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关键词： 石墨烯   重金属离子   电化学检测   纸基微流控芯片   3D结构  

摘要： 随着工业生产的不断发展,环境中有毒污染物积累逐渐增多,其中重金属离子污染对人体造成持久不可逆损伤的危险也日益增长,所以对重金属离子进行准确快速检测变得尤为重要。目前重金属离子的检测有多种检测方法,由电化学检测法发展而来的差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV）是检测重金属离子的有效方法之一,该方法具有检测灵敏、快速、选择性好、运行成本低以及能实现实时在线检测等优点,适用于多种金属离子、有机化合物以及微量和痕量组分的测定,可以很好满足重金属离子的定性和定量分析。 纸基微流控芯片作为一种新兴的微流控分析技术平台,具有低成本化、微型化、使用方便等优点,在医学诊断、生化分析和环境监测等众多领域具有广泛的应用前景。纸基微流控纸芯片利用纤维素材料作为基底,通过图案化的疏水边界形成亲水的微流控通道,待测液体样本在纤维束的毛细作用下自发流过微流控通道,并可对待测样本进行初步过滤。本文将微流控技术与电化学检测技术相结合开展了基于电化学微流控技术的常见重金属离子检测系统研究,搭建了重金属离子检测的系统,该系统包括硬件检测电路、软件程序和纸基微流控芯片三部分。具体开展了如下工作: （1）通过对现有重金属离子检测方法进行分析,对比其优缺点,并对电化学检测原理进行详细的介绍,选择差分脉冲阳极溶出伏安法作为检测方法。根据检测方法以及待检测信号的特点制作了相应的软件程序和硬件检测电路。其中硬件检测电路利用差分脉冲信号作为激励信号,以重金属离子得失电子产生的电流信号为检测对象。软件部分利用MATLAB开发了便于信号采集与显示的上位机软件,借助Keil 5编写了下位机程序。利用Solidworks为微流控芯片以及硬件电路部分分别设计了外壳封装,以增加整个系统的稳定性。将软硬件电路与纸基微流控芯片结合组成了完整的基于电化学微流控技术的常见重金属离子检测系统。整体检测装置大小仅15cm×15cm×9cm,且不需要专业技术人员进行操作。 （2）借助微流控技术设计了多层结构的纸基微流控芯片,芯片采用三维结构布局,利用疏水材料在纸基材料上制作了亲水的加样区、流路通道和检测区,并在芯片的流路结构中设置有废液通道,以稳定待检测液的流动,增强检测效果。基于石墨烯材料的特性,选择其作为三电极材料,经过性能对比最终选用叉指状电极结构布局,通过黏附材料将检测电极与三层纸基材料装配在一起,完成检测芯片的制作。根据相关理论研究流体在滤纸这类多孔介质中的传递情况,并利用COMSOL仿真软件对检测过程进行仿真验证。通过实验测试开展了检测芯片的性能对比,经测试发现叉指状检测电极结合3D结构芯片布局,可以大幅提高检测效果,相比与长条形电极和平面型的检测芯片,本芯片检测信号强度提升了194.66%。 （3）开展了待测溶液的定性定量检测,选用p H=4.5的乙酸-乙酸钠作为缓冲溶液,选择合适体积的缓冲液和重金属离子标准溶液配制待测溶液。在富集电压为-1.2V、富集时间为180s、静息时间为30s、步进电压为4m V、脉冲振幅为50m V、脉冲周期为100ms的条件下,对铅、汞、镉、铜等单一离子及其混合离子溶液开展检测,在约8分钟时间完成检测。根据检测结果可知四种单一离子浓度在10μg/L-100μg/L内呈现良好的线性度,其中镉离子的线性拟合方程为y=0.10632x+14.8566,R=0.9928;铅离子的线性拟合方程为y=0.02571x+1.43408,R=0.9857;铜离子的线性拟合方程为y=0.0082x+1.0316,R=0.9917;汞离子的线性拟合方程为y=0.00697x+1.42222,R=0.9595,且对其混合离子溶液具有良好的区分度。镉、铅、铜以及汞四种离子的检测限分别为0.34μg/L、1.40μg/L、4.39μg/L、5.16μg/L。 综上,本文将电化学技术与微流控技术相结合,设计并制作了重金属离子检测系统,基于电化学微流控技术对常见重金属离子进行了检测,本检测系统相比于其他检测系统,具有便携、检测快速、操作简单等优点,不需要高技术的专业人员进行操作,对重金属离子检测技术发展能起到一定的助力。

关键词： 时栅位移传感器   电容式传感器   直线位移   角位移   组合测量  

摘要： 多自由度位移测量技术是推动我国装备制造业向更高技术水平跃升的关键技术支柱。随着科技的发展,在机器人控制、自动化生产、航天航空等复杂系统的制造过程中,对直线位移和角位移测量的准确性、灵敏度及可靠性提出了更高的要求。针对当前我国在多自由度位移测量技术领域所面临的瓶颈问题,加快自主研发和创新,掌握核心技术,不仅对于突破国外技术封锁、提高国产装备的竞争力具有重大意义,也对整个制造业的高质量发展具有深远影响。 作者所在课题组长期致力于精密位移测量领域,提出了时空转换思想,通过将空间位移和时间量结合起来,实现了高精度位移的测量。为了满足工程和科学领域对多维度运动信息的需求,提高系统的性能和效率,在平面二维纳米时栅位移测量技术的基础上,本文设计了一种基于交变电场的直线位移和角位移组合测量的时栅位移传感器。该传感器由柔性电路板弯曲成圆柱形,并通过在直线方向和旋转方向的激励电极以离散正交编码的方式,为两个测量方向同时提供匀速交变激励电场,实现直线位移和角位移的测量。使用FPCB制造工艺,制造了在直线方向有效量程为100mm,在旋转方向有效量程为360°的传感器动尺与定尺样机。其直线方向和旋转方向的测量精度分别达到138μm和90″。本研究为直线和角度复合测量的传感技术及器件提供了一个新思路,为今后在智能机器人、在线计量、新能源等领域的推广应用打下基础。本文主要研究内容和创新点如下: 1)传感器结构设计与理论研究。首先对国内外关于直线位移和角位移的发展进行了调研,查找了相关文献,重点分析了直线位移和角位移组合测量的研究现状。结合前期对于平面一维和二维位移传感器的测量原理等研究的基础上,提出了一种能够实现直线运动和旋转运动同时进行的传感器结构,对该结构进行数学模型简化分析并推导,在理论上实现了传感器同时进行直线运动和旋转运动时,分别输出直线位移和角位移。 2)传感器模型仿真。在电场仿真软件中建立了用于直线位移和角位移组合测量的柱面位移传感器的三维模型。通过电场仿真结果验证了传感器结构设计和测量原理的可行性。分析了传感器在一维运动情况下和二维运动情况下各自输出的行波信号质量,得到了仿真位移测量误差,并分析了模型仿真中误差产生原因及误差规律。 3)实验平台搭建及样机验证。根据传感器结构以及测量原理,研制了传感器动尺与定尺样机,搭建了实验平台,进行了传感器样机的一维直线位移测试实验、一维角位移测试实验、直线位移和角位移组合测量实验。实验结果表明:采用FPCB工艺制作的传感器样机装配成圆柱结构后,能够实现直线运动和旋转运动,而且能够得到直线位移和角位移数据。最终传感器在直线方向稳定性约为±100nm,分辨力约为300nm。旋转方向稳定性约为±0.5″,分辨力约为3″。在100mm范围内,直线位移测量误差约为138μm,角位移测量误差约为90″。 综上,本文提出了一种基于交变电场的直线位移和角位移组合测量的传感器结构,完成了组合测量机理的数学建模。电场仿真初步验证了传感器结构的可行性和理论推导的正确性。制造传感器样机后通过实验研究进一步验证了理论分析和电场仿真的正确性。

关键词： 表面等离激元   表面增强拉曼散射   光栅   三维  

摘要： 表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的检测和分析技术,具有高灵敏、特异性和无损检测的特点,被广泛应用于环境检测、食品安全、疾病检测等领域。SERS可以显著增强探针分子的拉曼信号,能够在痕量甚至单分子水平上实现检测。拉曼信号的增强机制目前主要有两种:电磁增强机制（EM）和化学增强机制（CM）。其中电磁增强机制被普遍认为是SERS的主要贡献者。电磁增强机制主要归因于贵金属表面的局域等离激元共振（LSPR）效应,在LSPR效应的作用下,贵金属表面产生强“热点”区域。当检测分子处于该区域内,其拉曼信号会被放大,进而实现检测。因此“热点”的调控一直是SERS研究领域的研究重点。“热点”调控主要是通过控制金属纳米结构的大小、形状等实现对SERS增强效果的精确控制。在“热点”的调控策略中三维（3D）纳米结构被认为是一种高效的调控策略,这主要是由于三维纳米结构具有大的比表面积,能够提高金属纳米结构的密度,提供更高密度和更多维度的“热点”,有效增强入射光与待测分子之间的相互作用。 本文设计并研究了具有多级结构的SERS基底,旨在提高其比表面积以增强拉曼信号。利用旋涂翻模法制备柔性纳米薄膜作为SERS基底的光栅模板,随后通过热蒸镀法、化学还原法或水热法的结合,制备出均匀且稳定的金属纳米结构,构建出具有高效光利用率和较大比表面积的三维基底。通过这一系列的操作,成功调控了“热点”的密度和强度,实现了SERS信号的增强和调控。具体研究如下: 1.聚二甲基硅氧烷/光栅/氧化铜纳米线/银纳米颗粒（PDMS/grating/Cu O NWs/Ag NPs）多级结构SERS增强特性研究。为了解决多相复杂检测体系中痕量检测的难题,本文通过在微米级光栅结构中引入纳米级氧化铜纳米线（Cu O NWs）和银纳米颗粒（Ag NPs）,成功构建了具有纳米线结构的光栅微腔,这种结构不仅显著增大了表面积,还形成了高密度的“热点”,从而显著增强了SERS效应。利用FDTD模拟方法,我们深入探究了PDMS/grating/Cu O NWs/Ag NPs多级结构基底中光栅与纳米线结构的电场分布特性。研究发现,光栅的引入为基底上方的空间构筑了一个有效的电场,而Cu O NWs不仅为Ag NPs提供了丰富的附着位点,还促使Ag NPs间的热点区域在三维空间内均匀分布。这种电场分布使得PDMS/grating/Cu O NWs/Ag NPs多级结构基底展现出卓越的SERS性能。此外,Cu O NWs增加了基底表面的粗糙度,使得该基底还展现出优异的疏水性能,使其在油水混合溶液中能够实现定向检测,为污水环境中的分子检测提供了新的解决方案。 2.聚二甲基硅氧烷/光栅/四氧化三锡纳米晶体/银纳米颗粒（PDMS/grating/Sn3O4NCs/Ag NPs）多级结构SERS增强特性研究。为了进一步探究光栅结构的优势,我们采用与第一个工作相同的制备方法,即通过在光盘（CD-R）表面旋涂PDMS胶体,得到表面具有光栅结构的PDMS薄膜。随后,我们利用水热法合成了Sn3O4NCs,并通过热蒸镀技术,在纳米晶体表面沉积了Ag NPs,成功制备出PDMS/grating/Sn3O4NCs/Ag NPs三维基底。该基底在酒精溶液中展现出了对低浓度(<10-9M)罗丹明6G（R6G）分子的快速检测能力。进一步验证了该基底对结晶紫（CV）分子的检测能力,最低检测到的浓度小于10-8M,这一结果再次证明了PDMS/grating/Sn3O4NCs/Ag NPs基底的高灵敏度和优异的SERS性能。更重要的是,该基底还能够有效检测抗生素诺氟沙星（norfloxacin）分子,最低检测浓度达到10-9M,这进一步展现了其在药物检测领域的广阔应用前景。

关键词： 光纤布拉格光栅   优化配置   自修复   拓扑结构  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器利用光栅技术,通过监测结构变化引起的光纤光栅波长偏移,实现对温度、应变等参数的高精度测量,因而被广泛应用于大型结构健康监测中。但在实际工程应用中,传感器的数量会受到解调系统和光源波长带宽的影响,并且结构的特殊性也会对其数量产生限制。因此,为了准确监测所有目标信息,需要合理部署传感器节点。同时,光纤传感网络通常埋置于结构中,一旦发生故障很难进行更换,从而影响结构健康监测系统的性能。为了解决上述问题,开展光纤传感网络的优化配置方法和自修复研究对于提高结构健康监测系统监测效率、可靠性和经济性具有重要意义。 本文研究内容围绕FBG传感器优化配置方法以及光纤传感网络的自修复研究依次展开,主要工作包括以下几方面: 首先,介绍本文研究背景和意义,同时着重阐述FBG传感器的优化配置以及光纤传感网络自修复的国内外研究现状。 其次,研究光纤传感网络的基本理论,包括光纤传感网络的复用技术以及解调技术。另外对FBG传感器应变模型进行探究,通过对FBG传感器进行有限元分析,构建传感器的感知模型。 再次,通过光纤传感器敏感区域探测实验验证模型的准确性,并针对FBG传感器的优化配置,提出基于最优覆盖率的传感器优化配置模型及配置准则。在这基础上,采用改进的粒子群算法对传感器进行优化配置。仿真实验结果表明:在传感器节点数为25时,与粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)、均匀粒子群优化算法(Uniform Particle Swarm Optimization,UPSO)、改进人工蜂群算法(Improve Artificial Bee Colony,IABC)三种智能优化算法相比,改进后的粒子群算法对目标区域的覆盖提升率分别提高了5.54%、3.81%、4.73%。 接着,提出一种基于光开关和图论的光纤传感网络自修复方法。研究并建立基于椭圆拓扑结构模型的光纤传感网络,详细描述网络的拓扑结构及构建过程。分析在不少于两个链路故障时网络的修复过程,并结合图论的邻接矩阵以及最短路径算法,对含光开关的光纤传感网络链路的连通情况进行表述,得到光纤传感网络出现链路故障时光开关的切换策略,实现对失效FBG传感器信号的自修复。 最后,在FBG传感器优化布置的基础上,利用椭圆形网络拓扑结构建立自修复模型,并结合Lab VIEW软件进行自修复实验,验证光纤传感网络自修复的可行性。

关键词： 分布式光纤声波传感   高密度数据   异构并行   实时解调   水声探测  

摘要： 本文针对分布式光纤声波传感(Distributed optical fiber acoustic sensing,DAS)系统解调实时性应用需求,提出了一种利用中央处理器(Central processing unit,CPU)加图形处理器(Graphic processing unit,GPU)的异构并行计算架构,实现了双通道外差型DAS系统高密度数据的实时解调。该解调方案具有技术实现简单、应用灵活等特点,为大规模、长距离DAS高密度传感数据的实时解调提供了一种新的技术手段。本文的主要工作可概括为以下几个方面: 首先,本文阐述了课题研究背景及意义,介绍了干涉型与散射型分布式光纤传感的基本原理,总结了并行计算的发展历程及基于并行计算原理实现分布式光纤传感系统高速运算的发展概况。重点阐述基于背向瑞利散射的分布式光纤传感原理,包括相敏型光时域反射计(Phase-sensitive optical time domain reflectometer,φ-OTDR)传感原理。在此基础上,引出本文基于的双脉冲外差型DAS模型,并对该模型使用的外差解调算法进行详细介绍。 其次,本文对CPU+GPU异构并行计算架构的基本原理进行分析,对统一计算设备架构(Compute unified device architecture,CUDA)进行描述,重点介绍CUDA的线程管理与GPU内部存储架构。根据DAS传感数据结构特征,利用双脉冲外差解调算法,基于CPU+GPU的异构并行计算架构,实现双通道外差型DAS数据的实时解调。相比传统的CPU串行解调方案,基于异构并行计算架构解调方案的解调速度有着显著提升,且该解调方案仍有较大的算力冗余空间,为后续DAS系统整体实时性能的提升提供算力支持。 最后,对该DAS系统进行性能测试,包括时间复杂度测试和系统综合性能测试,用以验证系统的解调实时性与准确性。利用该DAS实时解调系统,进行外场水声信号探测实验,对水下声信号进行探测和测向,验证该DAS实时解调系统的工程应用价值。