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关键词： 机器视觉   丝锥   图像处理   尺寸测量  

摘要： 丝锥是应用最为广泛的螺纹刀具,其制造精度不仅影响螺纹孔加工的质量和效率,也直接影响到丝锥本身的使用寿命。因此,对丝锥的测量具有重要意义。目前传统的丝锥测量方法已不能满足工业生产的要求,而基于机器视觉的测量方法具有速度快、精度高、劳动强度低等优点,成为了丝锥测量技术的发展趋势。本文研究基于机器视觉的丝锥测量系统,设计了丝锥几何参数的测量方法。本文的主要工作和成果如下:(1)分析了丝锥结构特征,对丝锥几何参数测量系统进行总体方案设计。根据丝锥几何参数的测量要求,完成了对相机、镜头、光源等选型,构建了视觉测量系统的硬件平台。(2)研究了传统的张正友相机标定算法,通过校正镜头畸变和透视偏差,从而获得高精度的标定结果。分析了图像清晰度评价函数,提出一种改进的清晰度评价函数,用于系统聚焦位置的判定。(3)研究了视觉系统的关键算法。在图像预处理中,采用双边滤波算子降低图像噪声,使用最大类间方差法进行图像分割,利用形态学操作去除干扰。为了快速准确地定位测量区域,构建形状匹配结合仿射变换的算法,同时采用图像金字塔分层搜索策略提高匹配定位效率。采用改进的Zernike亚像素边缘检测算法对边缘进行亚像素细分。在几何基元拟合中,采用迭代重加权最小二乘法,减少了离群点的干扰。(4)设计了丝锥几何参数的测量方法,实现丝锥芯厚、前角、刃宽、铲背量几何参数的测量。在Qt集成开发环境下,以模块化编程思想进行软件系统开发。通过测量重复性实验和测量对比实验,实验结果表明该测量系统具有较高的测量精度和测量效率。

关键词： 掺铒相移光栅   分布反馈光纤激光器   光栅结构误差   动态相位掩膜板法   热致啁啾效应  

摘要： 光纤激光技术于上世纪80年代末提出,在通信、传感、医疗和工业生产等领域已得到了广泛应用。随着光敏性有源光纤制造技术和特种光纤光栅刻写工艺的不断进步,直接在有源光纤上刻写光纤光栅,构成短腔单纵模激光器的方案获得了显著发展。其中,分布反馈光纤激光器是将π相移光栅直接写入有源光纤,构成分布反馈谐振腔,具有本征单纵模、窄线宽、低噪声、振弦结构环境敏感性高等优点,被广泛用作超窄线宽激光种子光或高灵敏的光纤激光传感元件。 有源相移光纤光栅是分布反馈光纤激光器的核心器件,同时承担了分布反馈腔和增益介质的作用,其周期一致性、折射率调制量一致性和相移量准确性直接影响到分布反馈光纤激光器的激光性能。因此,有源相移光纤光栅制作技术决定了分布反馈光纤激光器的实际应用价值。充分研究有源相移光纤光栅的制作工艺,对于实现分布反馈光纤激光器的推广应用至关重要。 本文详细介绍了掺铒相移光纤光栅的制造工艺,根据扫描曝光结合动态相位掩膜板法工艺特点,对可能存在的光栅结构误差进行了分析归纳,并建立耦合模理论模型对误差存在的影响进行了仿真分析,利用掺铒相移光纤光栅热致啁啾效应提出了强度解调型光纤热线传感技术。主要工作如下: (1)分析了扫描曝光结合动态掩膜板法制作工艺中,光栅结构误差产生机理。搭建了扫描曝光结合动态相位掩膜板法的光纤光栅制作系统,并详细地介绍了该系统制作掺铒相移光纤光栅的过程。根据该系统在实际批量制作掺铒相移光纤光栅中出现的成品率不稳定情况,分析提出了四种可能导致光栅产生结构误差的因素:压电陶瓷驱动器带动相位掩膜板移动不准确、相位掩膜板存在污点、紫外激光器脉冲能量波动以及直线平台非匀速运动。结合传输矩阵法理论模型,将这四种结构误差归纳为三种数值仿真模型:相移量偏离π、折射率调制量啁啾及随机等效相移。 (2)开展了三种光栅结构误差对有源相移光纤光栅光谱特性和分布反馈光纤激光器激光特性影响的仿真研究。通过仿真结果与相关实验数据对比分析,研究了相移光纤光栅存在结构误差时光谱透射窗口的劣化情况,同时讨论了光栅结构误差对分布反馈光纤激光器阈值功率、能量分布等特性的影响。通过研究分析光栅误差量级对有源相移光纤光栅和分布反馈光纤激光器性能的影响程度,从而为进一步优化改进分布反馈光纤激光器的刻写工艺提供了理论依据。 (3)结合光栅啁啾对分布反馈光纤激光器输出功率的影响,提出了基于掺铒相移光纤光栅热致啁啾效应的强度解调型光纤热线传感机理。在分布反馈光纤激光器掺铒相移光纤光栅后端熔接掺钴光纤,利用剩余泵浦光激励掺钴光纤发热,构成光纤热线,温度梯度分布使掺铒相移光纤光栅产生热致啁啾,导致分布反馈腔结构变化而引起的激光功率变化。由此构成的光纤热线传感器实现了高达25.74μW/(m/s)的气流检测灵敏度,同时测量分辨率达到了0.00039 m/s的水平。实验结果说明,相较于传统的基于波长解调技术的光纤热线传感器,所提出的强度解调型光纤热线传感器展现出了在微气流测量中的明显优势。

关键词： 非线性效应   广义多模非线性薛定谔方程   多芯光纤   超模模式   色散效应  

摘要： 随着通信需求的不断增长,传统单模光纤的传输容量已逼近理论极限。为了突破这一瓶颈,多芯光纤作为一种高潜力解决方案,成为研究焦点。多芯光纤因其总的有效面积较大而降低了非线性效应从而提高输出的功率,为短光纤、高功率激光器提供了新可能。多芯光纤结构参数灵活可调,可设计为同质多芯光纤与异质多芯光纤。异质结构的多芯光纤具有低串扰与抗弯曲特性,能够应用在长距离的光纤通信。本文对同质、异质单模多芯光纤的超模模场分布与模式耦合特性进行分析,并依据广义多模非线性薛定谔方程,对脉冲传输特性进行分析。论文的主要内容如下: (1)首先,通过研究芯间串扰理论,对模式耦合以及功率耦合进行了理论分析。对纤芯为单模多芯光纤的结构与模式特性进行分析。 (2)其次,对同质多芯光纤的超模模场分布与有效模场面积进行了分析,研究了同质七芯光纤的模式耦合特性。对光纤传输过程中纤芯间的能量耦合进行仿真模拟分析。在不同入射条件下,利用广义多模非线性薛定谔方程,对多芯光纤的线性效应与非线性效应进行了理论分析。分析线性效应以及非线性效应作用下脉冲在传输过程中的时域、频谱以及能量演化。对光纤参数对于耦合特性以及传输特性的影响进行了仿真分析。 (3)最后,对异质多芯光纤的参数选取进行探讨,研究异质多芯光纤的模场分布与模式耦合特性。对异质多芯光纤中的传输特性进行研究分析,并与同质多芯光纤的影响进行对比分析,研究异质多芯光纤传输过程中的线性效应以及非线性效应,为多芯光纤在通信领域与光纤激光器领域的使用提供了新的可能。

关键词： 碳循环要素   总氨氮   传感器阵列   全固态聚合物膜离子选择性电极   海水分析  

摘要： 海洋碳循环和氮循环对维持海洋生态系统平衡具有重要作用,两者可紧密耦合,共同调控海洋生态系统的结构和功能。准确获取碳循环和氮循环相关参数的长期浓度信息是研究其对海洋生态平衡影响机制的前提条件。H、Ca及CO是海洋碳循环相关的三个重要参数,而氨氮是与海洋氮循环相关的重要参数。目前普遍采用光谱学方法对海洋碳循环三要素和海水-氨氮进行测定,但这些检测方法存在设备复杂、操作繁琐、仪器价格昂贵等问题,多用于实验室分析,不适用于海洋环境现场检测。为此,本论文系统研究了适用于海洋碳循环和氨氮现场、快速、同时检测的聚合物膜电位型传感器技术。基于全固态离子选择性电极构建技术,以NiCoS作为固体接触层材料,构建了丝网印刷全固态钙离子、碳酸根离子、氢离子和铵离子选择性电极,以及基于离子液体的全固态参比电极;以这些传感器为核心元件,分别构建了芯片式海洋碳循环要素检测模块和海洋氮循环要素检测模块,研制了小型化海洋环境多参数检测系统,并成功用于海水样品分析。研究工作概况如下: （1）海水碳循环要素检测电化学传感器的构建与应用 本工作基于全固态离子选择性电极构建技术和丝网印刷电极基底,构建了芯片式检测海洋碳循环三要素的聚合物膜离子选择性电极阵列（其中包括基于离子液体的全固态参比电极）;为了提高全固态聚合物膜离子选择性电极的检测稳定性,引入了具有氧化还原性能的NiCoS材料作为电极的离子-电子转导层。同时,基于离子液体,构建了全固态参比电极,所构建的海水碳循环要素检测系统在模拟海水背景下对Ca和CO的检测浓度范围分别为10-10M和3.2×10-1.9×10M,对pH的检测范围为5-9。对海洋碳循环三参数的检测准确性均小于2.0%（相比于比测设备读数的平均偏差）。 （2）海水氨氮检测电化学传感器的构建与应用 本工作基于全固态离子选择性电极构建技术和丝网印刷电极基底,构建了芯片式海水氨氮聚合物膜离子选择性电极。以丝网印刷电极为基底,以NiCoS材料为离子-电子转导层,制备了芯片式全固态NH离子选择性电极,并在此基础上以PVA水凝胶替代原有的内充液,构建了小型化全固态氨氮传感器。通过优化PVA水凝胶的浓度、体积、防水透气膜种类等关键实验参数,提升了小型化全固态氨氮电极的检测性能,并对其检测信号的可逆性进行了考察。所构建的海水氨氮检测模块在模拟海水背景下对总氨氮的检测浓度范围为10-10M,检测准确性小于2.0%（相比于比测设备读数的平均偏差）,响应时间小于30 s,且电极响应具有较好的可逆性。 （3）海洋环境多参数检测电化学传感器阵列系统的构建与应用 本工作集成以上关键技术,构建了全固态聚合物敏感膜电化学传感器阵列体系,实现对海洋环境多参数现场快速检测。对Ca、CO和氨氮的检测浓度范围分别为10-10、3.2×10-1.9×10和10-10M,对pH的检测范围为5-9。单个样品的全程分析时间小于15 min,对四参数的检测准确性小于2%。所构建的小型化海洋环境多参数检测系统已成功用于近海环境中碳循环要素(H、Ca、CO)和氮循环要素（氨氮）的同时快速检测。

关键词： 飞秒脉冲   高峰值功率   增益管理非线性放大   高紧凑性   高稳定性  

摘要： 高峰值功率飞秒光纤激光器在高精度工业制造、生物医学、国防、航空航天等领域有着广泛的应用。目前，产生高峰值功率飞秒光纤激光的主要方法是啁啾脉冲放大技术和非线性脉冲放大技术，然而前者虽然能够产生单脉冲能量大于1 mJ的飞秒脉冲，但受限于增益窄化效应，产生的脉冲持续时间通常大于200 fs。后者虽然能够产生持续时间～50 fs的脉冲，但整体设计比较复杂，限制了其应用范围。随着国内外相关工作的长期积累以及激光器件等硬件能力的提升，科研人员提出了一种基于增益管理非线性(Gain-Managed Nonlinear, GMN)放大的方案，这项技术能够以简单的系统设计产生持续时间小于50 fs的脉冲，还能保证紧凑的系统结构。综述了增益管理非线性放大技术的理论研究进展，总结了国内外不同设计结构的增益管理非线性放大系统研究进展，最后对增益管理非线性放大系统的应用进行了展开分析，展望了其在未来的发展方向。进一步分析了泵浦波长、泵浦方式对增益管理非线性放大的影响，提出了一种全光纤一体化的增益管理非线性放大系统，并利用该系统进行了超连续谱产生的应用研究。

关键词： 异质结   宽光谱   神经形态   视觉传感器   卷积神经网络  

摘要： 冯·诺伊曼架构因为体系成熟、灵活性高等优点被广泛应用。然而,由于冯·诺伊曼架构存算单元分离导致数据传输高延迟、高能耗,中央处理器需要不断地被迫等待数据读取或写入到存储器,这影响了计算机的计算效率并且会产生较高的功耗。与传统的冯·诺伊曼架构相比,生物感官系统把感知、存储以及运算三个功能集成于一体,可以高效并且实时地采集和处理外界信息。因此,受人类视觉系统的启发,神经形态视觉传感器能以类似于人眼的方式处理光信息,实现对光信号的感知、记忆和处理。并且在低功耗下可以执行高水平并行信息处理。所以神经形态视觉传感器有望克服基于冯·诺伊曼系统视觉芯片高延迟和高能耗的困难。 近年来,金属卤化物钙钛矿具有较强的光与物质相互作用、长载流子扩散长度和极高的光电转换效率等优点,成为传感器领域的研究热点。同时,由于其固有的离子迁移效应,在光照下表现出可重构的光响应性,这有望促进视觉传感器的发展。然而,由于钙钛矿材料普遍存在较大的带隙,在钙钛矿中同时实现可重构光响应和宽光谱响应具有挑战性。在此,我们通过将全无机金属卤化物钙钛矿（Cs Pb Br3）与窄带隙硫化铅（Pb S）耦合,展示了一种从可见光（Vis）到近红外（NIR）的宽带神经形态视觉传感器。并且发现是Cs Pb Br3的离子迁移引起了Pb S/Cs Pb Br3异质结界面的能带动态弯曲,导致了可逆、多级、线性可调的光响应性。此外,利用Pb S/Cs Pb Br3异质结的可重构和宽光谱光响应实现了卷积神经网络处理,用于模式识别和从可见到近红外波段的边缘增强,这表明Pb S/Cs Pb Br3异质结在人工智能视觉传感中具有巨大的潜力。

关键词： 热电偶现场校准   不确定度分析   计量比对  

摘要： 热电偶作为反应堆热工试验台架上重要的温度监测仪表，需进行周期性送检，确保温度测量数据的可靠性。传统校准方式中，校准环境与试验现场分离，拆装周期长，耗时耗力，为此，设计了一种基于Labview的热电偶现场校准装置。利用该装置进行热电偶的现场自动校准，并对测量结果进行不确定度分析。将传统校准装置测量数据与现场校准装置测量数据进行计量比对，结果表明该装置的测量能力验证属满意结果。