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关键词： 光电编码器   光电集成芯片   M序列   莫尔条纹原理   光电探测器  

摘要： 为满足光电编码器信号读出电路在集成度、体积和分辨率等方面的设计要求,文章基于伪随机编码原理和莫尔条纹光信号理论,对增量式光电编码器和绝对式光电编码器的编码原理进行研究。设计并流片了一款基于增量式与伪随机混合编码方式的高分辨率光电编码器专用集成芯片,基于350nm CMOS工艺实现了光电探测器与读出电路的全集成。该芯片尺寸仅有4.6mm×3.5mm,分辨率可以达到22-bit,在50k Hz的信号周期下能同时产生精确的正弦和余弦输出信号,以及在2MHz的时钟频率下输出数字形式的伪随机码信号,满足系统的设计指标。

关键词： 棒材超声检测   线聚焦   斜向缺陷  

摘要： 在采用超声波水浸法检测锆合金棒材表面斜向缺陷时由于受到棒材表面曲率的影响要实现纯横波入射并获得较高的信噪比和检测灵敏度变得异常困难。为解决这一难题，该文构建了一个数学模型。此模型用于模拟超声波在锆合金棒材中的传播路径；同时确定超声波穿过水介质进入棒材时的内部折射角、当超声波从棒材内部射入人工刻槽与棒材表面形成端角反射时的入射角，二者之间的关系。同时还开发了另一个数学模型，用于确定施加超声波入射的角度和方向。在检测斜向缺陷的过程中采用线聚焦探头不仅获得了较高的信噪比和检测灵敏度而且大大提高了检测效率。这些研究结果为棒材表面斜向缺陷的水浸法超声波纯横波检测提供了有力的理论支持。

关键词： 脉冲激光器   全光纤   掺镱光纤激光器   种子源调制   主振荡功率放大器  

摘要： 本文以电路直接调制的半导体激光器作为种子源，采用三级MOPA结构，设计并实现了一种输出功率、重复频率与脉冲宽度均可宽调节的高峰值功率高光束质量的全光纤MOPA脉冲激光器。在一二级泵浦功率分别为2.2W和34.3W条件下，获得了平均输出功率为20.85W，最大峰值功率为12.9kW，中心波长为1064.5nm，线宽为3.75nm，M2为1.345，功率稳定性≥95%的多参数可调节的纳秒脉冲激光输出。研究结果表明，改变种子源的重复频率和脉冲宽度能够得到相应参数可调的激光输出。通过优化有源光纤的弯曲半径和光路结构，显著改善了光束质量M2和抗高反能力。该研究方案对研制更高功率和更高峰值功率的MOPA全光纤激光器具有参考意义。

关键词： 变分模态分解(VMD)   表面等离子体共振(SPR)   降噪   解调   非对称双S函数  

摘要： 在光纤表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器表面修饰功能化膜层能够有效提升传感器灵敏度，但同时会导致传感器的透射光谱畸变，系统信噪比降低。因此本文通过引入变分模态分解（Variational mode decomposition，VMD）滤波算法提升系统的信噪比，引入非对称双S函数法拟合共振波长，改善信号的畸变问题。本文理论上阐述了VMD算法以及非对称双S函数应用于光纤SPR生物传感系统的理论基础。实验上搭建了光纤SPR生物传感系统，并对实验数据采用多种降噪以及拟合算法进行了处理。结果显示，在提升信噪比方面，与经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法相比，VMD滤波能够有效提升系统的信噪比（信噪比从53.72 dB提升到61.57 dB）。在解决信号畸变方面，与最小值法、质心法相比，非对称双S函数法拟合度更高。进一步地，使用所提出算法对光纤SPR传感系统监测C反应蛋白的透射光谱数据进行了解调，结果表明，传感器的最低探测浓度相比于EMD算法由1.119 μg/ml下降到0.429 μg/ml。这一研究结果对于提升光纤SPR生物传感系统的商业应用价值具有重要的意义。

关键词： 长周期光纤光栅   折射率   强度检测   应变  

摘要： 基于长周期光纤光栅(long period fiber grating， LPFG)对环境折射率变化敏感的特性，本文提出了一种基于强度检测的LPFG高灵敏度折射率传感方案。理论分析和仿真验证了LPFG谐振峰强度对外界折射率变化敏感的特性；同时，仿真了应变对LPFG谐振峰强度的影响，通过对比0和200με下LPFG谐振峰强度随环境折射率的变化，验证了增加应变可以实现折射率传感灵敏度的提升。经过实验验证，在1.4498-1.4558的折射率范围内，LPFG折射率传感初始灵敏度为1985dB/RIU；通过增加应变，在1.4498-1.4568的折射率变化范围内，LPFG折射率传感灵敏度提升到3182.9dB/RIU，可以实现高灵敏度的折射率传感。该传感方案具有结构简单，折射率传感灵敏度高等特点，在生物、化学及环境参数检测等领域具有潜在的应用价值。

关键词： 温度   横向载荷   光纤传感器   Mach-Zehnder干涉   Fabry-Pérot干涉  

摘要： 提出一种基于单模光纤和中空光纤的Mach-Zehnder/Fabry-Pérot干涉仪（MZI/FPI）光纤传感器，该传感器对温度和横向载荷具有高灵敏度。所提出的装置由两个通过手动控制熔接机形成的单模光纤锥和一个通过熔接一段中空光纤形成的空气腔组成，并通过实验进行了验证。通过波长解调，实验结果表明，在30℃到80℃的范围内，传感器对温度的波长灵敏度为56.29 pm/℃。在0～5 N的范围内，传感器对横向载荷的波长灵敏度为1.123 nm/N。该MZI/FPI混合传感器对温度和横向载荷具有高灵敏度，同时具有结构简单坚固、体积小、生产方便等优点。

关键词： 负荷聚类   卷积自编码器   特征提取   残差模块   深度嵌入聚类   负荷特性  

摘要： 在分析电力系统负荷特性和用电行为的过程中，传统聚类方法面对高维数据的复杂样本往往难以学习负荷样本的深层特征。提出一种加入标签优化的非对称卷积自编码器的负荷深度嵌入聚类方法，取消传统卷积中的池化层和上采样层，以全面保留负荷原始信息，并在编码侧使用残差模块强化特征提取能力；在聚类层的伪标签设置过程中，使用自组织映射-K均值方法提供更精确的初始软聚类标签，从而提高聚类效率。基于实际电力负荷数据集进行实验，结果表明，所提方法能够有效降低数据维度，同时增强对负荷特征的学习，提高了聚类的准确性和稳定性，相较于改进的深度嵌入聚类-卷积自编码器方法，所提方法的方差比准则和轮廓系数分别提升了10.8816和0.06729，戴维森堡丁指数下降了0.13314。

关键词： 温度   横向载荷   光纤传感器   Mach-Zehnder干涉   Fabry-Pérot干涉  

摘要： 提出一种基于单模光纤和中空光纤的Mach-Zehnder/Fabry-Pérot干涉仪（MZI/FPI）光纤传感器，该传感器对温度和横向载荷具有高灵敏度。所提出的装置由两个通过手动控制熔接机形成的单模光纤锥和一个通过熔接一段中空光纤形成的空气腔组成，并通过实验进行了验证。通过波长解调，实验结果表明，在30℃到80℃的范围内，传感器对温度的波长灵敏度为56.29 pm/℃。在0～5 N的范围内，传感器对横向载荷的波长灵敏度为1.123 nm/N。该MZI/FPI混合传感器对温度和横向载荷具有高灵敏度，同时具有结构简单坚固、体积小、生产方便等优点。

关键词： 光纤形状传感   多芯光纤   坐标预测   神经网络   注意力机制  

摘要： 针对光纤形状传感过程中需要复杂的数值计算问题，提出基于卷积神经网络（CNN）和长短时记忆（LSTM）网络并结合注意力机制的多芯光纤形状坐标预测模型，能够由多芯光纤纤芯的分布式应变直接获得其形状坐标，从而实现形状传感。CNN和LSTM用于提取应变信息中的时序特征，注意力机制弱化次要时序特征，最终获得光纤形状坐标。实验结果表明：对于不同曲率半径的曲线，所提方法能够避免复杂的数值计算而实现光纤形状传感，其均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）均优于基于弗莱纳方程进行数值计算得到的结果。对于曲率半径为700mm的曲线，RMSE仅为1.5739mm,MAE仅为0.6919mm，即光纤形状传感精度分别较数值计算方法的结果提高了58.96%和32.14%。

关键词： 拓扑优化   柔顺机构   压电材料   动力学优化   智能结构  

摘要： 随着压电柔顺机构在航空航天、精密加工等高频振动环境中的广泛应用，亟需发展大行程、高频响压电柔顺机构的拓扑优化方法。现有的拓扑优化方法侧重于提高柔顺机构的输出行程，而忽略了其动态特性。本文提出了一种考虑基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法。首先，为了更准确的描述压电驱动器与柔顺机构间的相互作用，将压电驱动器直接耦合进柔顺机构的优化分析模型中，建立了压电柔顺机构机-电耦合优化分析模型。其次，以输出位移为目标函数，基于变密度法，建立了考虑结构基频约束的压电柔顺机构拓扑优化方法。采用p–norm凝聚函数来近似结构基频，避免了迭代过程中特征值重复和模态切换所引起的不可导问题，并利用伴随法和链式求导法推导了目标函数和基频约束对设计变量的灵敏度。最后，通过数值算例验证了所提优化方法的有效性，讨论了基频约束对优化结果的影响。数值算例结果表明，所提方法迭代过程快速，收敛性好，能够在满足基频约束的前提下，实现输出行程最大化的设计。与仅考虑柔顺机构输出位移的优化结果相比，采用本文提出的方法所得优化构型的材料分布明显不同，且随着基频约束的增大，优化构型的基频相应变大，而输出位移变小。