基于罗丹明B荧光的pH传感技术研究

针对传统pH检测技术检测精度低、抗干扰能力差、检测目标受限等问题,设计了一种荧光式pH传感系统,利用罗丹明B作为荧光探针,实现了对pH值的传感,并进行了重复性实验。结果表明,荧光特征参量荧光强度、荧光积分强度比和荧光谱带重心随pH单调变化,进而计算得出了荧光光强等参量随pH变化的传感方程。传感系统具有更高灵敏度、低成本、易操作的优点,具有良好的可推广性。

基于改进压缩感知技术的Φ-OTDR系统研究

研究了一种基于改进压缩感知技术的相敏光学时域反射计(phase-sensitive optical time domain reflectometer,Φ-OTDR)系统。对于压缩感知技术,信号稀疏度K直接影响信号恢复的质量。为了提高信号恢复的质量,应该获得更接近原始信号的真实稀疏性度K。因此,提出了一种基于硬阈值的信号稀疏度K的计算方法,同时,采用结合收缩阈值的重构方法,尽可能保留信号的有效成分。实验结果表明,振动频率为1 kHz的正弦振动信号在5.6 km的距离处被成功地重建。与常用的硬阈值压缩传感技术、移动平均去噪技术和Sym8小波去噪技术相比,所提出的压缩感知技术的信噪比分别提高了3.55、13.2和8.02 dB。

基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统

为低成本高速测量太阳能电池伏安特性,设计一套基于数据采集卡(DAQ)及金属-氧化物半导体场效应晶体管电子负载(MOS)的测量系统。该系统硬件主要包括DAQ、MOS以及采样电阻等,软件主要包括数据采集模块、数据分析处理模块、数据存储模块等。对测量系统研究有三点结论。第1点是系统测量结果与Keithley 2400源表对比,它们之间全局相对误差约为9.5%;与电阻箱负载测量结果对比,它们之间最大功率点相差约17%;说明系统测量精度较高。第2点是发现MOS管电子负载无法实现零阻值负载,但可在电池最大功率点附近做到几乎连续电阻变化;管子型号影响测量结果,且开态电阻大的MOS管测量误差大。采样电阻应选择小的但不能无穷小,因为当使用小的采样电阻时导线电阻将对测量结果严重影响。第3点是采用Matlab/Simulink建模和拟合实验数据时,可获得电池短路电流、反向饱和电流及二极管理想因子,弥补系统固有缺点。

荧光式传感技术研究进展

荧光式传感技术是一种跨多个学科的新型传感技术,目前非光物理量的荧光式传感器研究多处于起步阶段。结合实验室在荧光式传感方法及应用方面开展的研究,从温度、力、位移、湿度等参量角度,解释了荧光式传感原理;讨论了荧光寿命、荧光强度猝灭、荧光强度比、荧光谱移动、荧光混色法等多种荧光式传感方法及其典型传感特性,指出荧光寿命式、荧光强度猝灭式技术二者的基础物理效应相同;介绍了荧光光谱数据的处理方式方法,其中重点介绍了表征谱带轮廓整体频移的新型参量"谱带重心"的定义,以及该参量如何在不改变光谱仪器硬件条件的前提下提高传感精度;最后对荧光式传感技术的发展方向和应用前景提出了思考。

真空灭弧室真空度在线检测系统

为了能够准确地判断真空灭弧室的在线工作状态,本文基于屏蔽罩电位法原理研制了一种高精度耦合电容传感探头来采集灭弧室屏蔽罩上的交流电位信号;搭建了一套真空标定系统,获得了传感探头输出电压与真空度压强之间对应关系的拟合公式;基于所获得的拟合公式,设计了一套基于DSP F2812和STM32为微处理器的真空度在线检测系统。系统采用无线通信模块nRF24L01传输数据,解决了高电压复杂磁场下的数据传输等问题。试验结果表明,在6 k V高压环境下,该系统能够完成在10-2Pa真空度压强范围内的测量,其精度能够满足大部分的工程实际应用。

光伏电池及阵列的老化故障研究

为研究光伏电池及阵列老化故障原因,建立故障辨识模型。单晶硅(砷化镓)电池老化前后理论拟合与实验数据全局均方根误差均小于0.11 mA (0.59 mA),表明了模型的可靠性。以此为依据,研究了二极管理想因子n、串联电阻R_(s)和并联电阻R_(sh)对单晶硅(砷化镓)电池最大输出功率P_(max)影响,发现两种电池P_(max)随n和R_(s)增加而下降,随着R_(sh)增加而增加;n对两电池影响很小且基本一致;R_(s)和R_(sh)对硅电池影响大,原因在于砷化镓电池抗老化能力强。研究了4×4 BL、HC、TCT、NS硅阵列P_(max)与其中单电池n、R_(s)、R_(sh)的关系,发现P_(max)与n、R_(s)、R_(sh)的变化趋势与上述一致;R_(s)影响下阵列P_(max)的降序为BL>HC>TCT=NS。研究结果对于光伏电池及阵列的老化故障判断提供了理论指导。

复杂电网下无功及谐波电流检测算法研究

当电网电压不对称、有谐波畸变、频率突变等情况下,传统的基于瞬时无功功率理论的电流检测法检测结果存在较大误差。根据Ip-Iq电流检测理论,提出一种基于复系数滤波正负序解耦网络的电流检测法,对其进行理论分析和数学建模,设计电流检测网络结构。该方法由于锁相环采用了复系数滤波正负序解耦网络,可在复杂电网情况下准确跟踪基波正序分量相序;由于电流滤波也采用了复系数滤波正负序解耦网络,滤波后的电流可以更精确的实现正负序分离。通过在电网电压不对称、有谐波畸变及频率突变三种情况下对所设计的电流检测网络进行仿真验证,结果表明了本方法的可行性和有效性。

光伏电池工程模型及几种最大功率点跟踪算法的研究

利用Matlab/Simulink模块建立了光伏电池模型,通过此模型计算了相同光照不同温度和相同温度不同光照下的光伏电池输出I-V以及P-V特性,仿真结果表明了该模型的正确性。其次,以此为基础构建了光伏电池发电系统模型,通过此仿真模型比较了扰动观察法,电导增量法以及它们的改进算法。分析表明,扰动观察法的优点是跟踪算法简单,跟踪速度较快,采样精度要求低,但该方法并不能使系统真正工作在最大功率点,它会在最大功率点附近震荡;电导增量法的优点是根据光伏电池本身的电导和微分电导特性来判定最大功率点,系统可以快速跟踪最大功率点并且平稳输出最大功率,但该方法对采样的精度要求较高,对硬件和计算要求也较高;因此在实际应用中对于光伏系统最大功率点算法的选取需要综合考虑。

基于声发射技术的Q345B疲劳裂纹扩展研究

在实验室环境下利用声发射(AE)技术对铁塔常用钢材Q345B的疲劳裂纹扩展过程进行监测。研究表明:声发射累计计数的3个阶段与断裂力学描述的3个阶段有很好的对应关系,可以很好地表征整个疲劳过程,并通过试验数据分析,证明声发射信号具有疲劳预警的属性。首次提出用一段时间内的平均振铃计数ΔC/ΔN来表征疲劳损伤进程,可以有效地克服振铃计数率数据分散性大,对材料失效不易判断的缺点,更便于预警疲劳断裂,为实现声发射监测预警模式识别提供依据;同时在累积计数值表征疲劳损伤的第二阶段内,一段时间内的平均振铃计数ΔC/ΔN与强度因子幅值ΔK的对数值存在明显地线性关系,可以为Q345B疲劳裂纹扩展的监测和预警提供依据。

太阳能无人机中光伏发电最大功率点跟踪算法的研究

本文提出了变步长混沌萤火虫算法(VS-CLSFA)和免疫粒子群算法(IM-PSO),并对比了粒子群算法(PSO)、萤火虫算法(FA)及改进萤火虫算法(MFA)用于太阳能无人机光伏组件在局部阴影下最大功率点的跟踪结果。同时,研究上述算法在太阳能无人机飞行高度、速度等因素影响下的跟踪效果。研究结果表明:VS-CLSFA和IM-PSO都克服了FA、MFA和PSO陷于局部最优或者过早收敛的缺点,并且快速、稳定地追踪到太阳能无人机光伏组件产生功率的最大功率点;对于输出特性愈复杂的光伏组件,上述5种算法都需要增加迭代次数并牺牲跟踪时间来提高跟踪精度和稳定性;与VS-CLSFA相比,IM-PSO的跟踪精度提高约0.229%,跟踪时间减少约0.108 s。

遮荫下光伏发电数学模型的对比研究

对比研究了光伏系统的两种局部遮荫发电模型,即幂律模型与四参数模型。结果首先发现,上述两种模型都和实验数据总体符合较好,但都有明显误差,原因在于,两种模型都是在简化下获得;其次,可以看出在低偏置电压下,两种模型都与实验数据符合较好,而在高偏置电压下,出现明显的误差,原因在于低偏置电压的时候,电池内部二极管未达到导通,流过二极管上的电流极小,可以忽略,电池可以看成是一个恒流源加上负载。随着偏压的增大,电池非线性效应显著增强,从而导致发电模型不适用'再次,注意到非均勻光照下,电池的工作状态受旁路二极管的影响不能由简单分析得到。旁路二极管是否处于阻断状态是一个渐变的过程,而不是简单的突变过程;最后,从理论与实验数据之间的均方根误差分析,可知四参数模型优于幂律模型,原因可能在于四参数模型考虑了光电流、反向饱和电流、理想因子、串联电阻的影响。

光子晶体齿状波导的滤波特性研究

为了设计基于光子晶体波导的高性能滤波器件,在2维正方格子光子晶体波导结构中引入一系列齿状缺陷,采用有限元法对齿状光子晶体波导的传输特性进行了数值仿真和理论分析。结果表明,对于单个齿状缺陷,缺陷产生的共振频率使得在光子晶体波导通频域带出现带隙结构,可以实现良好的窄带滤波,并且通过改变齿状缺陷深度可以有效地控制缺陷的共振频率;引入多个齿状缺陷,缺陷之间会经过耦合作用形成一系列缺陷态,使得在光子晶体波导导通频域中出现宽带的带隙结构,可以实现宽带滤波。该光子晶体波导滤波器对窄/宽带滤波可根据波导结构中引入的齿状缺陷进行简单灵活调节。此研究在设计基于光子晶体波导的光子滤波器件方面具有潜在的应用价值。

太阳电池单二极管模型中的参数提取方法

近年来,太阳电池参数提取方法获得了广泛关注.原因在于匹配的电池参数,可以有效减少内外因素对光伏阵列发电效率的影响.本文以太阳电池单二极管模型为讨论对象,对其五个参数的提取方法进行了详细介绍;对目前典型的四类太阳电池参数提取方法 (即解析提取参数方法,借助朗伯W函数函数提取参数方法,构建或利用特殊函数提取参数方法,利用智能算法提取参数方法)进行归纳与总结.阐述了这些方法的主要理论与实现途径,更重要的是对它们的优缺点进行了探讨.最后,对参数提取未来的研究动态进行了展望,以期对参数提取方法提供一些思路,为国内同行开展相关研究提供一些帮助.

水中受激拉曼散射的能量增强及受激布里渊散射的光学抑制

为提高液体介质中受激拉曼散射的输出能量,提出了通过温度调控来抑制受激布里渊散射的方法,设计了532 nm多纵模宽带脉冲激光泵浦的受激拉曼散射发生系统,测量了不同温度下水中前向受激拉曼散射及后向受激布里渊散射的输出能量,分析了水温、泵浦激光线宽及热散焦效应对受激拉曼散射输出能量影响的物理机制.实验结果表明:通过降低水温可实现对受激布里渊散射过程的有效抑制,同时减小热散焦效应带来的光束畸变,从而有效提高受激拉曼散射的输出能量.研究结果对液体介质中的受激拉曼散射多波长转换具有重要意义.

发光染料罗丹明B的荧光传感特性

本文对有机染料罗丹明B(RhB)的荧光光谱受温度、应力以及pH值等物理或化学量的影响进行了研究。实验采用波长为405nm的激光激发RhB/H610胶黏剂复合材料或RhB水溶液,得到其荧光发射谱,用谱峰频移及新型表征方法"谱带重心频移法"分析了环境参数对谱带位置的影响,并通过线性拟合得到了RhB荧光谱带重心λ_B传感温度、压应力以及pH值的传感方程。结果表明,谱带重心频移法有效抑制了光强涨落的白噪声,能够显著提高传感的精度和稳定性。在测量范围中间值附近,重心法对温度、压应力以及pH值传感的相对灵敏度分别为0.026%/℃,0.09%/MPa和0.34%。由于RhB具有很高的发光效率和优异的生物相容性,因此基于RhB荧光的传感方法在生物体系的检测表征方面具有较高的应用价值。

单芯光子晶体光纤边孔SPR折射率传感特性研究

为了实现高灵敏的表面等离子体共振(SPR)折射率传感,提出一种基于大纤芯的单芯光子晶体光纤SPR传感结构,采用全矢量有限元方法对其传感特性进行了数值仿真和分析。结果表明,该结构具有比较宽的折射率传感范围(1.36~1.55),同时具有较高的传感灵敏度,平均传感灵敏度达12139nm/RIU;在折射率1.36~1.42区域,线性传感灵敏度为5646.4nm/RIU,线性度为0.9317;而在折射率1.42~1.57区域,传感灵敏度达到15326.8nm/RIU,线性度为0.98738,传感特性出现明显的线性分段情况。该研究结果为实现高灵敏的光子晶体光纤SPR传感器提供了重要的理论依据。

真空断路器真空度与电场电位关系研究

基于屏蔽罩电位测量真空度的方法,是真空断路器真空度在线检测方法中的一个主要研究方向。但是,目前还没有一个基于本方法的实用高真空度测量系统。为了进一步探究断路器屏蔽罩电位与真空度间的关系,本文借助于由克-莫方程建立的相对介电常数-压强间的关系,通过有限元分析工具对不同压强下的真空断路器进行二维电场分析。结果表明,屏蔽罩电位与真空度具有一定的对应关系,并可以通过真空断路器外电场电位的测量来反应;真空断路器外电场电位在压强小于10-2Pa时的变化十分微弱,而在大于10-2Pa时电位有较明显的变化。并通过实验室模拟测量实验,进一步验证了该结果的正确性。本文的分析结果给出了真空断路器外电场电位随真空度变化的规律,对基于屏蔽罩电位法在线测量真空断路器真空度具有一定的指导意义。

罗丹明6G/PMMA复合材料荧光的温度传感特性

罗丹明6G/PMMA(R6G/PMMA)荧光复合材料在室温附近表现出良好的温度传感特性。通过在20℃~60℃温度范围内测试不同配比的R6G/PMMA复合材料的荧光发射光谱,对荧光光强I_t、谱峰位置λ_p以及新型荧光特征参数"谱带重心"λ_B等材料荧光特性的分析表明:(1)对于不同组分配比的材料,荧光强度均随温度升高而猝灭,光强的温度敏感规律呈线性;(2)以质量比R6G∶PMMA=1∶5的复合材料为代表,实验系统作温度传感应用,以谱带重心波长为传感信号的温度传感方程为λB=581.9+0.065T,拟合优度(R^2)为0.98,系统的分辨力为1℃,以30℃测试数据作参考的相对灵敏度为3.3%/℃,精度远远优于谱峰位置作温度传感信号;(3)荧光复合材料的R6G:PMMA质量比变化基本不影响谱带重心为温度传感信号的灵敏度。本文分析了实验观察到的温敏荧光现象的成因,对基于R6G/PMMA荧光复合材料的新型温度传感器在电磁干扰环境、生物体温监测、大气环境温度监测等方面的应用作出了明确预期。

宽带荧光应力传感的特性研究及应用

文中针对应力传感应用,以YAG:Ce^(3+)荧光粉-硅胶复合材料为敏感材料,研究了其宽带荧光光谱的应力传感特性。在研究的应力范围内,通常用于应力传感监测信号的谱带峰位移动极小,无法被明确地检测到;但发射光谱谱带的重心波长随着压应力的增大而单调地蓝移。实验中测量的压应力范围0~2.94 MPa,谱带重心波长传感应力的分辨率优于0.14 MPa,灵敏度为0.15 nm/MPa。此灵敏度约是已知的相应荧光粉在静水压环境中压谱系数的40倍。该新型的应力传感方法可用于工件表层应力及残余应力的非接触测量,在机械工程领域有良好的应用前景。

基于六角格子光子晶体波导的高效全光二极管设计

提出了一种基于六角格子光子晶体波导微腔和Fabry-Perot(FP)腔非对称耦合的全光二极管结构,它由一个包含非线性Kerr介质的高Q值微腔与一个光子晶体波导中的FP腔组成.通过有限时域差分方法对其传输特性进行了仿真,发现通过两腔的非对称耦合可以实现在特定光强度下的正向传输、反向截止的功能.在靠近微腔方向光入射时,特定强度的光可以激发非线性微腔的Kerr效应,改变了Fano腔的共振频率,从而变成透射状态.而远离微腔方向光入射,由于这个不对称的结构造成场局域的分布不对称,激发微腔Kerr效应的光强还不够,所以光不能透射.所设计的全光二极管结构具有良好的性能参数:最大透射率高和高透射比、光强阈值低和易于集成等.