出优化聚焦质量的方法。(2)提出了一种啁啾光纤光栅的飞秒激光制备方法。采用飞秒激光逐点直写法,通过控制三维位移台进行匀加速运动,在单模光纤内制备线性啁啾光纤光栅。实验中制备了长度约为17.4 mm,带宽分别为2.2 nm,4.95 nm和11.6 nm的啁啾光纤光栅,研究了啁啾光纤光栅的光谱特性并对其进行了温度和应变及时延特性的测试,光栅的温度灵敏度约为14.91 pm/℃,应变灵敏度约为1.21 pm/με;三个不同带宽的啁啾光纤光栅的色散分别约为77.3 ps/nm,34.3 ps/nm和14.7ps/nm。通过MATLAB仿真软件计算并绘制了啁啾光纤光栅的反射光谱和群时延曲线,仿真结果与实验数据吻合。(3)设计制备了基于啁啾光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的传感器。通过飞秒激光逐点直写技术,在单模光纤纤芯中两侧采用前后错位左右并行的方式,制备了成对的啁啾光纤光栅以构成法布里-珀罗干涉仪。对该干涉仪进行了弯曲测试,在-1.5 m到1.5 m(其中负号代表相反的弯曲方向)的曲率范围内测得了弯曲灵敏度约为4.435 d B/m,且温度交叉敏感度低。通过级联两个啁啾光纤光栅法布里-珀罗干涉仪,结合游标效应制备了高灵敏温度和应变传感器。在40～90℃的温度范围内测得温度传感器灵敏度约为-1.084 nm/℃,相较于单个干涉仪,温度灵敏度提高了104倍。在应变传感中,制备并测试了三个游标效应传感器的应变灵敏度分别为-79.54 pm/με,-95.68 pm/με和-123.8 pm/με,相较于单个干涉仪,应变灵敏度分别提高了58,70和91倍,实验结果与理论结果相吻合。测量了三个游标效应系统的温度交叉敏感度,分别为-0.19με/℃,-0.15με/℃和-0.14με/℃,实验表明温度变化对应变测量影响较小。(4)提出了一种相移啁啾光纤光栅滤波器的制备方法。通过在啁啾光纤光栅制备中引入一定长度的折射率未调制区域,即插入一个或多个相移点,从而实现了相移啁啾光纤光栅的飞秒激光直写制备。通过传输矩阵法分析了相移啁啾光纤光栅的传输特性,并通过MATLAB仿真软件模拟了不同相移量、不同相移点位置和不同相移点数量的相移啁啾光纤光栅光谱。实验上获得了相移量约为π的相移啁啾光纤光栅(在啁啾光纤光栅内引入长度约为1.1μm的相移点),相移啁啾光纤光栅透射谱中相移峰的半峰宽约为85 pm,信噪比约为17.989 d B。在相移点宽度改变为0.85μm和1.35μm时,相移峰的窄通带滤波特性明显下降,半峰宽变宽,信噪比降低。另外,在啁啾光纤光栅长度三分之一位置和三分之二位置分别插入1.1μm宽的折射率未调制区域作为两个相移点,成功制备了具有双相移的啁啾光纤光栅。其透射光谱中出现了两个明显的相移峰,半峰宽分别为130 pm和120 pm,信噪比分别为15.371 d B和14.813 d B。(5)设计制备了基于啁啾光纤光栅的波长可调多波长光纤激光器。设计了线型多波长掺铒光纤激光器,以啁啾光纤光栅和啁啾光纤光栅法布里-珀罗干涉仪作为谐振腔的两个反射镜,泵浦源波长为980 nm。通过调整偏振控制器以产生和调谐偏振烧孔效应,从而控制多波长激光器输出不同激光波长,最终实现了单波长、双波长、三波长、四波长、五波长和六波长的激光输出和调谐。测量了激光输出在30分钟

关键词： 动态称重   光纤光栅   传感器   信号解调  

摘要： 超载是道路交通事故的主要原因之一,也是道路加速破坏的重要原因。传统的车辆载重检测都是在静态下进行,这种方法研究时间久,虽然技术上较为成熟,精确度高,但是其成本高、效率低。而车辆动态称重技术是一种新技术,但目前大多数动态称重系统都是基于电类传感器,它们普遍难以克服电磁干扰、腐蚀、尺寸大等问题。于是研究开发一种新型的动态称重系统就成了一个有重要应用意义的课题。首先,本课题针对于电类传感器在动态称重系统中的弊端,采用了性能优良、技术先进的光纤Bragg光栅作为敏感元件。制作了一款结构简单,但线性度好、灵敏度高的FBG传感器,同时对传感器内部核心结构圆筒形弹性模块进行了性能测试,发现其具有良好的重复性和可靠性。另外在光纤光栅的固定中,通过比对不同粘贴剂对解调信号的影响,选取了环氧树脂AB胶作为敏感单元与弹性模块之间的粘贴剂。其次,针对实际工程项目的需求,考虑到光谱仪尺寸大、成本高、不易携带等问题,本文搭建了传感光路和解调电路,设计了一款体积小、成本低的光纤光栅解调仪。通过在解调仪的传感光路中给光信号做差分处理,在解调电路中利用光信号探测器PIN管采集到光信号后转换为电流信号,实现对数转换运算后,将电流信号又转换为线性输出的电压信号,经过对数放大器放大信号,最终实现对光纤光栅信号解调的功能。通过测试软件可以发现,解调仪在波长为1522-1527nm波段时,其输出电压与波长有着良好的线性关系。最后,将光谱仪和自主研发的解调仪分别对制作的传感器进行了标定实验,在标定的基础上,进行了户外称重实验。通过静、动载实验结果可以发现,本文制作的FBG动态称重传感器具有良好的线性特性,研发的解调仪输出电压与传感器受到的压力也有着良好线性关系。因此,本文设计的基于光纤光栅的动态称重系统能够满足实际车辆称重应用的需求。

关键词： 微纳结构   椭圆振动切削   闪耀光栅衍射   结构色图像加工  

摘要： 结构色制品在显色、信息加密、光传感、防伪等领域极具应用前景。而基于衍射着色原理的亚微米结构表面的制造工艺是生成结构色制品的主要方法。椭圆振动纹理技术所创成的光栅结构与切削轨迹密切相关,因此其在调控光栅形貌上极具灵活性,且经济高效,是实现结构色色调、饱和度以及亮度的可控加工的最具前景技术。然而,该工艺所创成的微纳光栅是剪切与犁压的复合结果,其创成机理复杂尚未明晰,存在光栅三维形貌难以精准预测及加工的问题;此外,所创成的微纳光栅形貌具有非典型特征,与结构着色属性之间的光学衍射机制尚不清楚,这也限制了该工艺在结构色领域的应用。 针对光栅的创成问题,本文通过建立囊括椭圆振动轨迹、刀具几何形状与工件材料属性的光栅三维形貌预测模型,综合考虑前刀面剪切去除,刃口微犁压与后刀面强犁压对光栅三维形貌创成的影响规律。实验设计并加工了三种具有不同闪耀角的理想光栅形貌。试验结果显示光栅间距,闪耀角以及光栅高度的误差均较小,表明了所提出的光栅三维形貌控制方法的可行性与准确性。此外,还通过实验验证研究了刀具后角、切削速度以及切深振幅等工艺参数对光栅高度的影响规律。针对微纳光栅的结构着色问题,结合基于严格耦合波的有限元分析和标量衍射理论,构建了充分考虑光栅非典型形貌和材料特性的微光学衍射模型,并建立了衍射光谱与结构色的三要素(色相、饱和度和亮度)之间的映射关系。设计并加工了一系列具有不同间距、闪耀角以及高度的光栅结构表面,在经典衍射条件下,采集并分析光栅结构表面的光谱。实验结果显示,衍射光谱的主导波长与模型预测结果相符,而结构色的饱和度的变化规律也与模型的预测趋势一致,验证了所提出的微观光学模型以及衍射光谱和结构着色特性之间的映射关系。基于上述研究成果,提出了具有色调和饱和度双重调控性的结构色图像加工方法,主要通过振动频率来调节色调以及椭圆形状来调节饱和度。通过非共振刀具产生动态变化特征的目标椭圆振动轨迹,成功完成了色调与饱和度变化规律符合预期的色盘表面与结构色图像的复刻展示,验证了该方法在结构色图像加工领域的新颖性与实用性。 本文的研究成果有助于微纳光栅结构的精密创成与可控加工,提高由超精密金刚石切割制造的衍射结构色的性能,在复杂微纳结构表面的加工领域也有广泛应用前景。

关键词： 表面等离子体共振   折射率传感器   生物传感器   便携式传感器   金属光栅  

摘要： 表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)传感器以其免标记、高灵敏度、低样品需求量以及实时监测分子动态结合过程等特点,在生物传感、医学诊断、食品安全检测、环境监测等领域得到了广泛应用。商用的SPR传感器在病理研究、医学诊断、药物研发等领域内已成为重要的分析仪器,然而其不便携、高成本和耗材昂贵等问题限制了其在现场检测中的应用。随着人们对健康、食品安全、环境污染等关注度的提高,对便携式、低成本的SPR传感器的需求也日益增加。因此,本文基于光栅耦合原理,设计了两款便携式SPR传感器,旨在满足现场检测需求并推动SPR传感器的普及。本论文主要工作内容如下:(1)基于成熟的光谱仪设备,将小型光谱仪与SPR传感光路集成,制作出性能高、使用稳定的便携式SPR生物传感器。传感器利用从数字多功能光盘(Digital versatile disc,DVD)直接剥离出的金光栅,大大降低了传感芯片的加工难度与使用成本。将金光栅与流体通道集成为传感芯片,向通道内注入不同的待测液体以实现传感界面上折射率变化的动态测量。通过控制入射角调整激发SPR的衍射级次与共振峰位置,此设计理念使得传感器能够兼容绝大多数的反射式光栅传感芯片。因此,即便本文使用的DVD光栅的结构参数不能更改,也能够找到合适的条件激发明显的SPR现象。使用葡萄糖溶液测量便携式SPR传感器的性能,其1级衍射对应的折射率灵敏度为602.6nm/RIU,折射率分辨率为1.43×10RIU;其-2级衍射对应的折射率灵敏度为411.5nm/RIU,折射率分辨率为2.94×10 RIU。在生物传感方面,实现了牛血清蛋白(Bovine serum albumin,BSA)分子的动态结合测量,以及BSA溶液浓度的定量测量,传感器的BSA浓度检测极限为0.02 mg/m L。根据拟合得出的蛋白溶液浓度与共振波长偏移量的关系,可以通过相同测量条件下未知BSA溶液的共振波长偏移量推断出其实际浓度。(2)为了降低SPR传感器的制造成本,基于光栅本身的衍射功能以及金属光栅激发SPR的现象,设计了一款使用同一个光栅作为耦合与色散器件的光栅耦合型SPR传感器。与常见的波长调制型SPR传感器不同,我们使用了一个线阵电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)测量光栅的衍射光,通过编写CCD的信号采集与分析软件分析激发的SPR,实现了SPR衍射光谱以及共振波长的实时测量。使用不同浓度的葡萄糖溶液对传感器进行折射率定标,计算出传感器的折射率分辨率为5.52×10RIU。这种低成本的便携式SPR传感器在制作成本上与同性能的波长调制型SPR传感器相比具有极大的优势,具备应用于食品安全、环境监测、医疗诊断等领域的潜力,同时也有利于SPR传感器的普及。本文设计的便携式SPR传感器,可以兼容绝大部分的金属光栅,只需根据光栅本身产生的SPR现象选择合适的光源、探测器以及传感器的结构参数即可。设计制作的这种便携式SPR传感器展现出良好的传感性能,可用于现场检测、个人健康监测等方面。与此同时,通过采用替代光谱仪的SPR传感器设计与低成本的金属光栅制造方法,使得SPR传感器与传感芯片能够以更低的成本制造。大幅降低的SPR传感器制造和使用成本是推动SPR传感器普及的一项重要因素。