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关键词： 核酸扩增   温度控制   离心微流控   现场即时检测(POCT)   多重检测   可视化  

摘要： 核酸检测已广泛应用于医学诊断和食品安全等多个领域,对于生命健康与社会生活至关重要。但由于检测过程复杂且严格,需要在专业实验室进行,不适于在医疗基础设施不足,资源匮乏的环境进行,因此研究操作简单、低成本、便携式检测装置及平台具有重要意义。微流控技术和多种核酸扩增方法的进步显著提升了基于核酸检测的POCT诊断能力。例如,离心式微流控技术,具有流体自动控制、易于实现多通道并行检测、集成化程度高等优势。PCR可对核酸进行高精度和高灵敏度的定量分析,但需要精准变温控制及复杂装置。以RPA为代表的等温扩增,通过简单恒温加热,快速完成核酸检测。为了降低装置复杂度,除了传统的实时检测方法外,可视化检测技术,也正成为POCT核酸检测中的一个重要方向。 本文围绕核酸扩增与检测及微流控芯片相关的技术、系统、及装置展开研究,具体的研究内容主要包括以下几个方面: 1.研究了一种多通道核酸扩增系统,实现各类核酸扩增反应的精准温度控制。基于嵌入式系统软硬件设计,研究搭建了多通道温度控制系统及平台,在此基础上,研究优化了PID温度控制算法,通过结合积分分离策略,改善了温度控制的动态性能。同时,研究了基于最小二乘法的系统辨识和基于时间与误差平方乘积积分性能指标(ISTE整定法)的PID参数自整定方法,降低了控制系统实现的复杂度。采用了PCR管式反应器、数字RPA扩增芯片、及离心芯片等作为应用对象,对温度控制系统综合性能进行测试验证,表明该系统稳态控制精度为±0.1℃。 2.研究了一种基于POCT的低成本、手持式、可视化离心微流控系统,可实现多靶标并行检测。研究实现了一种具有四个反应单元的离心微流控芯片,每个反应单元带独立的样品定量腔与扩增腔,能够独立完成针对不同靶标的RPA扩增。该手持式配套驱动装置,包括:温度控制、可视化光学检测、高速电机旋转和位置传感等模块,能够实现芯片流体驱动、恒温加热及可视化检测等功能。为了适应芯片转动,采用非接触式恒温加热。集成了微型直流电机用于驱动反应腔内的钢珠进行主动混合提高检测灵敏度。为了避免采用带反馈控制的伺服电机,研究实现了一种基于磁传感的精准位置锁定策略,实现了低成本直流电机的精确定位。对芯片检测相关的背景荧光进行深入分析,结合荧光激发光光强及滤光片配置采用各类优化策略,降低背景荧光干扰,提升系统信噪比,实现优化的可视化检测。以针对非洲猪瘟病毒(ASFV)的多个基因并行检测为例,验证测试了该手持式微流控系统的综合性能。

摘要： 光纤激光器具有光束质量好、热管理方便、稳定性强等优势，已被广泛应用于工业加工、生物医疗、遥感通信等领域。单模式高功率光纤激光器具有极高的亮度和更小的发散角，在精密加工和远距离激光应用中具有重要价值。2009年，美国IPG公司宣布实现了10 kW单模光纤激光器，标志着单模光纤激光进入了万瓦级时代，但报道中未见光束质量测试结果。近年来，国防科技大学、中国工程物理研究院、清华大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、武汉锐科光纤激光技术股份有限公司等多家国内单位，基于同带泵浦和直接泵浦方

关键词： 不完整数据   因果发现   图神经网络   插补算法   解耦表征学习  

摘要： 随着大数据时代的发展,如何从复杂的数据中发现其中隐含的高价值信息在许多关键领域中是一项重要的研究方向。其中,基于统计学的传统机器学习方法在一些因果信息挖掘场景取得应用。然而,这些算法对于深度学习模型的可解释性与泛化能力仍存在一定的挑战,难以获取数据中蕴含的复杂信息,从而导致出现模型性能下降甚至决策出错误的结论。近年来,研究人员提出通过解耦表征学习挖掘数据中隐含的复杂逻辑关系,解耦数据的生成机制以提高模型的可解释性和泛化性。 在此背景下,研究人员提出了结合因果关系的解耦表征学习算法,但已有的算法仍然面临一些挑战,例如:1.大多数已有的算法都是基于全监督假设,需要大量的监督信息,但在现实世界中数据大多是缺失的或者类不平衡的;2.解耦表征学习过程中会对所有特征信息进行解耦,使得部分特征之间的相关性减弱,难以捕获到有效的特征信息,导致模型的性能下降;3.已有的大部分插补方法对于不完整数据的因果关系会造成影响,同时不完整数据也容易对数据的独立性产生错误判断。为克服不完整数据中的缺失问题并提高获取数据表征的质量和精度,本文着重研究了不完整的非平衡数据的因果解耦表征学习方法,以图神经网络(GNN)和变分自动编码器(VAE)和因果发现算法相结合的方法,实现对不完整的非平衡数据集的因果解耦表征学习。本文的工作分析了不完整数据的因果研究从理论到应用过程中的难点,解决了解耦学习过程中遇到的不完整数据问题和解耦表征算法鲁棒性低的问题,完成了从不完整数据中实现因果解耦的任务。本文的主要贡献如下: 1.提出了基于图神经网络的不完整数据的插补方法。针对不完整数据中的缺失数据问题和因果发现问题,考虑到多种不同特征之间的复杂交互所构成的因果网络,提出了一种基于GNN的插补算法来处理缺失的类不平衡数据。不同于现有的大部分插补算法会改变数据的分布,将数据使用图表示的方式表达数据特征,同时引入边缘嵌入和节点嵌入捕获特征之间的复杂交互。与不同插补算法以及不同因果发现算法进行一系列对比实验,实验结果表明本文提出的方法比基线方法更有效,可以在高缺失率环境下恢复因果结构,实现了对含有因果相关因素的数据插补,并从理论上证明了该插补算法恢复了数据中的因果关系。 2.提出了基于变分自动编码器的高鲁棒性的因果解耦表征方法。针对现有解耦表征算法中的鲁棒性问题,考虑到在弱监督环境下现有的连续约束算法可能无法学习到因果关系,提出了一种以因果关系为先验的高鲁棒性解耦表征学习模型对数据进行因果解耦表征学习。不同于传统的解耦表征学习模型使用各种约束条件引导解耦生成,本文将恢复的因果结构的以先验知识应用到模型的隐空间中,并通过最小化VAE中的证据下界(ELBO)来约束解耦模型中的隐变量对齐真实变量。在两种数据集上与最先进的因果解耦表征学习方法Causal-VAE进行对比实验其中包括生成实验和干预实验,实验结果表明本文实现了对含有因果关系相关变量的图像的生成,且能通过干预相关因果因素生成对应的反事实图像,这充分验证了本文所提出方法在缺失数据的因果解耦表征学习问题上的有效性。

关键词： 光纤传感技术   市政给排水管道   温差  

摘要： 为进一步提高市政给排水管道泄露监测效率，文章提出采用光纤传感技术监测占总泄漏量很高比例的小泄漏技术方案。试验结果表明，由于光纤传感技术温度计的测量精度为0.1℃，在环境湿度为0～90.8%RH的情况下，采用光纤传感技术实现泄漏监测是可行的，可有效监测到地下给排水管道泄露时，周围土体湿度及温差变化。当环境湿度在51.0%～90.8%RH变化时，测得的温差在0.97～8.55℃变化。因此在环境湿度为0～90.8%RH的情况下，采用光纤传感技术实现泄漏监测是可行的。

关键词： 智慧计量   信息检测   构建方法  

摘要： 随着智能技术的快速发展，智慧计量在生活各个领域中扮演着重要角色。文章介绍了智慧计量的概念和原理，强调了信息检测的重要性，探讨实现智慧计量信息检测所需的关键技术，并提出了智慧计量信息检测系统的构建方法，包括系统架构设计、数据流程与信息传递、系统硬件与软件配置等方面。对智慧计量信息检测面临的挑战进行评估，并提出了对未来研究的展望。

关键词： 光纤布拉格光栅   微结构   抗拉强度   金属化   温度传感特性  

摘要： 对于目前嵌入式光纤封装工艺，当机械结构长期受到温度或力等交变载荷作用时，光纤和金属由于热膨胀系数不同，会导致连接面出现松动和滑移。为了解决这一问题，本文基于机械联接原理，提出了一种双石英管对称阶梯式光纤结构。该结构设计使得阶梯式光纤与金属之间能够形成更加可靠的联接。基于热弹性理论，对阶梯式光纤进行理论分析，提出合理的阶梯式光纤制备工艺，并采用控制变量法对其各工艺参数进行实验分析以提高抗拉强度。成功制备了金属化阶梯式光纤布拉格光栅（FBG），并实验对比验证了阶梯式结构的有效性。实验结果表明：经过加工工艺改善后的双石英管对称阶梯式光纤抗拉强度可以达到750 MPa，相比于机械去除涂覆层得到的裸光纤抗拉强度（686.5 MPa）提高了9.25%；所制备的金属化阶梯式FBG的温度灵敏度达到15.59 pm/℃，温度分辨率为0.064℃/pm。金属化阶梯式FBG在不降低温度灵敏度的情况下，拥有比金属化FBG更稳定的温度传感性能。

关键词： MEMS   光纤传感器   压力测量   F-P干涉  

摘要： 压力是在实际应用中需要重点监测的物理量,高压油井、天然气勘探、航空工业以及深海探测的压力测量较多使用高压压力传感器。利用微机电系统(MEMS)制备的光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器与传统电学式压力传感器相比,具有抗电磁干扰能力强、精度高、体积小、适于批量化生产等突出优点,为实际环境下的高压测量提供了重要的技术途径。本文针对高压环境测量需求,对MEMS法布里-珀罗光纤传感器展开研究。主要研究内容有: (1)MEMS法珀光纤压力传感器工作原理、解调原理的分析介绍。论述多光束干涉原理,确定本文传感器的结构形式为膜片式非本征型F-P光纤压力传感器;分析传感器的感压原理,为后续传感器的设计提供理论基础;介绍光纤法珀传感器的解调方法,分析不同方法的优缺点。 (2)MEMS法珀光纤压力传感器的设计与仿真。基于MEMS工艺设计了硅-玻压力敏感结构,利用有限元分析软件中结构力学模块对影响传感器性能的敏感膜片参数进行了仿真,结合测试需求、加工工艺难度确定了传感器的尺寸参数;对传感器的整体敏感结构进行仿真分析,验证了其在20MPa载荷下具有良好的抗过载能力。 (3)MEMS法珀光纤压力传感器的制造加工。基于现有MEMS加工技术及尺寸参数,设计传感器敏感结构的MEMS加工工艺流程,完成传感器敏感结构的批量制造。通过粘接的方式实现光纤的纵向集成,最终得到MEMS光纤F-P压力传感器样件。 (4)MEMS法珀光纤压力传感器的实验测试。实验分为静态压力测量实验与动态压力测量实验。静态压力实验结果表明,传感器能够承受20MPa高压,其压力灵敏度为47.51nm/MPa,与仿真结果差距较小,且传感器具有较好的稳定性和重复性。动态压力实验结果表明,该传感器能够对动态压力信号进行响应。针对动态压力实验中单波长强度法无法实现腔长解调的问题,研究了解调范围更大、适用于动态检测的三波长解调算法。

关键词： 无线传感器网络   非测距节点定位   距离矢量跳   待定系数函数   计算机仿真   变化场景测试  

摘要： 无线传感器网络在军事领域、环境监测、医疗数字化、智能城市、物联网等领域都有相当大的应用,利用其节点定位技术,实现局域内的通信和监测定位。DV-Hop(Distance Vector Hop)算法作为典型的非测距定位技术,依据节点之间的跳段数关系和信标节点的位置,估算未知节点的坐标,有着资源占用率低、环境依赖性低、兼容性强、反应速快等特点,但是已经无法满足当前对定位精度的需求。同时,现有的优化策略忽略了作用原理的分析,导致优化模型的稳定性和扩展性不强。本文以DV-Hop模型为主要研究对象,剖析定位过程中主要的误差来源,提出了针对性的改进措施,并设计多维度的评价体系以分析更多的原理和细节。本文的主要工作内容如下: (1)分析原DV-Hop模型的定位误差逐步积累的特点,按模块拆分原模型并逐个设计含待定系数的优化策略。首先,在最小二乘法解式模块中,设计加权策略用以测试不同特点的信标节点的可靠程度。其次,在平均跳距测算时加入信标节点的权重设计,将初测的平均跳距用于估计信标节点的距离并统计误差,再按照一定比例修正。再次,为距离估计模块设计存储空间,用于存储的最先接收到的若干个信标节点平均跳距信息,同时设计后到的信标节点估计距离的算法。最后,根据最小二乘法特点分析误差,设计了回退重构的加权最小二乘法和带有虚拟信标节点的二分段权重函数,并引入基于多边极大似然估计原理的逆向分析二次修正策略,继续优化定位结果。各模块优化策略的单模块实验结果,表明各模块都有合理且有效的优化效果。 (2)为串联所有优化模块,设计了二进制控制器和基于贪心策略的多场景应用模型和二阶段实验。按照平均跳距、估计距离、解式定位、定位后修正的顺序依次排列,用四位二进制控制各个模块是否选择优化策略,其中各模块的待定系数采用贪心策略确定。其中,新引入的二次修正模块完全有效且依赖于估计距离的精准程度,故将其视为一种测验方法,作为新的评价指标,定量判断其他模块是否为有效修正了估计距离。结合二进制代码和新评价指标的设计,分析各模块的变基准多指标作用效果和作用原理。 (3)优化模型的对比测试和扩展应用实验。在场景参数的小范围变化和大范围变化下,将本文算法与多个同类型的改进算法进行对比实验。补充更多的带干扰场景、变化场景尺寸和参数、二维三维不同的规则和不规则场地的定位效果和优化效果。实验结果显示,在场景参数大幅度变化、场景形状变化和干扰影响下,本文所提优化策略在数据、稳定性、适应性和可靠性上都表现突出,部分优化数据的效果超过其他同类型优化模型一半以上。数据上,本文所提出的优化模型能够在不对系统产生额外资源消耗的前提下,总体的优化值在0.0630-0.2772,平均优化值0.2183,优化率23.81%-75.85%,平均优化率57.44%。