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关键词： 荧光光谱技术   表面增强拉曼光谱   双通道   食源性芽孢   快速检测  

摘要： 食源性芽孢是一种休眠体,具有极强的抗逆性,又是不可培养物无法利用常规培养方法和手段实现精准识别和数字化定量,其带来的食品安全风险很难进行精准评估及预测。表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering,SERS）光谱可以获得完整的生物指纹,具有灵敏度高、反应快和样品制备简单等优点具有强定性分析能力,但是定量分析困难,而荧光光谱技术操作简单效率高,定量分析准确。两种方法有效结合能相互弥补,通过双通道实现现场定性和定量检测。本研究在SERS定性通道中对比了不同形貌纳米银溶胶（AgNPs）对食源性芽孢的SERS增强效应,构建了双增强Fe3O4@PEI@Ag@PEI核壳结构SERS基底对芽孢进行快速定性识别,在荧光定量通道中制备AgNPs-Eu3+双模探针,并在此基础上优化探针开发了GO-AgNPs-Eu3+纳米视觉纸基传感器对食源性芽孢进行定量检测。本研究主要分为四个部分,具体内容如下: （1）为解决拉曼信号弱的问题,制备了球形AgNPs、花状AgNPs和六边形AgNPs,通过紫外吸收光谱（UV-Vis）和扫描电镜（SEM）对三种AgNPs的形貌结构及分布进行表征,并将AgNPs对5种食源性芽孢的SERS增强效应和重复性进行对比分析。结果显示,三种形貌的AgNPs的SERS增强效果由大到小依次是:花状AgNPs>球形AgNPs>六边形AgNPs。花状AgNPs对5种食源性芽孢进行随机光谱采集,相对标准偏差均小于10%,具有良好的重现性和稳定性,明确稳定性和SERS增强效应最好的是花状AgNPs溶胶,为进一步开发多功能SERS基底奠定基础。 （2）使用“逐层”法制备具有捕获功能的Fe3O4@PEI@Ag@PEI核壳结构纳米颗粒并联合具有增强信号的花状AgNPs构成双增强SERS基底。计算纳米颗粒对5种食源性芽孢的捕获效率,采用偏最小二乘判别分析（Partial least squares Discriminant Analysis,PLS-DA）和主成分分析（Principal Component Analysis,PCA）对食源性芽孢样本SERS光谱进行定性识别与分类。结果表明,Fe3O4@PEI@Ag@PEI核壳结构纳米颗粒能与单个芽孢紧密结合,可在5 min内对5种食源性芽孢进行高效捕获,捕获效率均达到90%以上,SERS增强因子达到10～4,具有良好的重现性和增强效果;对采集5种芽孢SERS光谱的主要特征峰进行解析,采用PLS-DA和PCA对食源性芽孢样本SERS图谱进行分析可以实现区分,PLS-DA的Q2（cum）=0.989,PCA的累计贡献率达86.4%。因此,基于SERS技术双增强Fe3O4@PEI@Ag@PEI核壳结构SERS基底可以实现对食源性芽孢的快速识别。 （3）在定性识别的基础上,通过AgNPs-Eu3+作为荧光-SERS双模探针实现食源性芽孢的定性定量检测,该探针将Eu3+与DPA强配位荧光效应诱导Eu3+发出红色的特征荧光,具有高度的特异性和良好的抗干扰性,能实现芽孢的定量检测。并采用正交偏最小二乘判别分析（Orthogonal Partial Least-squares Discrimination Analysis,OPLS-DA）、系统聚类分析（Hierarchical Cluster Analysis,HCA）和主PCA食源性芽孢样本SERS光谱进行定性识别与分类。结果表明,在荧光定量检测通道中DPA浓度在0-45μM范围内检测限为50.8 n M,5种芽孢的检测限均达到10～4 cfu/m L。此外,该双模探针具有均匀的SERS热点,结合化学计量学对5种食源性芽孢达到完全区分。经牛奶和自来水中的食源性芽孢验证,AgNPs-Eu3+荧光-SERS双模探针可以实现芽孢的定性识别及特异性定量检测。 （4）在AgNPs-Eu3+双模探针荧光-SERS双通道传感器基础上,将GO-AgNPs-Eu3+纳米荧光探针负载在聚偏氟乙烯（PVDF）微孔滤膜上,创新性设计了一种便携式纳米视觉纸基传感器用于进一步食源性芽孢的精准定量和识别。开发的GO-AgNPs-Eu3+纳米探针可在5 min内与芽孢标志物DPA螯合达到平衡,在DPA 0～45μM浓度范围内其检测限为4.62 n M,对芽孢的检测限达到10～4cfu/m L。此外,在254 nm的紫外灯下,纳米视觉纸基传感器随DPA浓度的增加荧光颜色从蓝色变成红色,并通过RGB变化实现DPA和芽孢的定量检测,经计算DPA的检测限为13.1μM,*** spores的检测限为6.3 cfu/m L,并利用牛奶和水中实际芽孢量进行验证,荧光检测法和智能手机传感平台分别对*** spores的回收率为97.5%

关键词： 课程思政   传感器与检测技术   电阻应变片   教学设计  

摘要： 在传统教学中，针对理工类的学科制定教学方案时，教师并不会刻意去增加思政教学的相关内容，其主要目的是让学生更为系统、全面地了解和掌握相关专业知识信息。然而，随着课程思政的不断深入，越来越多的教师发现，在课堂教学中融入思政元素，完全能够激发学生的学习兴趣，提升学生的爱国情感和为国效力的意识。基于此，以传感器及检测技术课程为例，阐述理工类课程教学实践中融入思政知识的促进作用，旨在为相关课程的教学改革提供借鉴性经验。

关键词： 多传感器融合   三维重建   深度学习   点云语义分割   墙面平整度检测  

摘要： 目前,在室内抹灰施工作业方面,已经出现了智能抹灰机器人,这种技术的应用极大地提高了施工效率,降低了人工成本。当前的智能抹灰机在应对不同施工环境方面存在挑战,它不能根据实际情况调整抹灰策略。为了解决这个问题,需要辅助抹灰机进行抹灰环境检测。RGBD相机由于其能够同时获得彩色图和深度图的特性,现已被广泛应用于施工等领域。虽然在智能抹灰机上部署RGBD相机可以辅助其进行环境检测,但仅依赖RGBD相机可能受到机器人运动和环境特征不足的限制。因此,本文从该问题出发,对如何利用RGBD相机和惯性传感器辅助抹灰机器人进行施工环境检测展开了研究,主要的工作内容总结如下: 1.针对单一使用RGBD相机进行施工环境重建时效果较差的问题,本文在现有的ORBSLAM3系统的视觉惯性框架下,利用WHEELTEC N100惯性传感器与RGBD相机进行多传感器融合,并对原有的系统进行改进,成功实现了施工环境的多传感器融合三维重建。除此之外,本文在Euroc数据集上将视觉惯性模式下的位姿跟踪结果与单目模式、双目模式以及先进的VINS-Mono系统进行了对比,证明了融合系统相对于其它系统位姿跟踪的精确性。在此基础上,本文还利用改进后的系统在TUM数据集以及实际的施工环境中进行了重建测试,并对系统的重建精度进行了评估。 2.为了利用重建出的施工环境的点云辅助抹灰机器人进行抹灰环境检测,本文首先研究了Rand LANet网络模型在点云语义分割方面的应用。通过在原有模型的局部特征模块中引入自注意力机制,模型可以更好的对学习到的邻域特征聚合。除此之外,本文在原有模型的编码器层和解码器层之间引入跳跃式残差连接,有助于模型更充分的利用点云的细节特征。通过与原有模型以及其它先进模型的分割结果进行对比,证明了本文改进的有效性。最后将其用于实际重建出的施工环境点云,成功实现了施工环境中大部分墙面区域的分割。 3.针对抹灰施工过程中的墙面平整度检测问题,本文首先对规则网格化处理之后的墙面点云数据进行高程差矩阵映射,并对获得的高程差矩阵应用二维小波变换,成功的检测出了墙面上的平整度缺陷区域。在检测出的缺陷点的基础上,结合工程上的测量工具,能够实现墙面平整度的快速检测。

关键词： 微透镜   波前检测   哈特曼传感器   质心提取   波前重构  

摘要： 随着微透镜的广泛应用,微透镜光学性能的快速检测是使用和加工人员亟待解决的关键问题。本文提出利用哈特曼波前传感器来检测微透镜波前及相关评价参数,以快速表征其光学性能。为了验证该方法的可行性,设计了利用哈特曼传感器测量微透镜波前的总体方案,搭建了测量实验系统,并对测量的误差源进行了分析。结合实验方案,研究质心提取算法、Zernike多项式波前重构算法,保证光斑质心提精度取及波前重构精度。分析了待测透镜孔径衍射对波前检测精度的影响。结合200μm的凸透镜进行波前检测实验,得到其波前误差和初级像差信息,为微透镜光学性能的快速检测提供了一种全新的思路。本论文的主要研究工作如下: 1.对像质检测技术的国内外研究现状进行调研,学习其检测原理,分析其优缺点,综合考虑微透镜自身口径较小等因素,分析现有检测方法的不足及其局限性。 2.对哈特曼传感器发展及其波前检测原理进行研究,分析质心提取算法和波前重构算法原理并对相关公式进行推导,改进质心提取算法和波前重构算法。 3.基于哈特曼传感器检测原理,分析微透镜检测面临的技术难题。设计扩束系统,分析参考光路与测试光路的等价关系。分析采样点数、Zernike多项式阶数、并兼顾微透镜自身衍射效应对波前检测精度的影响。通过扩束系统对被测微透镜出光口径进行扩束,通过增加波前采样点数来提高检测精度。 4.哈特曼传感器的设计与加工。通过分析波前检测精度的影响因素和待测透镜的检测精度需求,确定哈特曼传感器的设计指标。对哈特曼传感器的关键参数进行解析,结合实验室现有设备和制作工艺,对哈特曼传感器进行加工制作。 通过对口径为200微米的透镜进行波前检测,得到其波前像差RMS为69nm,PV为266.8nm,且根据Zernike系数可以导出其离焦、0°像散、45°像散、X方向彗差和倾斜、Y方向彗差和倾斜、球差和离焦等初级像差信息,对微透镜的检测手段进行了补充。

关键词： 海底线缆定位   交流磁场法   磁通门传感器阵列   多通道采集  

摘要： 海底线缆包括海底电缆和海底光缆,是国际通信与电力传输的关键基础设施,一旦海底线缆发生故障可能导致巨大社会经济损失。当海底线缆断裂之后,快速准确获取海缆的位置信息,有助于提高维修效率,降低经济损失。因此,海底线缆定位技术的研究与应用具有重要意义。 本文采用交流磁场法进行海缆定位,该方法能够适应不同环境下的探测需求,并且在抗干扰能力方面也表现出色,能够有效应对复杂环境的影响。本课题选择国产三轴磁通门传感器作为磁接收器,研究和设计了一款集软件与硬件于一体的海缆探测系统,具有高精度、低功耗、高实时性等特点。 本文主要完成的工作如下: (1)研究磁场在海水中的衰减模型,电磁波在海水中传播会出现衰减现象,介绍了海水中的电磁波衰减特征参数,并且对于低频和高频电磁波在海水中进行衰减模型分析,最终确立选择使用低频电磁波信号进行海缆检测。 (2)针对海缆定位,提出双磁通门传感器阵列方法,并推导了海缆探测定位的计算方法。通过分析并仿真线圈在水平、竖直和平行条件下的感应电动势变化,提出采用双磁通门传感器阵列探测海缆,并且针对阵列与海缆的相对位置在不同情况下,给出海缆探测定位的计算方法。 (3)完成海缆定位系统硬件电路设计及软件实现。硬件电路设计由磁信号产生部分和磁信号接收部分组成。磁信号产生部分产生一定驱动能力的交流信号通入海缆从而产生交变磁场。磁信号接收部分实现多通道采集,将磁通门传感器阵列的输出6路电压信号进行调理、采集和传输等功能。软件实现是通过上位机进行接收和解析数据,从而解算出海底线缆的水平偏移和竖直偏移,获取海缆的位置信息。 (4)完成系统测试和实验分析两个部分,系统测试主要是对每个电路模块进行功能性验证以及系统联合调试。实验部分分为定位精度和定位量程,在定位精度实验中,通过在水平或者竖直条件下移动磁通门传感器阵列,最终解算得到水平偏移和竖直偏移,并计算测量偏移误差。在定位量程实验中,输入交流电流的峰峰值固定时,测量磁通门传感器阵列的量程以及测量误差。

关键词： 气体分离膜   碳捕获   丙酮气体传感器   氧化物半导体   微纳结构  

摘要： 随着全球气候变化和环境污染问题日益严峻,对工业气体排放进行有效控制与监测至关重要。工业气体分离技术和气体精确检测技术,成为减少温室气体排放、提升环境质量和保障人类健康安全的重要技术手段。本论文聚焦工业气体处理环节中高效膜分离技术和精准气体传感器检测技术的研究,针对二氧化碳（CO2）、丙酮等含碳典型工业气体作为研究对象,优化相关技术在工业应用中的表现,旨在开发“分离-检测”的创新技术方案,实现工业气体的分离捕获和高效检测。 二氧化碳作为工业生产过程中的主要排放气体,其碳捕获技术成为碳减排的重要手段。相较于传统分离方式,膜分离技术凭借低能耗、简便操作、环境友好和可连续操作等优势,被视为碳捕获技术中既经济又环保的选择。其中,聚合物膜以低合成成本成本和易规模化生产的优势,展现出优异的商业价值,但聚合物膜受限于自身固有的渗透性-选择性之间的制约效应。与此同时,工业生产排放过程中的挥发性有机化合物（VOCs）气体不仅对大气环境造成严重污染,加剧臭氧层破坏和温室效应,还可能对人体健康产生严重影响。因此,对这些气体进行实时有效的控制与监测,对于维护生态平衡和保障公共健康发挥着关键作用。本论文以突破聚合物膜性能的制约效应为出发点,构筑基于二维（2D）纳米填料的混合基质膜进行有效的CO2分离;同时,开发基于一维阵列材料为主体的金属氧化物半导体（MOS）传感器,就丙酮等代表性含碳有机物气体进行了传感检测技术的系统研究。本论文的主要研究工作和成果包括: 1.以二维金属有机框架（MOFs）材料四（对羧苯基）卟啉铜（Cu-TCPP）为纳米填料,将其引入聚氧乙烯（PEO）基的聚醚酰胺/聚乙二醇甲基丙烯酸酯（Pebax/PEGMEA）混合聚合物基质中,通过一步原位热聚合制备混合基质膜（MMM）。低含量（0.1 wt%）的Cu-TCPP显著提升了膜的气体分离性能,CO2渗透性达到1183Barrer,CO2/N2分离比达到57.6,较纯聚合物膜分别提升92.7%和38.1%,并超过“2008年Robeson气体分离上限”。多孔MOF纳米片为CO2提供了快速扩散通道,并增加了聚合物基质内的自由体积,提升CO2的扩散溶解能力。通过控制MOF合成条件,成功制备了三维（3D）Cu-TCPP纳米花（NF）与二维Cu-TCPP纳米片（NS）,并进行了对比研究,以探究填料形态对膜分离性能的影响。结果显示,二维材料在混合基质膜设计中展现出优越性。 2.为进一步提升燃烧前及燃烧后碳捕获应用中的膜分离性能,采用湿法刻蚀剥离得到二维MXene（Ti3C2Tx）作为纳米填料引入到交联Pebax/PEGMEA基质中以构筑混合基质膜。得益于MXene材料具有出色的宽厚比和表面丰富的羟基官能团,聚合物基质的自由体积得到了增强,从而提高了CO2在膜内的溶解和扩散系数。因此,CO2渗透性进一步提升至1264.6 Barrer,并且CO2/N2和CO2/H2的分离比分别达到64.3和19.1。这一分离性能突破了最新的“2019年气体分离上限”,并远超大多数基于二维纳米片的混合基质膜。同时,分离膜在高压和连续运行测试中展现出优异的稳定性,为混合基质膜在工业碳捕获上的应用提供了可行价值。 3.利用种子辅助和模板刻蚀技术,开发出一维SnO2纳米管阵列氧化物半导体气体传感器。通过优化反应条件,实现对SnO2纳米管微观形态的精细控制。顶端开口的中空纳米管阵列展示出较大的比表面积,促进了气体与纳米管内外壁的充分接触。气敏性能测试表明,SnO2纳米管阵列传感器在325℃的最佳工作温度下对100 ppm浓度的丙酮显示出了20.3的高响应值,响应和恢复时间分别为66秒和15秒。与采用传统涂覆工艺制备的SnO2纳米管传感器相比,原位生长工艺制作的传感器在响应值、响应/恢复时间、选择性及稳定性方面表现更为优越。 4.为发挥复合材料的协同增效作用,利用异质结构在气敏检测中的优势,通过简单水热法在陶瓷基底上成功原位生长了TiO2纳米棒阵列,并在其表面进一步外延生长α-Fe2O3纳米分支,构筑分级TiO2/α-Fe2O3异质结构阵列传感器。通过精确控制反应前驱体溶液的浓度,实现了对次级α-Fe2O3分支长度的细致调节。相较于单一TiO2纳米棒,TiO2/α-Fe2O3复合结构显著提升了对丙酮的响应值和选择性。在最佳工作温度225℃下,该复合材料传感器对100 ppm丙酮的响应值达到21.9。同时,兼具快速的响应恢复时间和优异的稳定性。复合异质结阵列对丙酮气体敏感性能的明显改善可归因于材料比表面积的增强和α-Fe2O3分支提供更多的反应活性位点,从而提升敏感体利用率和传感器的敏感特性。 5.结合膜分离技术的筛分功能与气体传感技术的检测功能,对分离膜用于物理提升传感器检测选择性做出探索性尝试。经过制膜工艺的优化,制