课程文献中心 更多>>

关键词： 生化分析仪   光纤束   滤光片   光栅   阵列光电探测器  

摘要： 生物化学的简称为生化,由于生化分析可以检测的范围十分广泛,因此生化分析仪有非常多的类型;它的发展十分迅速,通过临床设备的不断更新,使得检测数据更加准确。目前,生化分析仪已成为医疗分析机构的重要仪器之一。它通过对人体内分泌的液体成分进行分析,进而测定各种指标,可以准确、直观、快速地为工作人员提供检测结果。生化分析仪是包含光学、软件、机械、生化等学科为一体的仪器,其中光学系统的优劣将直接影响数据的准确性和可靠性,本论文主要研究生化分析仪的光学系统,并将该系统应用于仪器中,主要零器件为:光源、比色池、光纤束、滤光片和阵列硅光电池。该系统由光源发射出的宽谱、复合光,经过比色池的待测样本溶液以后,由多根光纤组成的光纤束,接收端每根光纤传输的光再经过以光纤束与滤光片组合方式的分光装置的后分光技术,将光源发出的复合光,由光纤束输出端传递到窄带滤光片上,这时的光由复色光变为待测溶液所需检测物质的多个单色光,形成不同波长的光信号,再传输到阵列硅光电池上,经过放大电路和A/D转换,最后输送到电脑上,实现数据的采集。本论文主要依据光谱分析技术,提出一种新方法替代传统光栅进行分光,达到降低成本、减小体积、易于调节光路的目的。论文第一部分,介绍了本文研究的背景,分析了生化分析仪国内外研究现状和趋势,简单介绍了仪器内部光路的演变,随后对光谱分析技术的分类以及目前的情况进行总结,并阐述光纤的近况、应用与分类,进而引出本文所选用的光纤以及本文的主要研究内容。第二部分,简单介绍生化分析仪的基本原理,包括:检测原理和工作原理,再对仪器内部光学系统的组成零件进行详细展开,并引出本文所选用的各个元件以及特点、参数。针对光栅衍射技术存在:空间精度要求高、维护调解难度大的问题,提出光纤技术解决的新方案,新方案光纤化分光光路所具有的优势以及二者分光的区别和特点。第三部分,主要是对光纤束进行介绍,包括:光纤束的应用,光纤束作为传光束的主要参数、制备以及研磨方法,讨论在光纤束制作过程中易出现的问题,分析、阐述后,提出解决方案。最后,简单介绍实验系统的搭建:光路系统各部分零件的连接方式、参数,阵列硅光电池PCB设计,测试实验系统各部分零件的性能以及最后的系统性能,进行数据分析并得出结论。

关键词： 对称张量   压电张量   Z-特征值   C-特征值   定位  

摘要： 张量的Z-特征值在偶次齐次多元多项式的正定性判定和弱对称非负张量的最佳秩一逼近中有着重要的应用。压电张量的最大C-特征值在压电电子效应和逆电子效应中起着主要作用。张量的C-特征值与其提升方张量的Z-特征值之间有着密切的关系。本文对张量Z-特征值和C-特征值的定位（分布、估计和计算）及其应用问题进行研究,给出了Z-特征值和C-特征值的分布区域、最大Z-特征值和最大C-特征值的上下界、C-特征值的计算方法。具体内容如下:第一章:简叙了选题的研究背景和意义、国内外研究现状,列出了本文研究所用到的基本概念、定义和定理。第二章:首先,构造了张量Z-特征值的包含集,并由此给出了弱对称非负张量最大Z-特征值的上界;其次,通过构造Z-特征值排除集,给出了张量Z-特征值的一个更精确的定位集;然后,构造了张量Z-特征值的含参数包含集,并由此给出了偶数阶对称张量正定性的一个充分条件;最后,通过数值算例验证了理论结果。第三章:首先,给出压电型张量C-特征值和偏对称矩形张量lk,s-奇异值的关系;其次,构造了C-特征值的包含集,并由此给出了非负压电张量最大C-特征值的上界;随后,给出了非负压电张量最大C-特征值的下界;然后,给出了压电张量C-特征值与其提升方张量的Z-特征值的关系,由此可以给出C-特征值的计算方法;最后,通过数值算例进行数值验证。第四章:对本文所做的工作进行总结,并提出今后研究的问题。

关键词： 衍射光栅   光学干涉   位移测量   光电探测   仿真优化  

摘要： 随着精密机械制造、高性能半导体器件加工等应用对于位移检测要求的不断提高,超精密加工与测量等领域对于高性能微位移传感器的需求日益迫切。针对精密机床、光刻平台、电子显微镜等精密加工/检测系统对集成化精密位移传感器的迫切需求,本文设计了一种双层光栅面内位移传感器,并对其关键技术开展了研究。该设计方案基于光栅自成像效应,结合精密四象限光电探测技术,实现了高性能（0.65nm分辨力）位移测量。因其具有分辨力高、光路简单、结构紧凑等特点,该类传感器在光刻机工件台精密定位、超精密加工机床轴承定位等方面展现出良好的应用价值。为实现该传感器的研制,本文开展的主要研究内容如下:在第一章中,通过分析现阶段几种主流位移传感器的测量方式,比较其分辨力、线性度、抗干扰能力等位移测量核心指标,总结了光栅式位移传感器的技术特点与应用优势。根据近年来国内外光栅式位移传感器的调研分析,对目前该类传感器技术瓶颈进行总结,提出将光栅自成像效应用于高分辨小型化位移传感器设计的新方法。在第二章中,基于傅里叶光学等理论探究了单层光栅衍射特性,重点研究了光栅自成像效应,分析了效应激发条件并表征了空间光场分布特性。基于光栅自成像效应,提出了双层光栅面内位移检测方案,建立了位移检测理论模型。在第三章中,基于光栅自成像位移检测原理,对双层光栅面内位移传感器整体结构进行设计,并对传感器关键指标进行了设计分析。开展了双层光栅结构位移检测仿真,得到光栅尺寸、装配参数等最优结构参数,完成双光栅位移检测模块设计。结合光栅参数和结构分布,对光栅工艺加工流程进行了设计,并按照工艺流程完成了光栅加工。在第四章中,对传感器整体进行设计并搭建实验系统。实验中,结合高精度光电探测技术实现了四路正交正余弦信号输出,并由电子细分技术提高了传感器位移检测分辨力。最终实验表明:面内位移传感器的分辨力可达0.65nm,量程可达500μm。随后,对误差来源进行了分析,并提出了改进方案。该方法相较于传统光栅式位移检测技术,具有光路简单、结构紧凑的优点,可以用于微型化、可集成位移检测器件与系统等应用中。在第五章中,对本文所述研究工作进行了总结和展望。通过对具体工作进行分析,最终总结了传感器的检测性能和对于目前位移检测现状的研究意义。同时,结合目前研究成果,对后续研究方向进行了展望,提出了优化方向。

关键词： 光纤传感器   湿度传感器   聚酰亚胺PI   湿敏材料   土壤湿度  

摘要： 湿度作为空气检测中的重要指标,在工农业、生态工程、水文气象、化学医药和国防科技等领域有着较大的检测需求,这其中许多检测环境较为恶劣,因而对湿度测量仪器有了更高的要求。光纤光栅湿度传感器相较于传统的湿度传感器,具有抗电磁干扰、尺寸小、传输距离远、耐腐蚀、耐高温、灵敏度高、无源器件等优点。本文就光纤湿度传感器的国内外发展情况,对影响湿度传感器性能的关键要素进行了研究,以此为出发点做了较系统的研究工作。（1）从光纤布拉格光栅的原理及其特性,推导出光纤光栅湿度传感器的原理,并对比分析了常用湿敏材料的性能,对聚酰亚胺的综合特性进行了分析研究,选为本次研究的湿敏材料。（2）在对相关文献分析的基础上,研发了一种光纤光栅湿度传感器的制作方法。该方法通过使用聚酰亚胺溶液和聚酰亚胺毛细管结合的方式来实现湿敏薄膜的涂覆均匀,利用耦合的方式研制传感器的感湿探头;并设计了一套实时测量试验系统,对传感器成品进行了标定。标定结果显示:当湿敏薄膜的涂覆长度达到一定时,其吸湿膨胀产生的力将对传感器自身产生影响;湿敏薄膜越厚其灵敏度越高,但是厚度达到一定时易产生气泡影响薄膜的均匀性;在几种规格的湿度传感器中,0.13mm厚度的FBG（fiber bragg grating）湿度传感器性能较优,其灵敏度能达到5.5pm/%RH、拟合度0.99、非线性误差2%。（3）提出通过腐蚀包层的方法来提高灵敏度。根据氢氟酸与光纤之间的化学反应原理,详述了腐蚀的过程和制作感湿探头的步骤,并对腐蚀的时间和聚酰亚胺毛细管管径的选择进行了对比研究,以确定最佳的腐蚀时间和毛细管规格;对制作的感湿探头成品进行了标定试验。结果显示:腐蚀在5min～15min时间段所制作的传感器的综合性能较佳,且随着时间的增长,灵敏度提高,其中腐蚀时间达15min所制作的传感器的灵敏度可达13.93pm/%RH,拟合度基本稳定在0.99,非线性误差不超过6%。（4）进行了光纤光栅湿度传感器在红黏土中应用的初步尝试。简单介绍了试验用红黏土的基本特性,详细描述了土样的制备方法和本文设计的土壤湿度测试试验系统;并利用本文研制的成品与市场流通产品进行湿度测试,就三种不同含水量土样的波长曲线和湿度曲线,进行了详细分析和对比,并最终得出光纤光栅湿度传感器在土壤湿度中的应用是可行的。

关键词： 张量平衡问题   半正定张量   例外簇   存在性  

摘要： 平衡问题是一类普遍的数学模型,包含不动点问题、博弈问题、变分不等式问题、优化问题等许多重要问题,并且广泛应用于经济金融、人力资源、交通运输和工程管理等领域.本文主要研究张量平衡问题解集的存在性,论文内容具体安排如下:第一章介绍了平衡问题、张量互补问题、张量变分不等式的历史背景及研究现状,例外簇的发展概况及本文用到的一些符号和基本概念.第二章利用例外簇方法研究张量平衡问题解的存在性.首先给出了张量平衡问题例外簇的定义,证明该定义与张量混合变分不等式问题例外簇的定义等价.当张量在集合上半正定时,证明了张量平衡问题存在解等价于不存在例外簇;其次,给出了张量平衡问题存在解的充要条件及解集非空有界的等价条件;我们得到了张量平衡问题解集为非空紧致集的一个充分条件.最后,证明当每个玩家的成本函数可分解为一个可微凸函数和一个凸函数之和且满足一定条件时,一类多人非合作博弈问题等价于张量平衡问题.第三章利用最优化问题解的存在性结果研究混合张量变分不等式解的存在性.首先,当张量在无界闭凸集上不具有正定性时,利用无界闭凸集上强制最优化问题存在解得到张量变分不等式存在解;利用变分不等式解集性质证明了混合张量变分不等式解集为紧致集.其次,对于无界闭凸集上的半正定张量,将混合张量变分不等式问题转化为一类凸优化问题,给出了混合张量变分不等式问题解集为非空有界集的几个充分条件.最后,证明当每个玩家的成本函数满足一定条件时,一类多人非合作博弈问题等价于混合张量变分不等式问题.

关键词： 倾斜光纤光栅   水质氨传感   双波长差分检测   溶胶-凝胶  

摘要： 倾斜光纤光栅（TFBG）水质氨传感器在环境保护、水质检测等领域具有光明的应用前景。相较于传统的流动注射-水杨酸分光光度法等方法,倾斜光纤光栅传感器具有高灵敏度和分辨率,而且也很大程度避免了使用危险的化学药品。而且它的制作成本也很合理。本研究基于倾斜光纤光栅的传感特性、二氧化硅溶胶-凝胶对氨的吸附特性、双波长差分检测（DWDD）技术在传感领域的应用,制作了高灵敏度倾斜光纤光栅水质氨传感器。本文理论部分描述了TFBG的模耦合理论、分布式反馈激光器的工作原理和DWDD技术。基于耦合模理论,对TFBG的外部介质折射率和TFBG的折射率调制强度对透射谱的影响进行了仿真。仿真发现外部介质折射率减小时,透射谱中高阶包层模数量朝短波长方向增加。折射率调制强度越大,透射谱中的极小值点功率越小。本文描述了TFBG传感单元的制备和测试的过程。包括TFBG的刻写和测量了透射谱由于食盐水折射率变化而发生的波长漂移,二氧化硅溶胶-凝胶材料的制作和对TFBG进行溶胶-凝胶的涂层,加工传感单元。最后对传感单元也进行了透射谱的波长漂移测量。对比发现无涂层TFBG对盐水的折射率测量灵敏度为20.624nm/RIU,有涂层TFBG对盐水的折射率测量灵敏度为15.546nm/RIU。这证明了涂层对食盐水不敏感。实验部分首先是TFBG传感系统的搭建和用食盐水测试传感系统的灵敏度和稳定性。然后是水质氨的传感实验,包括有无涂层的对比传感、空白实验、传感系统对于不同浓度的水质氨的传感。实验得出水质氨传感器最高分辨率为5.89ppb,能检测的最低水质氨浓度为17.515ppb。再者,我进行了传感器的标定、标定结果的验证和特异性的证明。标定结果发现传感信号与氨水浓度的关系是线性关系,线性拟合的决定系数值为0.99999。两次验证实验得到的相对误差分别为0.137%和3.204%。对水质氨测量范围的研究得出传感器在0%～0.953%的氨浓度范围可正常传感。

关键词： 彩色图像填充   截断张量核范数   张量奇异值分解   低管秩张量恢复  

摘要： 获取大量的高维数据时部分数据丢失的情况在智能时代经常出现。如何对大规模缺失数据进行快速有效的恢复,已经成为机器学习和人工智能等领域的国内外研究者进行研究探索的重点。图像中的缺失值通常被视为低秩矩阵近似问题,传统低秩矩阵近似方法多以二维形式处理数据,对每个通道分别应用算法再将结果组合,这样会破坏高维数据的结构。为此,处理高维数据的低秩张量恢复逐渐成为处理真实世界的高维图像的主流方法,经典理论问题之一是低秩张量填充。针对最近提出的张量奇异值分解诱导的张量管秩恢复问题,考虑到张量核范数极小化模型忽略了目标张量奇异值之间的差异,对大的奇异值惩罚过重,导致对张量tubal秩的近似还有一定差距,此外在模型求解过程中对整个张量进行张量奇异值分解,导致计算代价过高,收敛速度慢。针对上述问题,本文主要成果如下:首先,提出新的非凸的张量填充模型—双加权截断核范数张量填充模型(DW-TTNN),目的是降低秩松弛函数截断张量核范数对截断奇异值个数的敏感性,增强鲁棒性。其次,在求解时通过对增广拉格朗日函数加入两个权重张量,为张量的每个正面切片矩阵赋予不同的权重,建立恢复优先级,随后提出张量的一步梯度下降法来代替原求解过程中的交替乘子法,目的是降低计算代价,提高模型的收敛速度,并且给出相关理论证明。最后,应用算法在MATLAB上进行实验。从合成数据实验和真实图像实验两个方面验证了本文所提出模型的有效性,并且和其他相关算法相比有着更好地的精度与效率。

关键词： 倾斜光纤光栅   氧化石墨烯   重金属离子   表面等离激元共振   异质外延  

摘要： 重金属(如铅、汞、铜、镉)是一类环境污染物,其对人类,动物和植物具有毒性作用,由于无法降解或破坏,以至于重金属在自然环境中可以长期存在。含有重金属离子的水被人类饮用,会造成人类患各种疾病以及机能紊乱,高浓度的重金属甚至会致癌。近年来分析领域的发展日益引起人们对环境健康的关注,其要求对污染物的性质和浓度进行定性和定量分析,而光纤传感器凭借高灵敏度、小体积、不受电磁干扰等优点,逐渐被应用于环境检测领域。因此,本论文设计了一种基于氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)修饰的倾斜光纤光栅传感器,实现了对水中超低浓度重金属离子的传感,并探索了进一步提高检测灵敏度的方法。主要研究内容如下:首先,研究了GO修饰的倾斜光纤光栅重金属离子传感器。传统的湿法成膜会导致GO纳米片在衬底表面堆叠,薄膜呈现出大量的团聚和褶皱,团聚现象的出现使GO表面的羧基被包裹在团聚体内,降低传感的效率,因此本文通过改进GO的成膜工艺,避免了“咖啡环”效应引起的GO的团聚和堆叠,充分了暴露表面的羧基,提高了GO的吸附效率,具体措施为:(1)对GO进行提纯,获得尺寸均匀的GO纳米片;(2)使用表面张力较小的无水乙醇作为溶剂;(3)对衬底进行氧气等离子体处理,提高表面浸润性。实验结果表明,通过恰当的表面能匹配,实现了GO薄膜的平整、无团聚涂敷,从而增大了GO表面羧基的可及性,提高了传感的检测限和灵敏度,同时避免团聚和堆叠带来的随机性,保证了器件之间性能的一致性。同时,传感器对Cu离子的响应相对较弱,而对Pb、Cd离子的检测限均可达到10 M(ppt级),相应的灵敏度分别为0.426和0.385 d B/(nmol·L)(2.06和3.43 d B/ppb)。优化成膜后的传感器表现了出色的器件间一致性,5组器件的性能十分稳定。本研究的结果说明,改善敏感物质的组装方式,可以有效地提高传感器的灵敏度、降低检测限、实现优异的器件一致性,对其它基于二维材料的传感器研究是有用的参考。其次,研究了具有可见-近红外等离子体共振效应的Ti CN/N-Ti O异质外延纳米颗粒。由于泡利阻塞(Pauli blocking),GO在近红外波段的带间跃迁十分微弱,为了探索提高光纤传感器灵敏度的途径,通过等离子体诱导法制备了Ti CN/N-Ti O异质外延纳米颗粒。高角环形暗场显微技术揭示了尺寸小于5 nm的金属性Ti CN颗粒外延生长在Ti O纳米颗粒表面,二者形成了近乎理想的欧姆接触。金属性的Ti CN纳米颗粒由于局部表面等离激元共振(LSPR)效应,具有强烈的消光性质。而Ti CN/N-Ti O的化学界面阻尼作用,使Ti CN中激发的热电子转移到Ti O的一侧,这导致了Ti CN的LSPR发生退相,共振峰展宽并红移到近红外波段,同时使Ti O的紫外吸收被漂白。因此,采用Ti CN/N-Ti O代替在近红外光吸收较弱的GO,有望提高光学传感器的灵敏度。综上,本文设计了一种GO修饰的倾斜光纤光栅重金属离子传感器,通过优化GO的成膜工艺,实现了薄膜在光纤表面的无团聚涂敷,增大了GO纳米片边缘羧基的可及性,不同重金属离子的传感结果表明,优化成膜后的传感器具有较高的灵敏度,检测限低至10 M。此外为进一步提高传感器的灵敏度,采用等离子体诱导法制备了具有可见-近红外等离子体共振效应的Ti CN/N-Ti O异质外延纳米颗粒,阐明了异质外延结构中的热电子转移机制,为金属-半导体异质外延结构的合成提供了一种高效的制备方案,同时对异质结构在光催化、光电器件领域的应用给出理论指导。

关键词： 光栅投影   三维重构   仿真实验   算法研究   系统标定  

摘要： 光栅投影技术在三维重构领域备受关注和研究,它主要在工业产线、医疗诊断、智能驾驶、人脸识别等方向应用广泛。该技术具备构造简便、检测精确、速度快、对工作环境要求较低等特性,是目前使用的最为普遍的主动式非接触三维测量技术。本文以理论研究为基础、仿真实验为依托,并借助实验验证平台来对物体进行三维重构研究。通过光栅投影视觉测量的系统原理模型建立图像相位与物体高度之间的映射关系,为三维重构系统研究奠定基础。对三步、四步、五步相移法及傅里叶变换轮廓术等相位主值求解算法进行分析及仿真实验,经实验结果对比表明四步相移法具备操作简单且实验误差小等优点。为得到连续相位,对格雷码、多频法、支切法以及最小二乘法等常用相位展开法进行分析研究。在上述传统算法的基础上,本文提出一种基于DCT的菱形相位展开算法,并对此算法进行原理分析及仿真实验验证,通过对相位图的行向量进行实验对比得出该算法相较于传统算法的重建效果更优,使相位展开图的质量得到显著提升。本文对相机成像过程、非线性模型进行分析研究,采用张氏棋盘格法对相机和投影仪进行标定工作,应用MATLAB和OpenCV进行相机标定对比实验,实验表明基于OpenCV标定法的标定精度更高。实验验证平台由工业相机、镜头、投影仪以及计算机组成,整个装置操作简单、测量速度快且精度高。通过MATLAB和OpenCV对调制后的光栅图像进行滤波等预处理,再结合系统标定得到的系列参数,实现对物体的三维重构。

关键词： 真空稳定性   4阶张量   协正张量   解析表达式  

摘要： 本文主要探究4阶对称张量的协正性和Z离散群下标量暗物质势能的真空稳定性,并给出其势能真空稳定的解析充要条件.第一章,主要介绍有关张量的基本定义,协正张量的研究现状和Z离散群下标量暗物质势能模型,并阐述了本文研究背景和主要结果.第二章,主要探究实数域上4阶对称张量的协正性.首先借助多项式理论给出4阶2维对称张量协正的充要条件.其次,通过对多项式进行拆分和重组,得到了3阶对称张量严格协正的解析条件.最后,在此基础上给出4阶3维对称张量严格协正的充分条件.第三章,主要探究Z离散群下标量暗物质势能的真空稳定性.通过探究该模型确定的4阶对称张量,并借助多项式理论与该张量独特的结构,给出暗物质势能真空稳定的充要条件.