基于光声谱法的无创血糖在体检测

为了实现血糖无创在体检测,解决测量灵敏度低、激励源波动影响大、病患体温干扰严重等难题,本文提出一种基于温度补偿的差动光声测量方法,该方法可以大幅度抑制温度的影响。采用两个相同的光声池分别容纳被测血液和纯水,分别获取测量光声信号和参考光声信号。首先,改变两个光声池的液体温度,测定两路光声信号的温度系数;然后,分别对两路光声信号进行温度补偿和修正,消除温度的影响;最后将两路光声信号进行比值处理,抑制光源强度波动的影响。在此基础上,本文还使用组织工程皮肤安体肤来模拟人体皮肤环境,探究皮肤对激光和光声信号的透过性。测试结果表明,低浓度下葡萄糖光声信号强度和浓度的线性拟合直线的拟合度可以达到0.970 6,证实了这种方法在实际应用中的可行性;模拟皮肤的不同位置对激光的穿透率不同,平均透光率为53.88%,皮肤对光声信号的平均透过率为94.50%。本文的研究结果可为血糖在体无创检测的实现提供有益借鉴。     

光强非线性响应下的光致热弹光谱光强修正

提出了基于光强非线性响应的光致热弹光谱光强修正方法,实现了激光光强的准确修正。控制DFB激光器工作于波长调制模式,设置激光调制频率为16 369.75 Hz,通过光纤放大器增强其出射光强非线性项的幅值,光束经多次反射池后汇聚于石英音叉根部激发光热信号,采用数字锁相放大器解调得到对应的谐波信号,通过多项式拟合谐波信号背景,反演得到与浓度及光强分别对应的谐波信号。实验结果表明,当光强从22.03 mW变化至3.16 mW,谐波信号背景幅值与光强具有良好的线性关系,线性相关系数大于0.998,归一化后的谐波信号幅值波动小于0.37%。针对甲烷测量,系统在较大的浓度范围内具有良好的线性响应,谐波信号信噪比表明系统的最低检测限达0.22×10-6。该研究为光致热弹光谱的光强修正提供了一种新的方法,可有效提高LITES系统在长期测量应用中的稳定性。     

基于太赫兹衰减全反射光谱法的无创血糖检测研究

结合太赫兹时域光谱系统,利用棱镜衰减全反射技术,设计了一种太赫兹衰减全反射光谱法的无创血糖检测系统。借助德拜模型分析了皮肤中含水量变化会影响皮肤在太赫兹波段的弛豫作用,得到皮肤复折射率与皮肤含水量的关系,利用菲涅耳公式给出了计算皮肤复折射率实部和虚部的方法。将太赫兹光谱法测得的人体大拇指皮肤复折射率的实部与虚部,与口服葡萄糖耐量试验实际测得的人体血糖浓度进行对比,得到了人体手指皮肤的太赫兹反射谱以及复折射率与人体血糖浓度成正相关的关系,为太赫兹应用于无创血糖浓度检测提供了参考。     

基于锁相技术和磁光调制的旋光角度检测

根据法拉第磁光效应和锁相基本原理,研究了经磁光调制后的偏振光通过旋光物质后的偏转情况,分析了透射光信号中的与调制频率相同的基频信号和二倍于调制频率的倍频信号。通过对基频幅值和倍频幅值进行比较,提出了一种测量旋光角度的计算方法,根据旋光角和磁偏角两者之间的关系,提出了一种用标准石英管来标定法拉第磁光效应中磁偏角大小的方法,并对其进行了实验研究,证明了这种测量方法的可行性。     

一种透皮无创血糖检测系统的设计与实验验证

介绍了一种基于反离子电渗方法的非侵入式血糖监测系统。该系统通过集成恒电流源和双恒电势仪电路,配合高灵敏度介体酶传感器,实现了反离子电渗抽取和抽取至体表葡萄糖的检测。并且通过良好的降噪和提升采样精度的设计,有效提高了测量的准确性。根据所检测的葡萄糖浓度与组织液葡萄糖浓度以及血糖浓度间相对稳定的对应关系,本系统可以自动计算出血糖浓度。经过动物实验验证:该无创血糖监测系统经过一次有创校准后能够实现血糖监测。对比常规的有创测量方法,在动物血糖自然变化状态下,该系统的监测结果能够很好地反映出血糖的平均浓度值;在人为干预动物血糖浓度的情况下,该系统的监测结果能够较好地反映出血糖的变化趋势。     

不同颗粒浓度油液压力振动信号特征的HHT提取

颗粒浓度对油液的湍流脉动特性有一定的影响,利用Hilbert-Huang变换方法对含不同颗粒浓度的油液脉动流的压力信号进行分析,探讨颗粒浓度对压力信号的振动特征的影响规律。利用经验模态函数(EMD)、Hilbert变换和包络解调等方法,获取压力信号的Hilbert谱和信号能量特征,分析了不同颗粒浓度的油液压力信号的能量分布和调幅调频特征以及调制信号的瞬时频率。结果表明以IMF能量作为特征向量将各阶IMF分量划分为3个信号特征频带,随着颗粒浓度的增加,高频率区的累积分布基本稳定在0.7范围内,而中频率区出现下降、低频率区呈现上升的状态;高频率区的边际谱平均幅值随着油液中颗粒浓度的增加呈现先增加后降低的发展趋势,中低频率成分的幅值呈增加的趋势;对压力信号在不同频带内的瞬时能量谱进行积分,得到压力信号的总能量随着颗粒浓度的增加出现下降趋势,中频率区的能量特征值呈逐渐衰减的变化趋势;含不同颗粒浓度的油液压力信号具有调制特征,Hilbert包络解调信号的瞬时频率均值呈先增加后下降的发展趋势。     

小流量涡街信号的随机共振特性与频率检测方法

分析了小流量涡街信号特性,探讨了信号与随机共振系统的阈值和克莱默斯逃逸率之间的关系,提出一种基于幅值和频率双重调制的随机共振方法,用于检测小流量涡街信号的频率。该方法以外加控制信号的幅值和频率作为调控变量,采用多参数控制方式使小流量涡街信号产生随机共振。经数值仿真及实验研究,表明该方法能将小流量涡街信号通过随机共振得到增强,有效获取涡街频率,实现小流量测量,为随机共振的控制和微弱信号的检测提供一种新方法。     

孔光整加工表面粗糙度在线测量实验研究

针对液体磁性磨具光整加工孔时,无法对孔内壁表面质量进行在线检测的现状,提出利用声发射技术检测加工过程中摩擦声发射信号并进而在线预测孔壁粗糙度的方法。通过实验和分析验证了声发射(Acoustic Emission,简称AE)信号与试件表面粗糙度值有良好的对应关系,获取了与孔壁粗糙度值相对应的AE信号特征值,研究了某零件光整加工时AE信号的均方根值与表面粗糙度值变化情况的对应规律,为利用声发射技术进行孔表面光整加工的在线检测和相关设备的自动化控制提供了有益的参考。     

氦光泵磁力仪信号的分析及检测

研究了氦光泵磁力仪中共振曲线、基频调制信号和二倍频信号的特征及关系,将二倍频信号应用到光泵磁力仪检测系统中,利用其幅值在共振区外为零、在共振点处达到峰值这一特性,解决了当外磁场变化超出共振区范围时,光泵磁力仪仅利用基频调制信号难以重新快速定位共振点的问题.系统实测信号幅值变化曲线与数学模型曲线相符合,实测共振曲线线宽约200 nT,在共振点处二倍频信号经放大其峰峰值可达12.6 V,满足实用要求,为光泵磁力仪性能的提升提供了有效方法.     

数控加工状态声谱特征的研究

机械加工过程中会产生大量的声信号，鉴于声谱分析技术在工程中的成功应用，研究了凸轮曲面轮廓在数控加工中心上加工过程中的切削声信号，对其进行了时频分析。研究结果表明，数控机床的进给速度、切削用量、曲面形状和铣削方式等变化与其声信号存在对应关系，这些变化对声信号的幅值、频率分量产生了不同的影响。以幅值、频率分量作为监测量，可以很好地监测机械加工的状态，这为采用切削声音的方法在线监测加工状态、优化加工参数提供了另一种途径。     

基于 S-G 滤波与包络提取算法的半导体激光器自混合干涉微位移测量

针对在半导体激光器自混合干涉( SMI )微位移测量中,测量噪声对 SMI 信号条纹计数极易引入误差,提出一种基于 Savitzky Golay ( S-G )滤波与包络提取的 SMI 信号处理算法,对自混合信号处理并识别条纹后,干涉条纹能够得到准确地计数。该算法采用 S-G 卷积均值滤波处理、三次样条函数插值包络分析和信号归一化处理,可以有效消除噪声高频信号和提取信号包络。采用电压调制模式下驱动压电陶瓷( PZT )产生微振动作为模拟振动源,实验中设置 3 组不同电压调制幅值下的振动源,采集并分析 SMI 信号及相应振幅信息。在 3 组实验当中,经过算法处理过的 SMI 信号,其干涉条纹数与电压调制 PZT 振动幅值由处理前偏离线性关系到处理后保持线性关系。实验结果表明,经 S-G 滤波与包络提取算法处理过的 SMI 信号能真实反映微米量级的微位移。     

Novel Gas Concentration Measurements based on Harmonic Detection and a Broadband Light Source

The determination of gas concentration based on harmonic detection was studied theoretically and experimentally. The principle of second harmonic detection technology based on a broadband light source and the impact of modulation parameters on the harmonic signals were analyzed theoretically. The principles of multiple modulation were analyzed in order to improve the detection resolution. A fiber Bragg grating bonded to a carbon fiber cantilever was designed to achieve wavelength modulation. The impact of the modulation frequency and voltage amplitude on the second harmonic signals were studied experimentally. The output of the detector and the impact of the random noise were analyzed at different modulation frequencies and amplitudes. The optimum frequency and amplitude were determined to be 40 Hz and 2 V. The measurement of acetylene was carried out using this system. The results show that the gas measurement limit was 500 ppm, the stability was 3.92%, and the system sensitivity was 1 µV/ppm.     

基于改进经验小波变换的行星齿轮箱故障诊断

行星齿轮箱振动信号具有复杂多分量和调幅-调频的特点。幅值解调和频率解调方法能够避免传统Fourier频谱中的复杂边带分析,有效识别故障特征频率。经验小波变换通过对信号Fourier频谱的分割构造一组正交滤波器组,能提取具有紧支撑Fourier频谱的单分量成分,再对单分量成分运用Hilbert变换即可实现信号的解调分析。经验小波变换能够有效分离出调幅-调频成分,不存在模态混叠现象,具有完备的理论基础,自适应性好、算法简单、计算速度快。将改进的经验小波变换应用于行星齿轮箱振动信号的解调分析;提出了一种单分量个数的估算方法,解决了经验小波变换中的Fourier频谱划分问题;给出了对故障敏感的信号分量的选取方法,提高了分析的针对性。将改进方法应用于行星齿轮箱振动仿真信号和实验信号分析,验证了该方法的有效性。     

基于返波管的葡萄糖太赫兹光谱研究

搭建了一套以返波振荡器(BWO)为辐射源的太赫兹透射式系统。通过高莱探测器、数字锁相放大器等完成测试信号的探测和存储,在LabVIEW编程环境下,完成配合系统硬件工作的软件平台的编写,利用VISA模块实现对下位机的参数设置以及数据采集工作。利用这套系统进行了单频和扫频实验,分别测试了不同葡萄糖溶液浓度的透过率。结果表明,葡萄糖溶液对太赫兹波有透过特征峰,不同浓度葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收不一样。该研究为以后基于BWO的太赫兹生物传感器研究提供了参考。     

基于HHT分析的新型低频调制域信号频偏测量方法

本文提出将HHT（Hilbert-Huang translation）方法和高速率的采集卡组成的系统,用于测量低频调制域信号频偏。首先研究了利用先进信号处理方法HHT分析调制域信号频偏参数的实现方法,然后通过MATLAB仿真实验及针对HP33120A函数发生器的实测实验,验证了所提方法的有效性。采用上述方法,结合高速计算机数据采集系统,可以方便地实现具有较高测试精度、价格便宜的便携式现场低频调制域测试仪器。     

光电容积脉搏波无创测量人体血液成分的评估

为了评估光电容积脉搏波法在人体血液主要成分检测方面的精度水平,基于朗伯比尔定律及简化的光电容积脉搏波法测量模型,给出了物质成分测量的极限分辨浓度公式。对公式中的三个要素,即人体测量时的光强信噪比、光程、被测物质的摩尔消光系数进行了评估,获得了理论上光电脉搏波法对血红蛋白、白蛋白、血糖的极限分辨浓度。评估结果表明,光电容积脉搏波法可以测量的血红蛋白、白蛋白和血糖的极限分辨浓度水平分别约为100mg/dL,5000mg/dL以及10 000mg/dL。将该评价结果与现阶段临床需要的检测精度进行对比,可知光电容积脉搏波法能够满足需求,有望实现对血红蛋白的无创检测。     

真皮与血管漫反射光谱的相关性研究

基于真皮与血管漫反射光谱的相关性活体实验研究真皮漫反射光谱法测量血糖浓度的可行性:成功剥离兔子股动脉血管,实现血管光谱的直接测量;在调节兔子的血糖浓度变化的过程中,同时监测兔子的血管漫反射光谱和皮肤漫反射光谱。实验结果表明,血管漫反射光谱与皮肤漫反射光谱之间的相关系数达到0.88以上。分别基于血管漫反射光谱和皮肤漫反射光谱建立校正集模型,并预测得到相应的血糖浓度集G1和G2,两组血糖浓度预测值之间的相关系数为0.90。因此,真皮漫反射光谱信号能够有效地反应血液信息,从而实现血糖浓度的无创检测。     

A procedure to determine the optimum imaging parameters for atomic/molecular resolution frequency modulation atomic force microscopy

We propose a general procedure to determine the optimum imaging parameters (spring constant and oscillation amplitude) to obtain the optimum resolution in frequency modulation atomic force microscopy. We calculated the effective signal-to-noise ratio for various spring constants and oscillation amplitudes, based on the measurement of frequency shift and energy dissipation versus tip-sample distance curves, to find the optimum. We applied this procedure for imaging a lead phthalocyanine (PbPc) thin film on a MoS(2)(0001) substrate, and found that the optimum parameters were about 5 N/m and 20 nm, respectively. An improved signal-to-noise ratio was attained in a preliminary experiment using parameters which were close to the calculated optimum.     

正交调制降频相位式激光测距

为了提高激光测距的精度与稳定性,通过改良传统相位激光测距仪,设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路,通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制,接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频,降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移,分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度,最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试,实验结果表明,在60m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm以内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内。