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关键词： 多孔硅布拉格反射镜   荧光图像   半导体量子点   平均灰度值  

摘要： 多孔硅是一种纳米结构的材料,因其具有比表面积大,易于生物分子修饰,折射率可调节的优势,可被制作成各类生物传感器件。本文对多孔硅生物传感器的数字图像检测技术做出了研究,该项研究通过记录多孔硅布拉格反射镜中生物反应前后的图像,计算图像的平均灰度值,来表征被测分子的浓度。该项技术研究具有灵敏度高、检测周期短、实验成本低以及使用方便、快捷的优势。本论文的主要研究内容如下:首先,提出了基于布拉格结构的多孔硅透射光数字图像生物检测技术。该技术采用位于布拉格反射镜禁带边缘处的红外激光为探测光,入射至DNA杂交反应前后的多孔硅表面,其透射光经红外观察卡转换为可见荧光,再由数字显微镜接收该荧光图像。并对图像的做去除噪声处理,分别计算去除噪声处理前后图像的平均灰度值,得到其与被测DNA分子浓度的关系。其次,提出了用手机作为光探测器的透射光图像生物检测技术。该检测方法将波长位于布拉格反射镜禁带边缘处的激光器产生的探测光,入射至DNA杂交反应前后的多孔硅表面,红外观察卡将其透射光转换为可见荧光,并由手机接收该荧光图像,分别计算图像的平均灰度值,得到手机检测的图像的灰度值与被测DNA分子浓度的变化关系。实验结果表明,使用手机进行的透射光图像检测,获得的DNA分子的检测极限为n M级别。最后,提出了用手机作为光探测器的荧光图像生物检测方法。该检测方法将半导体量子点(Cd Se/Zn S)与探针DNA偶联,然后将二者的产物修饰至偶联目标DNA的多孔硅布拉格反射镜的孔洞内。通过半导体激光器(λ=375 nm)产生的激发光,激发多孔硅孔洞内的Cd Se/Zn S,其产生的荧光图像由手机记录,通过计算荧光图像的平均灰度值,得到目标DNA浓度与其平均灰度值变化的关系。实验结果表明,使用手机进行的荧光检测,获得的DNA分子的检测极限为p M级别。

关键词： 磁电效应   磁电传感器   涡流检测   差分探头   缺陷识别  

摘要： 近年来随着工业的迅猛发展,金属材料遍布各行各业。但由于金属在空气中容易被氧化腐蚀进而产生裂纹或缺陷,存在一定的安全隐患。涡流检测技术具备快速性、便捷性、无需耦合剂的优势,被广泛应用于检测金属导电材料。及时识别金属的缺陷,能够有效的预防事故发生。但对于微小裂纹,传统检测线圈的灵敏度不足以识别。而磁电传感器有着灵敏度高、噪声小、结构简单、成本低的优势,在涡流检测中有着很大的应用前景。为解决传统检测线圈灵敏度低、噪声大等问题,提出了用磁电传感器来代替传统检测线圈作为检测探头。本文首先通过等效电路法对磁电传感器的原理进行深入研究,建模计算了不同频率下磁电传感器的磁电系数。进一步研究了尺寸和直流偏置磁场对磁电效应的影响。在此基础上,制备了磁电传感器并搭建了磁电测试系统。测试了全频域磁电传感器的磁电系数,验证了在谐振频率时磁电传感器的高灵敏度。进而研究了磁电传感器的线性度、迟滞性、重复性等磁传感静态特性。利用COMSOL有限元仿真软件建立了涡流检测模型,分析了激励频率、提离值、被检测体导电率对涡流效应的影响。继而设计了适用于涡流检测的磁电式涡流探头。针对磁电传感器的自身噪声会影响检测精度的问题,提出了使用差分磁电传感器来消除噪声的策略,并从共模抑制比的角度从理论分析了差分磁电传感器的灵敏度优于单个磁电传感器。通过涡流检测平台对金属缺陷进行具体实验,验证了磁电传感器对缺陷识别的能力远远优于传统检测线圈。并对比了差分磁电传感器和单个磁电传感器的检测精度,结果与理论分析一致。最后,利用L-M优化算法对数据处理实现了缺陷长度和深度的定量评估。

关键词： 弱磁探测   灵敏度   单光束   三维磁场线圈  

摘要： 弱磁探测作为研究物质特性和探测未知世界的一种有效手段,已经在各个领域得到了广泛的应用。但是近年来,随着现代科技的快速发展,人们对磁场传感器的灵敏度和尺寸结构提出了更高的要求,如何去提高磁场传感器的灵敏度和减小磁场传感器的尺寸成为了各个国家在磁场领域研究的热点。但是,在保证磁场传感器正常工作的前提下,如何在噪声中提取微弱的信号是具有极其重要的研究价值。在传统的磁场探测中,对微弱信号的提取主要采用双光束的方式,这种方式无疑增加了系统结构的尺寸,降低了系统的灵敏度。本论文采用单光束的方案进行测量,利用原子磁力仪的结构,在信号的检测原理上做出了分析,对微型结构的磁场传感器研究具有十分重要的参考价值。其主要研究内容如下:1、进行了原子磁力仪工作原理的研究。主要以铷原子为例,分别探讨了铷原子的精细和超精细结构,研究了铷原子在泵浦光作用下的泵浦作用还有外磁场作用下的极化作用,并分析了铷原子的三种弛豫机制。2、进行了三维磁场线圈的设计与仿真。主要设计了（?）80×260mm3尺寸骨架和（?）19×80mm3尺寸骨架的三维消磁线圈,从理论出发,建立了三维磁场线圈的数学模型,并进行求解,得到了能产生最大均匀磁场的线圈结构尺寸,并通过仿真和实验验证了线圈设计的合理性和可行性。从补偿剩余磁场的角度上,进一步提高了系统的灵敏度。3、进行了微弱信号的提取。通过分析磁场信号与铷原子之间的相互作用,得到了铷原子与外磁场之间的相互关系,并以此关系为基础,给磁场信号提供特定的调制信号,通过解调技术得到铷原子的吸收曲线和色散曲线。同时给出了磁场传感器灵敏度的标定方式,并通过优化光源、调制参数等进一步提高系统的灵敏度。4、进行了整体实验系统研究。针对实验的结果进一步提出了影响灵敏度的主要因素,其中包括光源的圆偏振度、铷原子气室的温度、激光频率的漂移等,并通过实验分别对这些因素进行了详细的分析。

关键词： 液体检测   普适计算   特征工程   支持向量机  

摘要： 现如今,随着人们的生活压力和工作压力的不断提高,人们的健康问题日益凸显,据统计数据显示中国人民约70%的人处于亚健康状态,因此关注自身健康变得愈发重要。目前健康管理的理念逐渐走进人们视野,并且健康管理的国内市场也逐步火热。健康管理中比较重要的一部分就是营养摄入平衡,而人体每日所需营养中通过液体摄入的不占少数,例如水,维生素,蛋白质等,因此液体检测技术作为营养监测的一种途径显得尤为重要。液体检测技术可以通过检测液体剩余量来帮助人们检测牛奶、果汁、水等液体的摄入情况,为后续的健康管理与商家精准推荐提供相关支持。本文研究基于智能手机传感器,针对如何检测桶装牛奶剩余量这一液体检测问题,提出了一套有效可行的系统,我们称之为DeMilk。DeMilk的核心思想是通过识别桶装牛奶左右晃动声音的不同,从而达到检测桶装牛奶剩余量的目的。DeMilk通过以下4个模块来实现:(1)数据的采集。采集桶装牛奶不同剩余量的晃动声音数据,并通过线性加速度计和陀螺仪来规范晃动牛奶的姿态,随后进行数据分割,数据降噪的预处理;(2)特征的提取。从每一个样本数据中提取相应的特征;(3)特征的筛选。通过不同的方法对提取的特征进行筛选;(4)模型的训练。基于采集的数据集以及筛选得到的最优特征集进行模型的训练。本文主要创新点以及研究成果如下:(1)本文研究首次通过融合智能手机线性加速度计、陀螺仪和麦克风传感器来检测液体剩余量。(2)本文研究一共提取26个特征用于检测液体剩余量。特征提取分别基于短时傅里叶变换,短时平均过零率,频谱质心,小波变换,梅尔频率倒谱系数和音符起始点检测6个方面。(3)本文研究训练生成的支持向量机模型效果最优,其准确率达0.9240,F1分数为0.9208,AUC值为0.9857。(4)本文将整个DeMilk系统实现为一个Android应用程序。

关键词： 微波检测   湿度传感器   谐振器   电磁扰动   湿敏介质  

摘要： 湿度传感器广泛应用于社会生产和日常生活的诸多领域,对湿度传感器各项性能参数包括灵敏度、精确度、湿滞和线性度等提出了更高的要求。微波检测相比传统电阻、电容类检测方案具有高分辨率、多衍生参数、低功耗等优点,有望进一步提升湿度检测特性。对微波湿度检测进行研究也将为微波材料特性检测提供重要的理论依据和参考。本文对微波检测技术理论和实现过程展开了详细论述。通过分析不同类型谐振器的设计原理和响应特性,开展了基于耦合式谐振器的微波湿度传感器的制备与测试分析工作,并解释了微波传感器的关键参数和感湿机理。论文的主要研究内容如下。(1)提出了两种基于双微带传输线模型的LC谐振器,以传输线微元集总元件模型理论为基础,通过切换双传输线终端的短路和断路两种状态,分别设计了基于反射系数谐振模和传输系数零点响应的两种谐振器,借助等效电路分析了电感耦合和电容耦合下两种谐振器的工作机理。使用高频仿真工具分析基板介电常数调节后的电感电容参数变化,揭示了微波检测技术的工作原理。研究表明,此类LC谐振器设计灵活、结构简单、尺寸较小,为基于谐振器的微波传感器设计提供了一种有效而便捷的方案。(2)提出了一种基于耦合对称分裂环谐振器(Symmetrical Split Ring Resonator,SSRR)的无源滤波器,分别利用加载带(Loaded Bar,LB)和嵌入式S形谐振器(Embedded S-shaped Resonator,ESSR)扰动SSRR工作频率区间内的谐振模,以磁耦合与电耦合下谐振频点偏移和简并模式激励为例,展示了基于微型部件电磁耦合扰动的微波传感器检测频点设计原理和方案。(3)提出了一种基于电耦合电感电容谐振器(Electric-LC Resonator,ELCR)的微波传感器,在此基础上进行了电路分析和版图仿真的协同设计,并借助三维电磁场仿真工具对涂覆聚酰亚胺(Polyimide,PI)介质的ELCR进行了湿度环境下的电场强度分析。实验结果证明,T形状分支谐振器间存在较强的横向与纵向电场,且ELCR叉指电极(Interdigital Electrode,IDE)分支间的指状电容(Interdigital Capacitor,IDC)可以提高器件的品质因子和填充因子。在ELCR的基础上采用敏感区域旋涂PI和固化的成膜工艺,制备了一款具有双检测参数的聚酰亚胺微波湿度传感器(Polyimide Microwave Humidity Sensor,PMHS)。测试结果显示,该传感器在第一和第二个频点的检测参数的灵敏度分别为83.8 kHz/%RH和0.117 dB/%RH,且线性度分别达到了0.985和0.999。本器件的双频点检测参数在全湿度范围内具有感湿灵敏度的互补特性,这对提升传感器整体灵敏度具有重要的参考意义。(4)提出了一款基于T形分支加载双分裂环谐振器(T-branch Loaded Double Split Ring Resonator,TDSRR)的传感器。在DSRR上加载T形分支增强了激励源与负载间的耦合作用,同时T形分支作为扰动和敏感部件激发了新的谐振模与传输零点,通过电流分布仿真验证了敏感区域的设计。该传感器采用嵌套式DSRR的耦合结构,通过调节分裂环谐振器(Split Ring Resonator,SRR)与扰动部件之间的耦合作用,可以灵活地设计传感器检测频点。此外,基于PI掺杂钛酸钡(BaTiO)并利用原位聚合法制备了不同比例的复合湿敏材料。测试结果表明,常温常压条件下,利用该复合材料作为湿敏薄膜的TDSRR传感器在10-90%RH范围的最大灵敏度达到了342 kHz/%RH,最大湿滞仅为3.7%,最短反应时间和恢复时间分别低至1 s和7 s,且传感器稳定性良好。该工作为基于复合材料湿敏薄膜改性的湿度传感器性能研究提供了思路。

关键词： 大型储罐   声发射   在线检测   内置传感器   定位算法  

摘要： 我国常压储罐在服役过程中,往往受内部介质腐蚀、内部液位压力、地基倾斜程度等原因导致底板发生腐蚀甚至穿孔泄漏,应用声发射检测技术可以评估储罐底板的安全程度。声发射检测技术可以在不停产的情况下,通过收集底板产生的声发射信号来确定底板腐蚀严重程度、位置等,方便快捷,已经逐渐成为储罐底板在线检测的重要方法。但是由于储罐底板腐蚀、泄漏产生的信号往往是中低幅值信号,传播到外壁传感器时已经衰减很大,传统的通过壁外安装传感器进行检测的方式,很难接收到储罐底板中心区域的声发射信号,降低了储罐在线检测评价结果的准确性。本文先对储罐底板缺陷产生原因进行了研究,分析了泄漏的信号产生机理及强度。之后设计了一种多功能水下声发射检测装置,它可以携带传感器进入储罐内部进行检测,在储罐内部进行机械展开,集测厚、水下实时定位等功能于一身,装置结构设计合理、科学,增大了对储罐底板区域定位的检测范围。其次,开展了储罐内外联合检测对比实验,通过三种方法模拟储罐底板泄漏,实验收集储罐底板的泄漏值进行对比,验证了储罐内置传感器对底板产生的声发射信号有更高的检测灵敏度,尤其对储罐底板中心处缺陷,接收到的声发射信号效果明显好于外部传感器阵列,外部传感器难以收集到的低幅值信号,内置传感器可形成检测阵列进行收集。最后,提出了呈60°四面体型定位算法,内外联合几何阵列算法,提高了定位精确度。通过储罐底板声发射源定位对比实验,将新型算法与传统算法进行精确度对比,研究结果表明内外检测联合阵列可以提高储罐底板缺陷定位精确度。通过对储罐底板检测区域进行了网格划分,外部阵列、内部阵列和内外联合阵列实现对储罐底板全区域的在线检测,并进行了相关定位算法的实验验证。本文的研究结果为提高储罐底板腐蚀状态检测准确度,提供了一种安全高效可靠的技术手段。

关键词： 天线传感器   谐振频率   应变检测   裂纹检测  

摘要： 微波无损检测技术是以微波为信息传递的媒介，对被测结构进行非破坏性检测，判断材料内部是否存在应力集中、裂纹等现象。微带天线检测技术作为微波无损检测技术领域的重要组成部分，在结构健康监测中发挥了重要作用。单个微带贴片天线传感器的尺寸较小，其应变/裂纹检测范围有限，在检测大面积结构下的应变/裂纹时，需要多条电缆连接的多个传感器贴满被检测结构表面，其所需电缆尺寸较大且数据采集过程繁琐。为减小电缆尺寸，简化贴片天线传感器的数据收集过程，提高被测结构的应变/裂纹检测范围，本文设计了有线/无线阵列贴片天线传感器，对被测结构的应变/裂纹检测进行深入研究，进一步发展了微波无损检测技术。主要研究内容包括:　　(1)阵列贴片天线传感器的研制。基于有线式和无线式两种激励方式，分别选用微带线馈电与喇叭天线馈电的方式对阵列贴片天线传感器进行结构设计。通过建立不同谐振频率的矩形/圆形阵列贴片天线传感器的仿真模型，分析阵列贴片天线传感器的辐射特性和谐振频率曲线。结果表明，双频、四频阵列贴片天线传感器的通信性能较好，可以用于微波检测研究。　　(2)有线四频阵列贴片天线传感器的应变检测技术研究。建立谐振频率分别为8GHz、10GHz、12GHz和14GHz的四频阵列贴片天线传感器仿真模型，通过不断调整天线传感器的介质基层厚度、阵元间距以及馈线长度，寻找最优的传感器设计参数，消除杂波信号的干扰。在此基础上，制作微带线馈电的四频阵列贴片天线传感器，搭建微波有线应变检测系统，利用有线四频阵列贴片天线传感器对铝板试件开展拉伸应变实验研究。实验结果表明，四频阵列贴片天线传感器可以对结构应变进行微波检测，其四个阵元的谐振频率偏移与拉伸应变存在明显的线性关系，且拟合系数较好。相较于单个贴片天线传感器，四频阵列贴片天线传感器可以提高应变检测范围，并减少电缆尺寸，简化数据采集过程。　　(3)无线双频阵列贴片天线传感器的裂纹检测技术研究。建立谐振频率分别为9GHz和10GHz的双频阵列贴片天线传感器仿真模型，通过不断调整天线传感器的介质基层厚度、阵元间距以及喇叭天线与传感器之间的提离距离，寻找最优的传感器设计参数，更好地用于后续实验研究。建立无线裂纹检测仿真模型，探究无线双频阵列贴片天线传感器的谐振频率偏移与裂纹尺寸之间存在的关系。制作无线双频阵列贴片天线传感器，搭建微波无线裂纹检测系统，对金属结构开展裂纹检测实验研究。结果表明，当被测试件存在裂纹时，其对应贴合位置阵元的谐振频率偏移与裂纹尺寸之间存在拟合系数较好的线性关系，而另一阵元的谐振频率呈无规律变化，根据不同阵元的谐振频率变化趋势，实现裂纹位置的判定。相较于单个贴片天线传感器，无线双频阵列贴片天线传感器可以实现喇叭天线信号读取区域裂纹位置的判定和无线检测，并简化数据采集过程，提高裂纹检测效率。

关键词： 课程思政   职业道德   传感器与检测技术   教育研究  

摘要： 本文以职业道德教育研究入手,从供给侧改革的角度分析职业道德教育的需求,提出了高校工科专业课程思政建设的路径。并以传感器与检测技术为例,对以职业道德为代表的课程思政元素的挖掘及案例库的设计进行了详细论述。通过课程思政的机制建设和具体课程的内涵建设,多种方式协同作用,提高课程教学质量和师生思想道德水平。

关键词： 智能汽车   多传感器融合   目标检测   综述  

摘要： 随着人工智能领域的快速崛起,智能汽车环境感知技术也得到了突飞猛进的发展,智能汽车的感知系统离不开多个以及多种传感器之间的配合使用,基于多传感器融合的智能汽车多目标检测技术也成为当下的热门研究方向,工业界和学术界都对此提出了不同的解决方案。本文对驾驶环境下基于多传感器融合的多目标检测技术进行了概述和总结,介绍了常用的车载传感器、数据集以及多传感器融合的方法和分类,对最近的多传感器检测算法进行了梳理,最后对基于多传感器融合的智能汽车多目标检测技术进行了概述,并对此方向存在的挑战和未来的发展趋势进行了分析。