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关键词： 课程思政   先修课程   创新创业   专业核心课程   自动化生产线   变频器技术   电工技术   机电工程技术  

摘要： 1课程介绍传感器及检测技术是机电工程技术与管理专业群中的一门专业核心课程,以研究自动检测系统中的各种信息获得、转换及信号处理为主要内容。先修课程有电工技术和电子技术,后修课程有自动化生产线、PL C与变频器技术等,该课程还为学生后续参加职业技能大赛和创新创业比赛奠定基础。通过课程教学与实践.

ISBN: (纸本)9787111717829

关键词： 光纤表面等离子体共振传感器   生物检测   氧化石墨烯   金纳米粒子   纳米增强  

摘要： 光纤表面等离子体共振技术是一种用于分析分子间相互作用的技术,对生物分子的检测具有很高的可靠性和准确性。然而,传统的光纤SPR传感器在生物检测中还存在一些缺陷,如灵敏度低、信噪比差等问题。为了解决灵敏度低这一问题,本文引入纳米材料对光纤SPR传感器进行改进和优化,提出了一种纳米增强型SPR生物传感器,可实现微病原体的特异性识别检测和生物信号的增强。本文构建了一种基于氧化石墨烯光纤SPR传感器,利用氧化石墨烯具有高电导率及其具有大比表面积可结合更多生物分子的特性,用于氯化钠溶液折射率的检测实验中,测试灵敏度提升至2844.15 nm/RIU。利用此传感器检测刀豆球蛋白浓度,结果表明该传感器可应用于生物领域,且可实现高灵敏度检测。在此基础上,为了进一步提升传感器的灵敏度,将修饰氧化石墨烯光纤SPR传感器作为传感平台,加入金纳米粒子与抗体的偶联物使其与传感器表面的抗原继续结合,实现SPR信号的二次增强,有效提升了传统光纤SPR传感器的性能。利用该传感器进行了不同浓度大肠杆菌检测,结果表明可以检测浓度范围1?10～3到1?10～7 CFU/m L的大肠杆菌,检出限为142.4 CFU/m L。与直接检测相比,检出限从8.35?10～6 CFU/m L变为142.4 CFU/m L,灵敏度得到了极大的提升。这种基于氧化石墨烯的纳米增强型光纤SPR生物传感器可以实现大肠杆菌的高灵敏度检测,且具有更好的选择性和重复性,可广泛应用到其他生物医学检测领域。

关键词： 无线传感器网络   分布式检测   窃听攻击   数据伪造攻击   社会学习  

摘要： 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)由大量低成本、低功耗、可移动的微型传感器节点组成,在环境监测、目标检测、战场监视等军民领域具有广泛的应用前景。基于WSN的分布式检测作为一种重要应用在WSN的研究中得到了极大的关注。由于WSN的部署环境恶劣以及无线信道的开放性,其极易遭受恶意攻击。因此,如何抵御恶意攻击,设计安全有效的分布式检测方法,避免信息泄露,确保WSN检测性能显得愈发重要。鉴于此,本文针对基于WSN的分布式检测中面临的窃听攻击和数据伪造攻击(Data Falsification Attack,DFA)问题,开展分布式检测性能分析、安全分布式检测算法研究及仿真实验验证等工作,主要研究成果总结如下:(1)针对WSN面临的窃听攻击问题,首先,考虑基于WSN的分布式检测网络模型和全局窃听攻击,理论分析了当传感器的本地工作点接近接收机工作特性曲线(Receiver Operating Characteristic,ROC)端点时,融合中心(Fusion Center,FC)和窃听中心(Eavesdropper,Eve)所收到的传感器决策的质量。其次,在奈曼-皮尔逊(Neyman-Pearson,N-P)框架下,当本地传感器与FC之间为有噪通信信道时,提出了使用FC和Eve的KL散度(Kullbaci-Leibler Divergence,KLD)比值来实现检测性能和安全性能的折中分析,仿真结果表明,该方法在给定Eve所获得的检测性能上限约束,即安全性能约束下,可实现检测性能的提升。(2)针对WSN面临的全局窃听攻击问题,当本地传感器与FC之间为无噪声通信信道时,理论分析表明:通过增加传感器数量,可获得渐近完美的安全性能和渐近完美的检测性能;在贝叶斯框架下,以FC和Eve中的全局错误概率为性能指标,理论分析了FC所获得的检测性能极限;推导了FC和Eve在安全约束下的近似渐近错误指数,仿真验证了在安全性能约束下渐近完美检测的可实现性。(3)针对基于WSN的分布式检测中面临的DFA问题,本文将社会学习的思想引入到分布式检测中,提出一种基于社会学习的安全分布式检测方法。该方法采用串联排序决策,根据传感器节点的本地观测信息以及接收到的其他节点传输的社会信息,按照随机顺序依次做出判决,推导出数据融合规则和判决准则。给出了DFA下信息级联的数学表征,仿真结果表明,所提方法能有效抵御DFA攻击,提升了WSN在DFA攻击下网络的稳健性。

关键词： 硫化氢   金属氧化物半导体   传感器   异质结构  

摘要： 硫化氢（H2S）作为人体中一种非常重要的内源性气体分子,对动物和人类的大多数器官系统有着非常深刻地影响,并且在许多细胞、组织和器官中扮演着非常重要的生物学角色。一旦口腔呼出或血液中H2S浓度出现变化,往往代表着一些疾病的发生。若能开发一种在室温下对生物H2S实时检测的传感器,对于提高以H2S作为生物标志物的疾病的可控性具有重要的研究意义。本文通过搭建的二维电化学原位沉积系统制备了一系列Cu2O基纳米复合材料,并用于生物H2S传感器的构建。此外结合材料的特性,设计搭建相关测试平台检测其敏感性能,并结合相关理论揭示传感器优异性能背后的响应机理。具体研究内容如下:（1）采用二维电化学原位沉积法制备了Cu2O/NiO异质结构有序纳米阵列,实现了室温下、磁场增强作用下H2S气体的检测。所制备的纳米阵列为一种多重势垒结构,且在数百微米尺寸范围内具有严格的周期性。实验数据证实,在相对较弱的磁场作用下,传感器对于50 ppm H2S的响应提高了近61%。特别是在低浓度（≤20 ppm）时,磁场增强对灵敏度的影响更为明显。磁场对Cu2O-NiO异质界面电导调制和表面氧吸附的调节是气敏性增强的主要原因。（2）与上述的材料制备方法类似,制备了具有更加清晰异质界面的Cu2O-碳纳米纤维（CNF）异质结构,用于室温下检测超低浓度H2S气体。通过扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和伏安测试证实了所制备的异质结构具有清晰的界面。性能测试结果表明,该传感器的检测极限低至5 ppb,可直接区分健康个体和模拟患者的呼出气体。这种显著的响应可归因于Cu2O的硫化反应和异质界面势垒调制的协同作用。（3）制备了Cu2O/NiO纳米阵列,用于血液中H2S（bio-H2S）检测。利用自行搭建的测试系统对基于Cu2O/NiO纳米阵列的传感器进行测试。实验结果表明,该传感器在1～200μmol/L范围内对bio-H2S具有良好的灵敏度、低的检测极限和良好的选择性。此外,纳米阵列的优异性能主要归功于Cu2O/NiO异质结构的形成以及Cu2O的硫化反应。

关键词： 薄膜电阻传感器件   低频噪声无损检测   直流偏置电源   双通道互谱测量  

摘要： 薄膜电阻传感器件具有体积小、精度高、灵敏度高和低噪声等优良特性,广泛应用于国防军工、航空航天、大数据信息存储和汽车电子等领域。通过对噪声进行检测研究,可以验证薄膜电阻传感器件中载流子输运特性的相关基础理论,进一步探索噪声现象的物理本质。结合噪声的准确表征,也可通过无损检测的方法研究薄膜器件的应力损伤、缺陷及可靠性与低频噪声之间的关联性,有助于优化制备工艺和提高器件的信号噪声比(S/N)。本文系统地研究了电子元器件的噪声模型、四探针测量技术、低噪声直流偏置电源技术和低噪声放大技术等,构建起了一套应用于薄膜电阻传感器件低频噪声检测的系统,并利用该系统对镍铬薄膜电阻和钙钛矿薄膜电阻进行了低频噪声检测。本文主要内容和创新点如下:(1)基于噪声测量的四探针法,开展了具有高输出阻抗、低噪声电流的低噪声直流偏置电源和低噪声放大电路的设计和性能测试,实现了单通道直接测量和双通道互谱测量的方案。(2)设计了薄膜电阻传感器件的低频噪声检测系统,实验证明该系统能够有效降低系统噪声对低频噪声检测结果的影响。(3)利用该系统开展了对镍铬薄膜电阻低频噪声的无损检测,实验结果表明其低频噪声同时包含1/f噪声和G-R噪声,其中起主导作用的是G-R噪声,分析表明G-R噪声主要由重金属杂质引起。(4)利用该系统开展了对钙钛矿薄膜电阻器低频噪声的无损检测,实验结果表明其低频噪声主要是1/f噪声,1/f噪声的水平与样品厚度之间存在关联性。样品厚度的变化会导致材料应力的改变,从而影响薄膜器件中缺陷的分布和载流子的输运特性。通过1/f噪声的无损检测可以较好地评估钙钛矿薄膜电阻的制备工艺水平,有效地提升薄膜电阻传感器件的信噪比(S/N)、精度和灵敏度。

关键词： 传感器与检测   课程思政   融合   课程改革  

摘要： 面对新时代思想政治教育提出的新要求，本文结合传感器与检测技术课程的特点提出了课程思政的改革方案。首先，介绍课程思政改革的背景；其次，分析传感器课程现有问题；再次，从教学大纲、教学模式与教学方法、思政元素挖掘、课程考核方式等方面改革内容进行详细介绍；最后，给出教学改革成果和结论。实践表明，对传感器与检测技术课程教学进行改革具有可操作性，有助于培养学生成为有深厚爱国主义情怀、有理想、有担当的应用型人才。

关键词： 动态视觉传感器   目标检测   事件信息可视化   卷积神经网络  

摘要： 随着空间遥感成像技术朝着大视场、高分辨、超宽幅方向发展,遥感图像的数据量急剧增大,使得对空间遥感目标的实时检测变得尤为困难。动态视觉传感器是一种受生物视觉系统的启发而发展的新型视觉传感器,它只响应视场内的动态变化而对静态的背景不产生数据输出,可以极大地减少输出数据量,为上述问题带来了新的解决方案。本文在此研究背景下,以动态视觉传感器的原理结构和输出数据为基础,研究事件信息表达物体特征的能力,提出了可实现自适应时间分辨率的事件信息可视化方法,将事件信息转换为伪帧图像。同时针对这种图像,研究能平衡检测速度和精度的目标检测算法,并检验伪帧图像被应用于目标检测时的检测效果,为动态视觉传感器的实际应用做前验研究。具体工作包括以下几个部分:首先介绍了本课题的研究背景与研究意义,动态视觉传感器与传统视觉传感器的区别,以及动态视觉传感器和目标检测技术的研究现状。又根据动态视觉传感器的工作原理和数据结构分析了它的特点和用法,并通过几个经典的算法介绍了目标检测技术的原理。其次针对事件信息的可视化问题,提出了一种可实现自适应时间分辨率的事件信息可视化方法,它将事件信息依次经过伪帧化、去噪与滤波和时间分辨率自适应处理,从而得到能直观表示目标状态的类似于帧图像形式的伪帧图像。这种方法能根据目标运动状态的变化适时更新所获一系列伪帧图像的时间分辨率,不仅能充分利用动态视觉传感器高时间分辨率的特点,还能大幅减少无用伪帧图像的生成。另外,在对初始伪帧图去噪与滤波时,通过对比中值滤波、近邻滤波和连通域滤波的效果,最终确定了近邻滤波的方案;还通过对比固定时间间隔(constant time interval,CTI)和固定事件数量(constant number of events,CNE)的伪帧化方案,证明了自适应时间分辨率(adaptive temporal resolution,ATR)方案的优越性。然后为了验证伪帧图像在目标检测的实际应用中效果的优劣,针对伪帧图像数据结构简单、只包含轮廓信息、特征少等特点,基于YOLO网络的基本架构设计了YOLOE目标检测网络。先分析了伪帧图像的特点和YOLO网络的基本情况,再依次对YOLO网络基本框架的各个部分进行网络改进和测试验证,最终得到YOLOE目标检测网络整体模型。YOLOE的设计思路是在保证足够检测准确率的情况下,尽量减小模型大小,增加检测速度。最后,设计实验方案并采集实验数据,分别制作了用于验证事件信息可视化处理的特征保留效果和用于验证YOLOE网络模型的检测与泛化能力的伪帧图像数据集。通过验证实验,得到了由ATR方法所得图像的检测准确率相比CTI和CNE的方法分别高5.11%和4.74%,验证了自适应时间分辨率的事件信息可视化方法获取的伪帧图像与固定事件数量和固定时间间隔相比拥有更强的目标识别与定位效果;得到了YOLOE的m AP为85.11%、FPS为109、模型大小为163MB,验证了本文设计的YOLOE目标检测网络具有很好的综合检测性能;同时证明了通过事件信息获得的伪帧图像具有实际应用价值和应用意义,将动态视觉传感器应用于目标检测任务具有一定的可行性和先进性。在文章的最后,对本文所进行的研究工作进行了总结,并展望了动态视觉传感器在空间探测领域未来的发展方向。

关键词： 激光光谱技术   石英音叉   石英增强光谱技术   气体传感器  

摘要： 气体传感器在社会生产生活有着非常广泛的应用,随着科技的进步,人们对气体传感器的综合性能要求不断提高,因此开发出一种稳定性好、识别精度高,价格便宜以及结构紧凑的气体传感器具有十分重要的意义。石英音叉作为一种高精度传感器具有频率稳定性好、品质因子高、价格低、体积小和环境噪声免疫性好等优点,近年来在激光光谱等领域中已得到了广泛应用。本论文基于石英音叉的光谱技术以及自身结构与材料特点,展开了相关理论及实验研究,具体工作如下: （1）将波长调制光声光谱和光热光谱有效结合,提出了一种基于石英音叉光声光谱与光热光谱技术有效融合的双光谱气体检测技术。以大气中水汽为分析对象,利用1392 nm波段的近红外半导体激光器搭建了一套基于石英音叉探测器的双光谱检测系统,结合波长调制技术中相位依赖特性,利用差分原理实现了波长调制光声光谱和光热光谱信号的有效叠加和增强,与传统探测方案中采用的单一光谱检测方法相比,有效利用了激光功率。实验结果显示,所提出的双光谱检测技术的总体信噪比分别是光声光谱与光热光谱信噪比的1.97和1.24倍,有效提升了系统检测灵敏度。 （2）基于石英音叉共振频率对待测气体密度与粘性的依赖特性,利用石英音叉共振频率与气体浓度之间的关联性,开展了一种基于石英音叉谐振特性的气体检测技术的研究。本文以甲烷（CH4）,六氟化硫（SF6）,二氧化碳（CO2）,氧气（O2）为研究对象,实验详细研究了基于石英音叉谐振频率变化特性的气体检测技术对以上四种气体的检测灵敏度,实验结果显示,所建立的石英音叉传感系统对CH4、CO2、SF6和O2的检测灵敏度分别为+0.0371 Hz/1%、-0.0284 Hz/1%、-0.278 Hz/1%和-0.00981 Hz/1%。最后,依据CO2和O2对石英音叉共振频率的影响,开展了基于石英音叉谐振特性的气体检测技术对人体口腔呼吸气体中CO2和O2的初步应用研究,体现出基于石英音叉谐振特性的气体探测技术在相关领域具有一定的应用潜力。

关键词： 骨质检测   柔性传感器   超声换能器   压电   可编程门阵列  

摘要： 骨密度是反映骨骼健康状况的重要指标,骨密度越高,骨骼越结实,骨质疏松的风险更低。宇航员在地球轨道上或长期太空飞行中,处于微重力状态下,骨质丢失速度明显加快,若不及时发现可能引发严重的骨质量下降疾病。其次,随着年龄的增加,人体对钙的吸收能力下降,钙的流失加剧,也会导致骨质疏松症的发生。柔性超声传感器具有高度柔韧性和可变性,能够适应多种形状的表面,可以准确表征骨质。本文提出了一种基于柔性基底的超声传感器在骨质状况检测方面的应用,具体工作如下:(1)综述了柔性器件近几年的发展情况,分析了柔性电子技术在人体机能检测方面的部分应用。分析了超声的产生、传播形式和衰减规律,通过超声声速量化骨质健康状况。分析了骨骼结构、骨质疏松形成原因、表现症状和骨折风险的影响因素。通过分析对比各项骨质疏松诊断方法,选择定量超声技术作为本文的研究方法。综述了骨质检测仪器国内外研究现状,并分析了骨质检测设备柔性化的可行性。(2)对定量超声检测骨密度的两种技术进行了分析,选择轴向透射检测法作为本文的检测方式,并提出误差修正的方法,提高检测准确率。选用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)新型压电材料为传感器核心,PDMS作为柔性基底,设计柔性超声传感器,制备完成后对其能量传输效率进行测量,其能量传递效率在特定距离下可达35%。基于定量超声和轴向透射技术,以FPGA芯片为核心设计多个外围模块,包括:供电电源电路、脉冲激励发射电路、增益控制电路、A/D转换电路和无线发射模块。(3)基于FPGA对各个模块进行软件设计及仿真,论证UART通信、FIFO模块和A/D转换模块的可行性。使用Qt Creator平台在移动端设计了一个可显示超声在骨骼内的传播速度SOS、骨质评价指标T值和Z值及系统对此次骨质检测评价的可视化人机界面。硬件体积缩小至长14.1cm,宽6.3cm,厚0.2mm,重量缩小至346g,可157°弯曲。(4)对各硬件模块进行测试,电源电路可稳定产生3V、3.3V和5V等直流电压;超声激励发射电路可产生1.15MHz,80V的脉冲激励;A/D转换电路可成功将模拟信号转为数字信号。对整个骨质状况信息采集系统进行测试,测试对象为各个年龄段的受试者共30人,选用髌骨、桡骨和胫骨作为测量部位,并将检测结果与市场上的同类产品临床测量结果进行比较,结果表明:本系统对特定部位的超声声速测量具有较高的准确度和可靠性,误差小于0.3%。