课程文献中心 更多>>

关键词： 一维金属光栅   温度传感   表面等离子体共振   折射率传感   有限元法  

摘要： 本论文基于一维金属光栅等离子体双参数生物传感器特性设计了两种高度先进的双参数自参考生物传感器,用于同时监测折射率和温度,以满足生物医学和环境监测领域中对高灵敏度和精确度的需求。这两种传感器分别是在玻璃基板和在D型光子晶体光纤(PCF)上沉积的一维金属光栅生物温度折射率双参数自参考传感器。这些传感器的设计结合了表面等离子体共振(SPR)和光子晶体光纤(PCF)技术的优势,以实现对生物化学过程中关键参数的连续和实时监测。主要研究内容如下: 一、设计了直接沉积在玻璃基板上的一维金属光栅传感器,实现了在折射率检测上的高灵敏度,达到564 nm/RIU,其温度灵敏度为每摄氏度-50 pm。这种传感器的设计基于精确调制的金属光栅结构,能够有效地激发表面等离子体共振,从而对折射率的微小变化进行灵敏检测。同时,金属光栅的特性也使得传感器对温度变化具有良好的响应能力,适用于需要监控温度依赖性生物化学反应的场景。 二、设计了沉积在D型光子晶体光纤上的一维金属光栅传感器,显示出更高的折射率检测灵敏度,达到3300 nm/RIU,并且在温度检测上的灵敏度为每摄氏度-92 pm。该传感器采用D型光子晶体光纤结合一维金属光栅,增强了SPR效应,极大提升了对折射率和温度的检测能力。该设计不仅提高了灵敏度,还扩展了传感器的应用范围,使其能在更宽的折射率和温度范围内进行精确监测。 本文的研究重点在于通过有限元方法对这些传感器进行仿真模拟,并通过仿真结果验证理论分析的准确性。研究结果表明,所设计的传感器能够提供高灵敏度的测量结果,非常适合于复杂的生物医学应用和环境监测中,如蛋白质相互作用分析和环境污染监测。 此外,这项研究还探讨了传感器设计中的关键参数如光栅周期、光栅宽度和材料选择对其性能的影响,为未来的传感器设计提供了重要的设计准则和优化方向。通过持续优化这些参数,可以进一步提高传感器的灵敏度和适用性,以更好地满足特定应用需求。 总之,本研究成功设计的两种双参数自参考传感器具有良好的实际应用和科研价值,其高灵敏度和宽检测范围预示着它们在未来生物传感和环境监测领域中的广泛应用。

关键词： 太阳能界面蒸发   FBG   原位检测   传热特性   两相流动  

摘要： 随着人类活动的日益加剧,水资源分配不均与水污染问题在全球范围内愈发严峻,高效清洁的淡水生产技术对经济社会发展至关重要。近年来,太阳能界面蒸发技术在淡水生成、污水处理、分离纯化等领域展现出了不俗的应用潜力。与传统的物理吸附过滤、逆向渗透、生化降解等水处理方式相比,太阳能界面蒸发技术具有成本低、操作简易、低能耗等优势。作为太阳能界面蒸发技术的核心元件,多孔光热蒸发材料吸收太阳辐射并将其转换为热能,实现对液相工质的加热蒸发,其内部丰富的多孔结构一方面通过吸收液体进行体相加热,另一方面为气液相传输提供了通路。多孔光热材料内部的两相流动及传热特性对于太阳能界面蒸发装置的性能至关重要,然而由于其内部结构复杂,传统实验技术难以对其内部传输过程进行直接探测,对于多孔光热材料内部的流动传输规律相关研究比较匮乏。 本文提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的多孔光热材料内原位温度测量以及相分布测量的新方法。首先,通过在多孔光热材料内构建FBG传感器阵列,结合表面镀膜工艺,探究光热界面蒸发过程中多孔光热材料内部的传热及两相流动特性。在此基础上,通过重构多孔光热材料内的三维温度分布,研究了不同输入光强和不同界面蒸发工作模式对动态温度响应和传热特性的影响。结果表明,在光热驱动蒸发过程中,多孔光热材料内可以快速建立热平衡,界面绝热结构可以显著降低向液相主流区的热损失。随后,探索了FBG传感器在不同多孔光热材料中的应用,证明了基于FBG传感器阵列的原位探测方法适用于不同的多孔光热材料体系。最后,通过FBG表面镀膜工艺,构建了湿度传感器实现了多孔光热材料内部相分布测量,探究了不同运行工况下多孔光热材料内部气液分布特性。 本文基于光纤布拉格光栅,对多孔光热蒸发材料内的两相流动与传热特性进行了原位检测研究,获得了不同运行工况及工作模式下多孔光热材料内部三维温度分布与相分布特性,证明了FBG传感器应用于不同多孔光热材料内两相流动与传热特性研究的普适性。研究结果表明,多孔光热材料的微观结构、不同的太阳能界面蒸发器工作模式对多孔结构内部两相流动和传热性能具有显著影响。本研究为深入理解多孔光热蒸发材料的工作机理和结构优化设计提供了理论依据与实验参考,同时为光纤布拉格光栅技术在光热界面蒸发、多孔光热材料热质传输、原位两相流动传热探测等领域的应用探索了技术基础。

关键词： 弓网燃弧   受电弓电流   接触网几何参数   振动补偿  

摘要： 受电弓与接触网系统是电气化铁路中不可或缺的部分,弓网燃弧与接触网几何参数超限都可能对列车运行构成严重威胁。对于弓网燃弧和接触网几何参数的检测方式来说,传统人工静态检测效率低下,且接触式检测还存在安全隐患。针对于此,本文设计并研发了一套非接触式的弓网燃弧与接触网几何参数动态检测系统,主要研究工作如下: (1)分析了非接触式弓网燃弧与接触网几何参数动态检测系统的功能需求,设计了检测系统的总体方案。设计了弓网燃弧采集装置、电流脉冲采集装置、几何参数检测装置以及上位机软件部分,分别实现弓网燃弧检测、受电弓电流与列车里程信息采集、接触网几何参数测量以及后期数据处理的功能。 (2)基于本系统的硬件设备,针对列车运行过程中的振动问题,研究了一种接触网几何参数的校正方法,可以准确计算出接触网几何参数。将几何参数检测设备与车底振动补偿装置的坐标系进行坐标转换,推导得出几何参数的计算公式。同时,对几何参数公式进行理论验证。 (3)基于WPF开发检测系统上位机软件,实现对燃弧采集装置、电流脉冲采集装置、几何参数检测装置的数据采集和数据分析。同时,将所研究的几何参数计算方法融入上位机软件,通过加入车底补偿,提高动态情况下几何参数的检测精度。最后对弓网燃弧与接触网几何参数的相关数据进行分析处理,得出线路的健康评估。 为验证系统功能完整性与可靠性,在实验室中搭建测试平台,模拟现场环境进行测试。过程中实现了燃弧、电流脉冲以及几何参数的精确采集。同时,系统被用于郑州某地铁线路进行实地测试,实现了对测试线路弓网燃弧情况与接触网几何参数的评估。测试结果表明该系统达到了设计目标,满足工程应用的需求。

关键词： 反射式光纤传感器   木质文物   光纤光谱   霉菌   灵敏度  

摘要： 我国拥有悠久的历史文化传承,其中木质文物约占国家文物总量的三分之一。目前,世界上保存下来的古代木材大致可以分为两类:一类是以古建筑的形态在原址保留,另一类则是通过考古挖掘或水下打捞等方式作为出土或出水文物保存于博物馆。无论采用何种保存形式,木质文物都难免会遭受不同程度的腐朽损坏,这主要由多种环境因素所致,包括温湿度变化、酸碱盐环境、虫害侵袭、光辐射影响以及霉菌生长等。其中,霉菌不仅破坏木质文物的纤维结构,影响其表面色泽,还会大大降低文物的历史价值和审美价值。因此,为了实现木质文物的长期展览与保护,迫切需要制定科学的检测方法和保护措施。 针对上述问题,本文提出了一种创新的在线无损检测技术——反射式光纤传感器,通过构建光纤传感实验系统,实现了对木质文物表面霉菌的有效识别和精准检测。本研究主要涵盖以下三个方面: (1)本研究设计的反射式光纤传感器系统主要由一根发送光纤和六根具有75°倾斜端面的接收光纤组成。建立了光强调制的数学模型,并依据该模型执行了数值仿真,以分析不同参数对传感器性能的具体影响,进而确定了制造传感器的最优参数。仿真结果表明:光纤间距的最佳参数为125μm,发送光纤半径的最佳参数为150μm,接收光纤半径的最佳参数为200μm,接收光纤倾斜角度的最佳参数为75°,发送光纤数值孔径的最佳参数为0.22。这些参数的优化显著提高了传感器的灵敏度和测量范围。 (2)本研究利用传感器对松木和杉木样品表面培养的桔青霉、长梗木霉和枝孢霉进行了详细的检测与分析。通过显微镜观察获取了霉菌的表面形态以及其在不同生长高度的图片。应用反射式光纤传感器对实验样本进行了检测,以识别霉菌的特征吸收光谱和其特征峰值。实验结果显示,松木和杉木样本上培养的桔青霉的特征峰位于272 nm和273 nm,其传感器灵敏度分别为6.49E-4 AU/μm和6.66E-4AU/μm。长梗木霉的特征峰均在261 nm处,传感器的灵敏度均为6.5E-4 AU/μm。对于枝孢霉,其特征峰均在445 nm,松木和杉木样本的传感器灵敏度分别为7.02E-4AU/μm和7.5E-4 AU/μm。通过分析这些特征峰值,本研究成功实现了对不同霉菌种类的准确判定和识别,为有效预防和控制霉菌对木质文物造成的损害提供了重要技术支撑。 (3)在研究木质文物受霉菌腐蚀影响的基础上,本项研究进一步探究了可溶性盐分对木质文物腐蚀的影响。本实验采用不同浓度(0%、2%、4%、6%、以及8%的氯化钠溶液)处理木质样本,并在其上培养长梗木霉进行了细致分析。实验利用相机和显微镜记录了不同盐浓度条件下松木和杉木样本表面霉菌的形态特征。光谱分析数据揭示,随着盐分浓度的提高,传感器的反应受到明显限制。特别是在8%的盐浓度条件下,未能观察到长梗木霉的孢子和菌丝生长,传感器也因此未产生响应。因此,本研究制备的传感器在检测未经脱盐处理或含盐量较高的木质文物的霉菌变化时,其性能受到霉菌对盐浓度耐受上限的限制。