中红外波段差分吸收检测气体池设计与实验

针对中红外波段差分吸收激光雷达探测性能标定的问题,设计并搭建了中红外波段差分吸收检测直通型气体池,以开展大气苯系物差分吸收光谱检测实验。以中红外带间级联激光器为光源,结合带间级联激光器的发射光束参数,设计了直通型气体池的结构参数和光学参数,测试了3187.0 nm和3235.3 nm波段的气体池透光特性和密封性能,并在此基础上,以苯为例开展了差分吸收激光雷达探测标定实验。结果表明,该气体池在测试波段的透光率大于85%,100 h的负气压减少约13 kPa,差分吸收光谱检测标定实验的相关系数为0.995,完全满足中红外波段差分吸收激光雷达的标定要求。

基于FPGA的激光雷达高速数据采集系统设计

为了对激光雷达的回波信号进行采集,设计了一款基于FPGA的高速数据采集、预处理系统.该系统以FPGA内嵌DRAM作为存储器,以同步有限状态机作为控制方式,可在1kHz的外触发信号激励下,以20MHz的采集频率采集数据,并可在不丢失脉冲的情况下,对采集到的4 096个数据点进行5 000次以上的对应点累加平均(滤除背景噪音).设计完成的数据采集系统已应用于一台米散射激光雷达系统中,达到了30km探测距离、7.5m时空分辨率的设计要求.

植入式医学装置电场耦合式电能传输新方法

提出一种人体植入式医学装置电能传输新方法,该方法以人体组织作为耦合介质,通过体内、外耦合极板构建耦合电容,以耦合电场实现电能的无线传输。分析了人体组织的电学特性,设计了电能传输系统,并通过实验验证了该方法的可行性。实验中,通过36 cm2的耦合面积,穿越2 cm厚度的生物组织,可传输100 m W的可用电能,传输效率为35%~40%。该电能传输方式具有无电涡流致热、电磁干扰小、易于与医学仪器集成的优点,是人体植入式医学装置无线电能供给的新思路。

磁共振式无线电能传输相控电容调谐新方法

研究了磁共振式无线电能传输的传输效率,指出获得高传输效率的关键在于提高谐振电路的品质因数;针对高品质因数谐振电路的易失谐性,提出一种基于相控电容的谐振电路调谐方法:通过改变相控电容的相位角,等效形成一个可变电容,用此可变电容对谐振电路进行调谐,从而稳定传输效率和功率。分析相控电容调谐原理,设计相控电容调谐电路,给出相位与等效电容之间的对应关系,并采用仿真和实验的方法对其调谐特性进行了验证。结果表明:相控电容调谐具有一定的可行性,可使磁共振式无线电能传输在耦合改变时,通过谐振补偿来维持电能传输的稳定性,因而对其推广应用具有重要意义。

胶囊内窥镜能量接收稳定性研究

提出了用三维接收线圈组成接收电路,解决由于无线胶囊内窥镜在人体消化道内姿态不确定所带来的接收能量不稳定问题。分析了由三维接收线圈组成的不同接收电路的接收效果,得出了对每一维线圈单独全桥整流后再并联输出的电路结构是最适合于为胶囊内窥镜供能的电路。计算了该接收电路的输出范围,并通过试验对其进行了验证。结果表明:当发射功率为25W时,胶囊内窥镜可在姿态任意变化的情况下获得320mW以上可用能量,满足其高清晰度、高帧率功能对能量的需求。

激光雷达多通道高速数据采集系统设计

设计了一款"FPGA+DSP"架构的高速数据采集系统,可对激光雷达的多路回波信号进行同步并行采集、数据反演及远程传输。FPGA在同一触发信号激励下,可对输入的四个通道回波信号进行高速采集、累加、存储;DSP读入四个通道的累加结果,求平均后进行反演,并以TCP/IP协议实现数据的远程传输。设计完成的数据采集系统在一台米散射激光雷达系统中进行了测试。结果表明:该系统可对脉冲重复频率为1kHz的多路回波信号以20 MHZ的频率进行采样,并可对5000次的回波信号进行对应点累计平均,完全满足激光雷达数据采集的特定要求。本系统具有性价比高、便携、可实现数据的远程共享,在多光谱激光雷达及高光谱分辨率激光雷达的数据采集中具有推广价值。

胶囊内窥镜无线能量传输系统的人体安全性研究

采用电磁感应方式为体内胶囊内窥镜供能时,人体必然暴露于发射线圈产生的强电磁场中。本研究采用数值计算的方法,在包含62种人体组织、分辨率为0.33 mm×0.33 mm×2 mm的三维真实人体仿真模型上求解人体不同组织在该电磁场中的感应电流密度和比吸收率,并根据国际非电离辐射防护委员会安全性标准对其进行安全性评估。结果表明,发射功率为25 W,谐振频率为266.5 kHz的能量传输系统产生的电磁场对人体是安全的。本研究为无线能量传输系统奠定了生物安全性基础。

胶囊内窥镜无线供能模块的研制

为了解决无线胶囊内窥镜电池供电不足的问题,研制了一种供能模块,在体外通过电磁感应方式为体内的胶囊内窥镜进行无线供能.针对胶囊内窥镜在人体内姿态的不确定以及微型化的特点和要求,设计、制作了合适的能量发射和接收装置,并通过实验对能量传输效果进行了验证.结果表明：当发射功率为18 W、在胶囊内窥镜姿态任意变化的情况下,无线供能模块能提供至少150mW的能量,且接收装置的空间尺寸仅φ10 mm×11 mm.在此基础上,研制出的胶囊内窥镜样机在离体实验中得到了清晰的猪小肠图像.

无线电能传输开关电容调谐方法

针对无线电能传输谐振电路的失谐问题,提出了一种"固定电容+开关管"的调谐新方法。通过开关管调节电容的导通与关断时间,等效形成一个可变电容,据此对失谐电路进行调谐,保持谐振电路在原有谐振频率下谐振。给出了开关电容调谐原理,推导了控制角与调谐范围之间的关系,并通过仿真及实验验证了该方法的有效性。结果表明,开关电容调谐方法具有调节范围宽、控制方便、易于实施的特点,是无线电能传输调谐技术的一种新方法,可用于人体植入式微电子装置的无线供能中。

中等工作频率下MRPT传输效率研究

针对磁共振式无线电能传输因工作频率过高难以付诸于实际应用的问题,从降低工作频率出发,研究了该电能传输在中等频率下电能传输效率。根据电路理论推导了电能传输特性,并根据中等频率条件下的线圈参数取值,研究了耦合系数、品质因数及负载对传输效率的影响及优化条件。研究表明:在传输距离相对固定的条件下,应设法提高线圈品质因数以获得较高传输效率,而在传输间距变化幅度较大时,应选择合适的线圈品质因数,以避免传输效率波动导致的电能传输不稳定;对于已有的电能传输系统,应根据耦合系数选择合适的阻抗,以获得传输效率的最优化。搭建了基于印制电路板的四线圈结构电能传输装置,在462 k Hz工作频率下进行了实验研究,得到了一致的结论。所做研究对磁共振式无线电能传输的实际应用具有一定的参考价值。

半导体激光器双闭环温度控制系统

为了提高半导体激光器输出波长的稳定性,研制了一套双闭环温度控制系统。其中,外环温控以集成化模块MTD1020T为核心,通过优化数字式PID参数,最大可驱动20 W的热电制冷器(TEC),可实现±0.5℃的温控精度;内环温控以控制芯片LTC1923为核心,通过增加差分放大环节及设置PI环节,可实现±0.01℃的温控精度。实验结果表明,双闭环温控系统可将外环快速、大功率温控与内环高精度温控相结合,能够在20 s内实现±10℃的温度调节,4 h内其温控准确度控制在±0.02℃内。该温控系统具有可控范围宽、响应迅速、集成度高等优点,可应用于飞行器气体浓度探测等便携式气体探测领域。

谐振式电能传输两种线圈结构传输特性比较研究

针对谐振式无线电能传输,从电路理论对比分析了两线圈结构与四线圈结构的传输特性,得到了四线圈结构提高了发射电路及接收电路的品质因数,因而在较远传输距离时其传输效率具有明显优势这一关键性结论。基于实用化角度搭建了基于印制电路线圈的实验系统,对两种线圈结构的电能传输效率进行了实际验证,结果证明了结论的有效性。该研究揭示了两种线圈结构的电能传输特点,为谐振式无线电能传输系统的设计和应用提供参考和借鉴。

胶囊内窥镜能量发射装置的设计及实现

体外能量发射装置是胶囊内窥镜无线供能系统中很重要的一部分。为了使胶囊内窥镜获得较稳定能量,同时研究传输效率和人体安全性与谐振频率的关系,设计了一种可在人体消化道区域内产生均匀交变电磁场、谐振频率在10～400kHz范围内调节的体外能量发射装置。根据无线供能系统的要求设计了该装置的发射线圈、驱动电路,并实际搭建了整个装置。实际使用验证了该能量发射装置设计的可行性,并取得了较好的效果。

人体对低频强电磁场吸收剂量的仿真研究

采用有限积分技术,在人体电磁仿真模型上求解了人体组织在低频强电磁场中的电磁吸收剂量。结果表明:人体组织的感应电流密度和比吸收率主要取决于电场强度;在不同的人体组织中,肌肉中的电磁吸收剂量最大,应作为人体安全性衡量指标的主要监测对象。

甲醛气体探测的DIAL波长选择及探测性能

为了对重化工污染区甲醛气体进行探测,开展了差分吸收激光雷达甲醛气体浓度探测研究。基于差分吸收激光雷达原理,针对甲醛气体在中红外波段有较强的吸收波段,并考虑开放光程下大气干扰气体的影响,选择了系统的探测波长λon、λoff;依据差分吸收激光雷达浓度反演方法,结合系统参数,对设计的DIAL系统的探测距离、气体浓度及干扰气体的可能影响进行了仿真研究。结果表明,该系统有望对浓度为0.017~1.5 ppm (1 ppm=10^(-6)),距离为0.4~1.1 km范围内的甲醛气体进行探测,相对误差小于5%,可满足对重化工污染区甲醛气体浓度探测需求。文中的研究可为应用于化工重污染区域甲醛气体无组织排放监测的中红外差分吸收激光雷达系统的研制提供理论依据和技术基础。

主动式胶囊内窥镜系统设计

设计了一种新型的、基于无线供能的主动式胶囊内窥镜系统,包括胶囊内镜、主动运动、无线供能3个子系统。胶囊内镜子系统可实时获取、传输肠道内部的图像信息;主动运动子系统将微型电机的旋转运动转化为胶囊内窥镜的径向和轴向伸缩,并按照一定的时序配合实现仿尺蠖运动;无线供能子系统接收体外发射线圈产生的电磁场能,将其转换成电能,为整个系统提供能源。后续实验表明:主动式胶囊内窥镜可以运动、定位到肠道病灶点,进行主动式图像诊察,可克服已有胶囊内窥镜不能主动运动,仅靠胃肠蠕动来推动而造成的漏检、误检等缺陷。

一种电磁式动平衡头励磁线圈驱动电路

分析了电磁式动平衡头励磁线圈的工作特点,提出了一种"BUCK调压+H桥调相"复合式励磁线圈驱动电路。BUCK调压电路产生幅值可变电压,H桥调相电路在励磁线圈中产生间断的、方向交错的电流。调压和调相结合,满足励磁线圈初始电磁力大、电磁力方向交错变化的特殊要求。仿真及实验验证了驱动电路的有效性,该电路在实际的电磁式动平衡系统中得到了很好的应用,具有工作稳定、通用性强的特点。

胶囊内镜体外图像接收、存储系统

目的为了接收人体胃肠道内无线胶囊内镜发出的图像信息,研制了一种基于CF卡的体外图像接收、存储系统。方法该系统采用"CPLD+FIFO+MCU"的结构,用CPLD对接收到的模拟图像信号进行同步,控制A/D对其进行采集并缓存进FIFO。在胶囊休眠期,由MCU将FIFO中的数据以FAT32文件系统的格式记录到CF卡中,为后续的图像文件管理、解读提供了便利。结果在体外实验中,本系统成功实现了图像信息的接收及存储任务,获得了清晰的图像。结论本系统结构紧凑、便于携带,在突发式信息的采集及存储方面具有一定的应用价值。

一种电磁式自动平衡头设计计算与响应试验

为了提高转子动平衡的精度和效率,针对高速电主轴-砂轮系统,提出了其在线自动动平衡方案。设计并开发了一款自锁型电磁环式在线自动平衡头。计算了该平衡头的配重量、电磁自锁力矩以及可以承受的最大轴角加速度。搭建了平衡头校正能力考核试验台,完成了模拟组合转子在1 878r/min的平衡机上预平衡和平衡头在1 300r/min的振动响应测试。结果表明:平衡头最大配重量为33.77g·cm,自锁合力矩为2.354 6N·m,可承受的最大轴角加速度为5 010rad/s2,在配重范围内振动响应规律基本正确且对轴的正反转具有较好的重复性。

结构参数对磁力平衡头自锁和启动力矩的影响研究

为了简化平衡头的自锁结构,提出一种磁路自锁型电磁-永磁混合式平衡头。当线圈不通电时,依靠相邻两个永磁体与磁性内齿盘之间的磁阻最小,平衡头锁定在稳定位置。当线圈通电后,在电磁场和永磁体作用下,平衡头启动并向下一稳定位置运动。讨论了影响平衡头自锁力矩和启动力矩的结构参数,并对各个参数的取值范围进行了初步设计。通过有限元电磁分析,得到了其与自锁力矩、启动力矩之间的量化关系。基于此,设计并开发了一套电磁平衡头样机,完成了其自锁可靠性计算和启动能力试验。对比计算和试验结果,平衡头结构设计和参数选取正确。研究工作为该平衡头的工程应用提供了重要的参考价值。