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关键词： CCD阵列   宽幅面   FPGA   STM32   数字化成像软件  

摘要： 固体火箭发动机作为火箭系统的关键驱动部件,其稳定运行直接影响着火箭发射任务的成功率。因此,对固体火箭发动机内部关键接合界面的粘合情况进行有效监测,是确保其稳定运行的必要措施。目前,行业普遍采用射线透视拍摄的方式获取包含界面粘合信息的射线底片,然而,传统的数字成像设备存在着以下问题:(1)采用工业相机进行拍摄的方法效率低且有效成像面积有限;(2)控制系统复杂、工作稳定性差且控制精度低;(3)数字化成像软件成像效果不理想且后续管理工作低效费力。为解决上述问题,本文结合实际工程项目,提出了一种基于CCD阵列的宽幅面数字化成像系统方案,为宽幅面射线底片的精确检测提供有力的技术支持。本文主要研究内容如下: (1)为提高成像效率,满足宽幅面射线底片高速数字化成像的需求,本文设计了基于FPGA的图像采集模块。首先,根据多CCD宽幅面数字化成像系统的工作流程及设计开发原理,对CCD线阵传感器进行选型,并采用多CCD拼接方法进行成像校准;其次,本文选择了Xilinx公司的XC6SLX9 FPGA芯片作为硬件平台的核心组件,配合高速A/D转换器、SDRAM存储模块以及USB控制器,构建了一套能够实现图像高速采集、存储、处理和传输的硬件体系结构。在这一硬件架构的基础上,本文采用自顶向下的设计理念,完成了对CCD阵列驱动、SDRAM中图像数据的存储以及USB通信传输的逻辑电路及软件设计。 (2)为降低数字化成像设备的控制系统复杂性,提高其工作的稳定性及控制精度,本文进行了基于STM32的控制模块开发。首先,本文针对系统所需主要元器件进行了选型,完成了整体硬件架构的设计布局;其次,本文研发了一套自动调焦线性光源模组,并组建光源子系统;最后,在满足功能需求的前提下,本文对STM32控制系统进行了关键模块的电路设计与程序编写,包括电机驱动控制、光源调控以及通信接口实现。 (3)为了解决获取高质量数字化图像及其后续管理的问题,本文提出了一套数字化成像软件设计方案。首先,软件系统与图像采集装置协同工作,实现了对射线底片的高效数字化转化;其次,经过处理的图像数据在上位机界面实时生成高质量图像;最后,通过整合数据库技术,确保了所采集图像信息的可靠存储与管理。 通过软硬件以及上位机软件测试,验证了本文设计的基于CCD阵列的宽幅面数字化成像系统能够对光学密度范围为0.5～4.5D的射线底片完成成像,有效成像面积可达210mm。综上所述,本文设计的系统具有高度的功能完备性和运行稳定性。在确保高质量成像输出的基础上,系统还能满足图像处理过程中的实时响应需求。

关键词： 超声检测   承压类特种设备检测   应用  

摘要： 承压类特种设备作为重要的安全生产设备，在工业生产中扮演着至关重要的角色。为了确保这些设备的安全可靠运行，需要对其进行定期检测和评估。超声检测作为一种非破坏性检测技术，在特种设备检测中具有重要的应用价值。本研究旨在探讨超声检测技术在承压类特种设备检测中的应用现状和发展趋势，为提高特种设备的安全性和可靠性提供理论和技术支撑。

摘要： 从2013年国务院提出“宽带中国”战略，到2020年我国宽带网络基础设施发展水平与发达国家之间的差距大幅缩小，我国实现了“光进铜退”的第一次“光改”，国民充分享受宽带带来的经济增长、服务便利和发展机遇。2021年，政府工作报告提出“加大5G网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”，这是千兆光网首次被写入政府工作报告；随即，工业和信息化部印发《“双千兆”网络协同发展行动计划（2021—2023年）》，紧跟其后，国家发展改革委与工业和信息化部发布《关于振作工业经济运行推动工业高质量发展的实施方案的通知》，要求在5G、千兆光网等领域布局一批新型基础设施项目；千兆光网也被广泛纳入各个省区市的“十四五”发展规划中，为第二次“光改”拉开了序幕。光纤互联能够减少铜缆消耗，推动光通信走向绿色发展，促进企业降本增效，推动“双碳”目标实现，实现社会资源高效利用。

关键词： 石质文物   化学风化腐蚀   光纤传感器   无损检测   最佳性能  

摘要： 众多石质文物赋存于野外遭受到日益严峻的酸雨及碱性物质腐蚀侵蚀,造成文物变形、开裂、滑移、脱落甚至坍塌。为了有效延续石质文物寿命,石质文物预防性保护成为文物保护领域的研究热点。在文物预防性保护研究领域,对石质文物病害发生发展过程进行在线实时检测是实现其预防性保护的关键。然而现有石质文物病害参数检测方法在实时性、在线性及便捷性等各方面难以满足石质文物化学腐蚀度检测的实际需求。由此可见,研发能够快速便捷且实时无损检测和判断石质文物腐蚀度的检测方法对我国石质文物科技保护意义重大。为了实现石质文物化学腐蚀度在线实时、非接触、非破坏性快速检测,本文提出并研制了一种新型的反射式光纤光谱传感器,构建了光纤光谱在线检测系统,并对不同腐蚀剂腐蚀岩石样品过程岩石腐蚀度进行了检测,为解析石质文物化学腐蚀病害机理与规律及其预防性保护提供了重要支撑。主要研究内容包括以下3个方面: (1)传感器结构设计、参数优化及理论模型建立。制备双圈同轴型反射式光纤光谱传感器。通过实验研究了不同传感器设计参数对其性能产生的影响;研究表明:当入射光纤数量为6根、接收光纤为中心1根与外圈6根的组合方式、中心接收光纤与出射光纤间距为0μm、外圈接收光纤与出射光纤间距为100μm,光程为2 mm时,传感器性能达到最佳,并制得了最佳性能的反射式光纤传感器。采用三维操作台、载物台、光纤传感器、光源、光谱仪与计算机搭建了光纤光谱检测系统。结合强度调制理论以及表面反射光的吸收、反射及散射特性建立了传感器测量理论模型。 (2)传感器对腐蚀后砂岩样本腐蚀度的检测性能。制备砂岩腐蚀样本,配置由稀硫酸和超纯水制备的p H分别为1,3,5,7的腐蚀液,完成对砂岩样本腐蚀;观察砂岩样品遭受四种不同浓度硫酸腐蚀液腐蚀后外观形貌变化信息;使用XRF表征了砂岩组成元素的质量占比。利用研制的传感器与搭建的检测系统对腐蚀后的砂岩样本进行在线检测。传感器获得了腐蚀后砂岩样本的特征吸收峰为270 nm,特征吸收波段为200-570 nm;当砂岩样本内铁元素质量占比在1.23%～1.75%时,传感器输出信号与铁元素质量占比具有线性关系。最后建立了石质文物反射光谱在270 nm、400 nm两个波段与腐蚀砂岩样本内铁元素质量占比拟合公式;实验结果表明本文构建的反射式光纤光谱传感器能够实现对砂岩样本内铁元素质量占比定量定性检测,达到对砂岩样本腐蚀度的准确检测。 (3)本文研究了不同腐蚀条件下传感器对石质文物的响应特征。研究了不同腐蚀类型,不同腐蚀液浓度,以及不同腐蚀时间对砂岩样本腐蚀变化的影响;结果表明砂岩样本遭受不同腐蚀剂腐蚀后反射光谱不同,由氢氧化钠和硫酸钠以1:1浓度比配置的碱性腐蚀液腐蚀砂岩样品后,砂岩的反射光谱在600-1000 nm波段反射率变化明显;由硫酸氢钠以及硫酸钠以1:1的浓度比配置的酸性腐蚀液腐蚀砂岩后,砂岩的反射光谱则在270 nm波段反射率变化明显;腐蚀剂浓度越高腐蚀速率则越快;岩石在酸性腐蚀中腐蚀速率先增大后减小,而岩石在碱性腐蚀钟腐蚀速率持续增加。

摘要： 表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPP）是由金属表面自由电子集体振荡形成的电磁模式。当入射光波与SPP波满足波矢匹配条件时，入射光波的能量会转移到金属表面，从而在金属-介质层之间激发产生表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）现象，同时在输出光谱上产生对应的共振吸收峰。理论和实验结果表明，当介质层的折射率发生变化时，波矢匹配条件随之变化，相应的SPR共振峰发生偏移，通过分析输出光谱的变化，从而实现对目标物的实时检测。SPR传感技术具有灵敏度高，抗电磁干扰能力强以及可实时监测的优良特性，在化学、生物医学及环境监测领域得到了广泛的应用。

关键词： 表面增强拉曼散射   氮化镓   热电效应   能级调控   纳米腔结构  

摘要： 表面增强拉曼散射(SERS)能够提供丰富的分子结构信息,在单分子水平实现超灵敏、实时、原位检测,已被广泛应用于化学分析、生物传感、环境监测等领域。从原理上讲,增强机制可分为由局域表面等离激元共振引起的电磁增强机制(EM)和分子与基底之间的电荷转移引起的化学增强机制(CM)。通过结合电磁增强和化学增强能够构筑高性能的SERS基底,进一步推进SERS技术在现实场景的应用。然而,通常在基底制备完成后其光学性质固定不变,这不利于对多种类分子的超灵敏及普适性检测。因此,如何通过操纵EM/CM调控SERS性能并拓宽SERS在多类型分子检测中的应用仍然是一个挑战。 本文从SERS增强机制出发,利用高性能热电半导体材料氮化镓(GaN)与银纳米颗粒或银纳米腔结构复合构筑了高灵敏度SERS基底。通过对基底施加温度梯度诱导热电场对银纳米颗粒和石墨烯的载流子密度进行调节,从而实现EM/CM的灵活有效调控,进一步增益SERS基底检测性能。具体方案如下: (1)热电场调控AgNPs/GaN基SERS化学增强特性研究。针对目前SERS调控手段过于复杂,重复性差的问题,我们提出了热电场调控化学增强的策略。在硅片上外延生长GaN薄膜,并与银纳米颗粒(AgNPs)复合,构筑电调控SERS(E-SERS)基底,与无电场诱导的基底相比,其E-SERS信号强度进一步提高了一个数量级。热电场可调节GaN和AgNPs之间的电荷转移效率,进而可在大范围内调节AgNPs的费米能级,增加基底与待测分子间的共振电子跃迁概率。基于热电场增益的CM,E-SERS基底实现了对具有小拉曼散射截面分子的超灵敏检测。另外,该E-SERS基底还可用于监测和操纵等离激元诱导的氧化还原反应。该工作加深了对SERS化学增强和等离激元激活光催化机制的理解。 (2)热电场可逆调控AgNPs/石墨烯/Ag/GaN基SERS双增强机制研究。针对E-SERS技术调控机制单一,灵活度差的问题,我们提出了同步调节EM/CM策略。基于热电半导体P型GaN薄膜,利用石墨烯为间隔层构筑银纳米腔结构SERS基底。激发热电场后,SERS信号的强度可进一步增强13倍。理论和实验结果证明热电场可有效调节石墨烯的载流子密度,对石墨烯快速、可重复性的掺杂,可在大范围内调节其费米能级,进而实现对CM机制的有效调控。另外,热电场还能调节银纳米结构的自由电子密度,实现对等离激元共振峰位置的调控,进一步增益电磁机制。同时研究了石墨烯层数对热电场调控性能的影响,发现随着石墨烯层数的增加,热电场调控能力逐渐减弱。最后,基于该基底实现了对严重急性呼吸综合症-冠状病毒刺突糖蛋白(SARS-COV-2S)以及抗生素的微量检测。该工作可有效推动SERS技术在多生物分子检测中的应用进程。 本文由四部分组成:第一章绪论介绍了拉曼散射及表面增强拉曼散射机理,SERS基底构筑及SERS性能调节,电调控SERS研究进展。第二章制备了AgNPs/GaN基底,实现了热电场辅助SERS化学增强和光催化作用,探究了其增强机理。第三章以石墨烯为间隔层的银纳米腔结构与GaN耦合构筑了SERS基底,实现了对石墨烯费米能级和银纳米腔等离激元共振峰的有效调控,推进了SERS在实际检测的应用。第四章是对以上工作的总结。