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关键词： 非接触测量   光学探针   差动共焦   三维检测   倾角测量  

摘要： 为实现对光学元件表面形貌的高精度无损测量,针对基于激光差动共焦原理的非接触光学测量传感器展开研究,搭建了一种可以同时对待测面的位置和法线信息进行测量的激光差动共焦光学传感器,并搭载于精密三坐标位移台完成了对光学元件面形的高精度自动化测量。论文的主要内容包括: (1)通过分析和比较国内外在对光学元件表面形貌测量中使用的各种方法,明确了差动共焦传感器在通用面形高精度测量中的显著优势。详细阐述了在测量面形的过程中,同步进行法向量测量,对确保测量结果的精确性和提高整体测量效率具有重要的作用。 (2)针对激光差动共焦非接触式位移传感器展开研究,对其测量原理进行数学模型构建,建立了激光差动共焦传感器的信号模型,从测量机理上分析了传感器的性能特点,包括共模噪声抑制特性、横向和轴向分辨率、线性区间以及倾角抑制能力等关键性能指标,为传感器系统设计提供了理论依据。 (3)为赋予激光差动共焦传感器对待测面倾角测量的能力,通过分析差动共焦显微镜的出瞳面光强分布,提出了一种基于光斑图像峰值位置获取被测表面的倾斜角度信息的方法。该方法利用差动共焦响应曲线具有唯一过零点的特点,将被测表面精确定位至显微物镜焦点位置,通过面阵相机捕获显微物镜出瞳面的单帧光斑图像,并运用改进Meanshift峰值提取算法确定光斑的峰值位置,通过对传感器进行精确标定,建立了光斑峰值位置与被测表面倾斜角度之间的对应关系。实验结果表明,本系统为传统差动共焦测距传感器提供了测量倾角的功能,而且具备结构简单、测量迅速以及检测精度高等显著优势。 (4)为解决传感器通过轴向扫描确定过零点位置后,再进行显微物镜出瞳面光斑采集导致的检测效率不足的问题,构建了一种基于滑动窗口的过零点单曝光方法,大幅提升传感器检测效率。该方法通过设备在轴向扫描的过程中,根据已采集的差动共焦信号,实时预测信号曲线的过零点位置,并在过零点时刻触发相机曝光,完成单帧光斑图像的获取,在传感器轴向扫描的过程中即可完成待测面倾角测量的过程,大幅提高了设备的检测效率。 (5)研制了差动共焦倾角测量系统,并验证了设备对实际面形的测量能力。实际测试结果表明,对面形倾斜程度(0-8°)测量平均误差为0.011°,倾斜方向(0-360°)的测量平均误差为0.128°,能够满足在高精度光学元件三维表面进行检测的过程中,对表面倾斜角度测量的要求。搭建了集成差动共焦传感器的三坐标测量系统,开发了面形自动化测量分析上位机软件。该软件具备扫描采样点生成、路径自动规划、防碰撞检测、面形分析等功能,并提供检测过程与检测结果可视化展示。通过使用设备对平凹透镜的自动化测量与面形分析,验证了传感器应用于实际面形测量的能力。

关键词： 微电荷检测   气固双相流   流速检测   互相关   流速传感器  

摘要： 在现代工业生产中,气固双相流体广泛存在于能源、化工、食品和药品、材料加工等多个行业中。在气力运输领域,气固双相流体在管道中气力运输过程中,流速过高的流体可能会对管道产生严重磨损,流速过低则可能导致管道堵塞,实时流速检测可以反馈控制管道内流速,保持流体流速在安全合理流速范围内,降低设备损耗和流速运输过程中的能量损失,实现能源合理利用。气固双相流速检测在工业生产流程控制优化、安全生产管控、设备维护和能源管理、环保监测等方面具有重要意义。 管道气固双相流体由于气固流体之间的相互作用,管道内弯头、阀门等局部阻力对混合流体的影响,使得流速分布极为复杂。在气固双相流速检测中,由于介质流速较高,特别是运输硬度较高的磨损性物料时,气固流速检测面临着携带物料的高速气流对设备强磨损的难题。常规的速度式、容积式、压差式原理流量计很难适用,管道内流速检测比常规单一介质流体流速检测更为困难。 本文提出一种基于颗粒物微电荷信号检测和信号交叉相关性分析的气固双相流速检测方法。微电荷交叉相关性流速检测技术是一种新型流速测量方法,该方法通过利用两个低噪声环形高灵敏度的微电荷传感器采集颗粒物经过两路传感器时的微电荷信号波动,利用交叉相关性算法分析两路电信号的相关性并得出信号相位差,可以实现在检测设备不侵入管道,不影响管道流体流态的前提下,对流体流速的精确测量。 本文从传感器材质、机械结构、电气参数等方面考虑,设计了微电荷双环形传感器,设计了相应的微弱信号的调理电路,采集双通道微电荷信号。为了解决信号信噪比差、交叉相关性算法计算量大等问题,本文提出了使用热式流速检测方法估测流体流速范围,使用估测流速信号调整微电荷信号滤波参数,优化和改进的交叉相关性算法滑动阈值范围,提高交叉相关性计算的效率并降低计算错误率,提高气固双相流体流速测量的准确性和稳定性。 本文设计的微电荷交叉相关性流速检测系统,能够实时采集并处理微电荷信号,通过计算信号间的互相关时间差来获得流速信息。通过多传感器信息融合优化相关性算法,大大降低了设备的响应速度和系统测量精度,系统适用于多种流速测量场景。检测系统无需侵入管道,对管道内流体流态无影响,解决了常规检测手段在长时间运行过程中设备磨蚀影响测量精度的问题。本研究成果有望为水利工程、环境监测和工业领域提供一种可靠的流速检测手段。 该论文有图40幅,表4个,参考文献51篇。

关键词： 食品检测   展青霉素   过氧化氢   四氧化三铁纳米酶传感器  

摘要： 随着真菌毒素污染、食品加工助剂滥用等食品安全问题的日益突出，人类健康受到了严重威胁。其中，展青霉素和过氧化氢对食品安全的影响引起了广泛关注。展青霉素作为一种真菌毒素，常见于水果及其制品中，长期摄入可能引发严重的健康问题。与此同时，过氧化氢在食品加工过程中使用不当或残留量超标，也会对人体健康造成不良影响。因此，确保食品中的展青霉素含量控制在安全范围内，以及规范使用过氧化氢，并确保其在食品中的残留量符合相关标准，对于维护食品安全至关重要。目前，研究者们已经开发了多种方法用于食品中展青霉素和过氧化氢的检测。但这些方法在成本、操作便利性和现场快速检测方面的局限性促使研究人员不断探索更高效、经济、简便的检测方法。其中，纳米酶比色法作为一种成本效益高、生物相容性好以及稳定性好的检测方法受到研究者的青睐。然而，比色法仍存在传感器灵敏度差、准确性低的缺点。适配体作为一种能与目标物特异性结合的生物识别探针，可以有效提高检测的灵敏度。基于此，本文利用适配体和Fe3O4纳米酶，构建了应用于食品中展青霉素快速检测的生物传感器。还探究了组氨酸修饰对Fe3O4酶催化性能的影响，并开发了基于Fe3O4-His过氧化物酶活性快速检测食品中H2O2的比色法。具体研究内容如下。　　（1）基于Fe3O4纳米酶的适配体传感检测果汁中展青霉素研究　　首先利用分子对接分析了5条适配体与展青霉素的结合信息，选择了与展青霉素结合最稳定的适配体进行截短优化，再利用分子动力学模拟评估优化后适配体与展青霉素的结合稳定性。然后，利用纳米金比色法评估截短优化后适配体的亲和力和特异性。基于分子对接和分子动力学得到了特异性强、亲和力高的展青霉素适配体。采用共沉淀法一步合成了Fe3O4纳米颗粒，利用展青霉素适配体对Fe3O4过氧化物酶活性的抑制作用，以及适配体与展青霉素特异性结合的特性，建立了食品中展青霉素的超灵敏比色传感器。体系中不存在PAT时，Fe3O4酶活被抑制，溶液呈浅蓝色。体系中存在PAT时，Fe3O4酶活一定程度恢复，溶液呈深蓝色，通过测定反应体系的吸光度可以实现PAT的定量检测。所构建的适配体传感器灵敏度高、特异性强，检测范围为2.5-160 ng/mL，检出限为1.02 ng/mL，回收率为93.7%-103.8%，与HPLC检测结果的相关系数R2≥0.9736。　　（2）基于Fe3O4-His纳米酶的比色法检测牛奶中过氧化氢研究　　首先探究了组氨酸修饰对Fe3O4过氧化物酶活性的影响，然后利用组氨酸修饰对Fe3O4酶活性增强的作用，构建了一种快速检测食品中H2O2的比色传感器。在酸性条件下，Fe3O4-His催化H2O2氧化显色底物TMB生成蓝色产物ox TMB，测定反应体系在652 nm处吸光度可以实现牛奶中H2O2的定量检测。该比色传感器对H2O2的检测展现出了良好的灵敏度和选择性，检测范围为1-200 μM，最低检测限为0.48 μM，平均回收率为97.2%-105.3%。与其他检测方法相比，该方法具有不需要昂贵的仪器、检测时间短、操作简单、检测成本低等优点。

关键词： 异形面结构   FBG传感器   PVDF压电薄膜传感器   D-S证据理论   多传感器融合  

摘要： 针对目前异形面结构检测多采用单一类型的传感器进行检测中存在检测范围小、稳定性差和检测精度低等问题,本文开展了复杂环境下异形面结构的多传感器融合检测技术的研究,为复杂环境下飞行器的结构检测奠定基础,对我国空间飞行器安全性和寿命评估具有重要意义。 论文以某飞行器异形面板壳为例,首先,建立了异形面结构模型,依据结构模型利用ANSYS软件对其进行了静力学分析、热膨胀分析和随机振动分析,得出复杂环境下异形面结构应变分布规律。在此基础上,建立了基于FBG和PVDF多传感器的分组检测布局模型;提出了基于8组FBG和PVDF传感器的检测方案,设计了检测系统的硬件电路,主要包括FBG传感器与PVDF压电薄膜传感器的信号处理电路、滤波电路、A/D转换电路和FPGA主控单元电路,通过实验仿真,验证了其满足信号处理的要求;再次,建立多传感器信息决策模型,在分析与研究了D-S证据理论的基础上,提出了改进型D-S证据理论算法,并将其应用于检测系统的多传感器数据进行融合处理中,利用MATLAB,将改进型D-S证据理论算法与其他算法进行仿真与对比分析,结果表明改进型D-S证据理论算法对检测数据融合的结果可信度更高,更具有说服力;然后,利用Lab VIEW和Quartus分别编写了检测系统的相应的软件程序,主要包括A/D转换程序、缓存程序、改进型D-S证据理论算法实现程序和上下位机串口通信程序等;最后,搭建基于8组FBG和PVDF传感器的实验检测系统,分别对飞行器板壳结构在常温环境下和模拟复杂环境下进行了实际测试实验。 实验结果表明,所设计的基于多传感器融合检测技术的异形面结构检测系统能够在温度范围为-20℃～60℃,振动条件为100～2500Hz的环境下,可实现对飞行器板壳异形面结构的检测,并判断其是否存在缺陷,且能够评估缺陷等级。

关键词： 酵工程   超宽范围   酶生物传感器   葡萄糖检测  

摘要： 目前,发酵工业因缺少高效在线检测手段,生产过程中不能及时跟踪底物或产物浓度变化,导致发酵效率低,污染排放严重。电化学酶生物传感器能够实现对生化反应中特定组分浓度的快速精确检测,已广泛应用于医疗行业。然而,该传感器检测范围过窄,在真实发酵体系中,需预先对样品进行稀释处理,仅能实现离线检测。为此,提出一种超宽范围的新型电化学酶生物传感器及检测方法。传感器采用三电极丝网印刷结构,工作电极为自制的规则普鲁士蓝纳米颗粒传感膜及生物酶,检测采用流动注射分析技术。测试表明,该传感器及检测系统对葡萄糖浓度的检测范围为0.5 g/L~120 g/L,测量误差在2%以内,测量周期<60 s,完全满足发酵工业在线检测要求。

关键词： 传感器与检测技术课程   项目式教学   深度学习  

摘要： 项目式教学法在教育中引入了以学生为中心的动态方法,使学生通过实际项目经验来深入理解概念、解决问题并进行团队合作。该方法促进了学生将理论知识应用于实际项目中,从而提高了他们对传感器和检测技术的理解和实践能力。文章详细探讨了项目式教学,强调了其在深度学习、问题解决、实际应用和软技能发展方面的优势。然后,文章介绍了传感器与检测技术课程的项目式教学设计,包括课程目标、项目选择和设计、团队合作和学生角色,以及项目进度计划的重要性。最后,文章强调了实施项目式教学的教学策略,包括教学方法、学习资源和支持、评估和反馈的必要性。

关键词： 传感器教学   成果导向教育(OBE)   学习产出   成绩评价  

摘要： 成果导向教育(Outcome-based Education,OBE)是当前高校工程教育专业认证的基础.针对“传感器与检测技术”课程教学中存在的问题,结合教学实际,对以OBE为导向的课程理论教学,实验实践教学,以及成绩评价体系等进行了改革探索,并给出了一些具体的改革方法.教学实践表明,在开展以OBE为导向的课程教学改革后,学生的知识、能力和素质等“学习产出”均得到明显提高,体现了改革的有效性.所给的改革方法对其他一些课程改革也有一定的参考价值.

关键词： 线上线下   融合教学   教学设计  

摘要： 在新的阶段,如何推动和实现真正的线上线下融合教学,使信息化教育再迈上一个新的台阶,以便适应新形势和新需求,是我们迫切需要研究和解决的问题。文章结合现阶段线上教学的现状,论述了线上线下融合式教学的目标、现阶段融合式教学教师方和学生方呈现出的各种新特点,提出融合式教学的设计原则,并以传感器与检测技术课程为例给出了融合式教学设计的范例,以期混合式教学走进新阶段,即融合式教学真正走入寻常教育。