光纤传感测量中耦合系统的设计

根据光纤传感测量中光源的选取原则,将半导体激光器作为光纤传感器的光源并选取单模光纤作为尾纤,基于光学设计软件Zemax纯非序列光学系统,设计了一种半导体激光器与单模光纤的耦合系统。通过分析半导体激光器的光束特性及半导体激光器与单模光纤的耦合模场理论,由一个球透镜和一个准直透镜构成组合透镜耦合方式,达到提高耦合效率和容忍度的目的。设计时在非序列光学系统下进行了百万次光线追迹,仿真得到所设计系统的耦合效率为78%左右,而实验测试结果为69.11%,由此对误差产生的原因进行了分析。     

湍流环境中光纤耦合效率的提高

在空间激光通信应用中,空间光与单模光纤的耦合效率是影响通信系统性能的重要因素。考虑大气湍流会降低激光与光纤的耦合效率,本文从湍流强度与光学系统分辨率之间的关系出发,研究了大气湍流对光纤耦合效率的影响,导出了接收口径、系统焦距、入射光波长、接收光纤半径、大气相干长度等与单模光纤耦合效率之间的关系。提出了两种在湍流环境中提高光纤耦合效率的方法。方法一是在外界湍流强度发生变化时,通过改变耦合系统焦距,使耦合效率保持在较高值;方法二则是采用锥状光纤接收来提高耦合效率。最后对提出的方法进行了分析、仿真和室外耦合效率测试,验证了所提出的改善耦合效率方法的有效性。     

便携式实时荧光定量PCR仪数据处理方法研究

实时荧光定量PCR越来越多被用来定量核酸的表达水平,随着经济与社会的发展进步,个人的自我保护意识和自身健康都重视了起来,使得人们对健康有了更高的要求,适应于现场核酸分析技术的需求日渐显著,不同的仪器有不同稳健的、合适的测量分析方法。本研究针对一种基于转盘式荧光检测的便携式实时荧光定量PCR仪的数据进行处理分析,通过对比优化不同峰值拟合算法及扩增曲线拟合算法优化提升了光学系统检测性能。结果表明,针对该系统峰值拟合算法采用正弦拟合对原始数据进行处理有较好的效果,扩增曲线拟合算法采用4参数logistic拟合,标准品浓度梯度样本扩增结果线性拟合优度R²>0.990,变异系数CV值小于5%,使得光学系统检测性能有所提升,为该类检测模型仪器的数据处理方法提供了一定参考。     

一种光纤光源实时测试系统

介绍了一种光纤光源实时测试系统。利用GP IB总线或RS-232串行接口把光功率计、光谱分析仪、高低温箱与计算机连接起来,然后利用Borland C++Bu ilder开发环境编制程序完成对仪器的控制、数据的采集和实时处理等功能,建立了一套光纤光源的实时测试系统。该系统可以同时监控和显示光纤光源的输出功率、谱线宽度、峰值波长等参数,有效提高了光纤光源性能参数的测量效率。     

新型光纤传感器的设计和制造

本文详细介绍了一种新型光纤传感器的设计制造方法和实验结果,由于采用“积分球”式光耦合系统及单片机检测电路,从而简化了光学系统,大大降低了光纤传感器的成本,并提高了可靠性和测量精度.     

锥形光纤耦合特性仿真研究

针对目前加热拉锥法存在的不均匀加热问题,提出一种基于CO2激光器的环形均匀热源的锥形光纤加工方法,并设计了装置.用ZEMAX软件对光源与锥形光纤间耦合效率进行了仿真.仿真结果表明锥形光纤可明显提高耦合效率.     

基于差分吸收的H_2S气体浓度检测系统

石油和天然气开采过程中,H_2S气体浓度很低,很难精确检测,直接吸收检测H_2S的方法虽然容易实现,但是由于光源不稳定,检测精度偏低。文中采用差分检测系统检测H_2S气体浓度,并介绍该系统的基本原理,建立了H_2S气体检测的数学模型。整个系统采用LED作为光源,为提高检测精度,先将光源输出的光波进行滤波。然后采用差分吸收检测方法,用光纤布拉格光栅进行滤波和调制,得到2种不同波长的光源,通过锁相放大技术得到2个幅值信号。将2个幅值信号相除得到H_2S气体浓度检测的仿真结果。结果表明,光纤光栅滤波与差分吸收检测系统相结合的方式,减小了由温度不稳定、光源波动、光路强弱等引起一系列误差,提高了检测气体的精确度。     

以SLED为光源的甲烷浓度检测系统的研究

研究和讨论一种易于实现的光谱吸收型光纤气体传感系统。采用超亮度发光二极管作为光源,通过光源调制实现气体体积分数的谐波检测,显著提高检测的灵敏度。同时,采用差分结构,有效消除由光纤和传感头的不稳定引起的检测误差。设计SLED的恒温恒流控制系统,提高系统分辨率和检测精度。     

水膜厚度光纤检测系统

针对海水泵滑靴副水膜厚度测量需求,利用反射强度调制型位移光纤传感器工作原理设计并实现了一种水膜厚度检测系统。设计了与海水泵结构相对应的光纤探头,其采用具有较好补偿功能的三圈同轴型光纤束结构消除了由光源强度、反射表面性质以及光纤光强损耗和弯曲损耗等因素带来的影响;开发了由光源模块、电源模块、光电转换模块、低通滤波模块、信号比值模块等组成的前置器用于信号调理。对开发的水膜厚度光纤检测系统进行了静态性能和动态性能测试实验,结果表明:该检测系统的测量精度可达微米级,测量系统的量程为1 000μm,灵敏度为3.45mV/μm,动态性能良好,满足了对海水泵水膜厚度的检测需求。     

耐高温增量式光电编码器的研制

为了在高温环境下测量角位移,研制了一种基于光纤的耐高温增量式光电编码器。针对高温工作环境提出利用耐高温的光纤传输光,在常温环境中采用FPGA处理增量式编码器的电信号,并通过USB传输角度信息;分析光源光束准直度对光电编码器的影响,提出采用LED凸透镜光纤耦合的方式获得平行光;最后,使用自准直平行光管和23面体检测精度,并对比LED凸透镜耦合方式和直接耦合方式的精度。实验结果表明:该系统在100℃的高温环境下工作正常,编码器头部外型尺寸为62 mm×42 mm,分辨力为0.3″,精度3σ=13.55″;与LED直接耦合方式相比精度提高了20.8%,满足高温环境下角位移测量的需求。     

大口径光学系统的镜面视宁度检测

为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率,提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率,推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度,突破单台自准直仪精度限制,采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差,使用六自由度平台支撑立方反射体,使精度提高至0.01″量级。另外,结合频响函数的相关理论,估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后,引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价,并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度,分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱,然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下,完成对于系统主镜视宁度的定量预测。     

反射式光纤传感器强度调制特性的仿真测试系统

介绍了用于辅助反射式强度型光纤传感器设计及制作的计算机仿真测试系统的构成及其关键技术。实验表明，该系统的特性测试平台不受环境光干扰和光源功率波动的影响、稳定性好，可以开机即测。该系统的仿真软件包可对这类传感器的理论特性进行仿真，并具有较好的可扩展性。     

基于宽谱信号光注入的超荧光光纤光源

为实现高功率和高平坦度的C+L波段光超荧光输出,将超辐射发光二极管输出的宽谱信号光注入双程后向掺铒光纤超荧光光源,研究了信号光注入对超荧光光源输出功率和光谱特性的影响,优化了信号光注入功率、泵浦源抽运功率和掺铒光纤长度。结果表明:低功率、宽光谱信号光不仅可以有效提高超荧光光源的输出功率和泵浦效率,还有助于光谱的平坦化;通过使用40m W抽运功率泵浦9m的掺铒光纤,在500W信号光注入时获得了功率为10.59m W、3d B带宽大于41nm的C+L波段超荧光输出。     

基于光纤耦合的激光引信测试设备

为实现激光引信发射光功率和灵敏度的准确测量,将光纤耦合技术应用到激光引信测试设备的研制中,开展了激光引信原理和激光耦合光纤特性的分析,提出了一种基于光纤耦合半实物仿真的设计方案。采用带调整机构的激光耦合光纤装置设计,提高了光纤的耦合效率;采用基于衰减片组合的光学衰减机构设计和基于分光棱镜的光学系统设计,实现了激光引信回波的实时调整和准确测量;采用基于总线的实时测控系统设计和LabVIEW模块化软件设计,实现了良好的人机交互界面,最后用测量系统分析法对测量设备的精度、重现性和一致性进行了评估分析。研究结果表明,该系统能够准确测量激光引信的光功率和灵敏度,且测量精度和测量误差均满足要求。     

高效液相色谱仪的研制与技术开发--新型紫外可见检测器

介绍一种新型的高效液相色谱紫外可见检测器，该仪器采用穿透型氘灯和特制钨灯组成的高密度组合光源，全封闭集成微型分光和光电检测部件及光纤传导技术，简化了传统紫外可见检测器光学系统的复杂性，增强了光学系统的稳定性，减少了光能量损失，使检测灵敏度提高。     

实时数字PCR扩增曲线的分类

传统的数字PCR检测仅针对扩增终点的核酸样本执行终点式的荧光分析,依据反应后的荧光图像进行阴阳性统计及样本浓度计算,分析结果极易受假阳性及非特异性扩增影响。本文提出了一种基于过程的实时微孔式数字PCR芯片阴阳性分析方法,从时间维度对数字PCR结果进行定量分析,提高数字PCR检测的准确性。设计支持实时数字PCR分析的硬件系统并与终点式数字PCR仪进行对比,验证系统性能。在此系统上检测不同浓度的人类Ⅳ型疱疹病毒样本,获取实时扩增曲线,采用支持向量机算法对扩增曲线的特征进行学习并应用于检测曲线分类。实验结果表明,所设计的实时数字PCR系统与终点式数字PCR仪扩增结果具有高度一致性。本文所述的基于支持向量机的分类算法对扩增曲线的分类准确率达到98%以上,能准确识别假阳性及非特异性扩增微孔。相比于传统阈值分割法,本方法对阳性点识别的平均准确率提高了17.60%,并且目标模板拷贝数越低,效果越明显。与传统的终点式数字PCR相比,本文提出的基于实时数字PCR系统的数据分析方法具有准确性更高的优势,尤其在低拷贝数检测下可以获取更为精确的定量结果。     

超荧光光源温度动态特性的分析及控制

针对高精度光纤陀螺对光源稳定性的需求,提出了一种以32位数字信号处理器TMS320F2812为核心的掺铒超荧光光纤光源(SFS)的数字化温控方案。以该光纤光源(SFS)为研究对象,分析了现有的光源温度控制技术的优缺点;在模拟控制方案的基础上,提出了"数字恒流源+数字温控"的方案。研究了热电制冷器(TEC)的工作特性、SFS泵浦源的内部结构和传热机理,建立了SFS光源管芯温控系统的数学模型。设计了相应的连续域超前-滞后校正网络,并进行控制器的离散化处理,得到了PID数字补偿控制算法。最后,实验验证了SFS光源的数字化温控系统的温控精度。结果表明,在20~90℃,系统温控精度优于±0.05℃,满足了光纤陀螺低功耗、小型化等要求。     

光纤传感器在涡轮轴向位移检测中的应用研究

以光纤传感原理为基础，采用一种强度补偿型反射式光纤位移传感器，借助光纤本身的优势，实现涡轮机轴向位移的实时监测。系统包括光源及其驱动电路、光纤传输通道、信号处理电路和信号输出系统。通过双路接收的方法消除因光源发光功率波动、光纤损耗变化以及环境干扰光等因素对测量结果的影响。采用稳压源驱动和温度补偿保证光源发光的稳定性，进行转速监测以补偿速度变化引起的误差。采用单片机完成被测信号的识别和处理，提高了测量的精度。     

高速旋转机械径向振动检测系统关键技术研究

大型高速旋转机械是电力、能源、化工、航空和船舶等行业的关键设备,其稳定运行是安全、高效生产的决定性因素.为了监控或检测这类机械的运行参数,确定其整体或局部的性能是否正常,设计了用于高速旋转机械径向振动检测的反射式光强调制型非接触式光纤传感系统,对检测系统的工作原理做了详细介绍.对半导体激光器恒稳控制系统和激光光纤耦合系统进行了研究,并给出了相应的系统设计.设计了新型的光纤测头,提出了相应的补偿方案,并对其输出特性进行了详细的分析.研究结果表明,该测试系统能有效地消除因光源光强波动、光纤弯曲损耗、表面反射率等因素对输出特性的影响,可以在电磁干扰严重和高温等恶劣环境下实现对高速旋转机械径向振动的检测.     

基于共焦法的透镜厚度测量系统设计

研究通过分析共焦法检测透镜厚度的原理,并结合实际,给出了共焦光学系统的设计指标及要求,据此设计了一套共焦光学系统,结合光纤、耦合器、光谱仪等设备构成了基于共焦原理的透镜厚度测量系统。文中分析了本共焦光学系统的公差,分析结果表明,所给公差相对较宽松,整个光学系统设计合理,且在此公差下,本光学系统仍能清晰成像。本系统的测量范围至少为15 mm,可以有较广泛的应用。对于普通的K9玻璃,本检测系统的测量范围可达23.4 mm,测量精度为1μm。