肾上腺素是一种神经和激素的传送体, 研究肾上腺素分子的光谱和能级有助于了解其化学稳定性和药理作用。 基于密度泛函理论(DFT), 利用Gaussian 09软件在B3LYP/6-311G(d, p)基组水平上对肾上腺素分子进行结构优化, 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)的PBE方法在def2tzvp基组水平上计算肾上腺素分子在气相中的前20个激发态, 利用Multiwfn3.7(dev)软件绘制出其紫外光谱图并对激发性质进行分析。 肾上腺素分子紫外光谱对应的主要跃迁是从基态分别到第1, 2, 4, 8, 15和16激发态的跃迁, 其他的激发态的振子强度低于阈值0.03。 理论计算得出肾上腺素的紫外光谱有两个吸收峰, 分别位于206.23和273.92 nm, 206.23 nm峰主要由基态跃迁到第16激发态形成, 273.92 nm峰主要是基态跃迁到第2、 4激发态形成, 主要是由苯环上π→π*跃迁所产生, 并与实验光谱吻合较好。 对肾上腺素分子的激发态性质分析可知, 上述吸收峰都是在最高占据轨道和最低空轨道的临近轨道跃迁产生的。 利用密度泛函的PBE方法在6-311G(d, p)的基组水平上计算肾上腺素分子频率并绘制红外光谱, 由振动分析可知, 3 738和3 662 cm-1峰是由酚羟基O—H伸缩振动产生的特征吸收峰, 3 715 cm-1峰是由醇羟基O—H伸缩振动产生的特征吸收峰, 2 854 cm-1峰是由甲基的C18—H20键的伸缩振动产生的特征吸收峰, 1 516和1 439 cm-1峰是苯环骨架的伸缩振动的特征吸收峰, 1 279与1 057 cm-1峰分别是由C6—O10和C12—O23键伸缩振动产生的特征吸收峰, 620 cm-1峰是N22—H17键摇摆振动的特征吸收峰。 对比肾上腺素的实验红外光谱, 发现理论光谱与实验光谱中各基团的特征吸收峰都较为明显且总体吻合较好。 由于肾上腺素分子二聚体和多聚体之间形成氢键, 分子间氢键的形成削弱了O—H键的强度, 降低了能形成分子间氢键的羟基O—H的伸缩振动频率, 从而导致实验光谱在3 500~2 500 cm-1之间呈现出一个宽峰。
肾上腺素 密度泛函理论 紫外光谱 红外光谱 Epinephrine Density functional theory UV spectrum Infrared spectrum (IR) 
移动窗口平滑集成CARS算法(MWS-ECARS)是一种稳定的特征变量提取算法。 在前人研究的基础上, 提出了两种基于不同窗口平滑算法改进的MWS-ECARS对红茶光谱降维, 并与原始的MWS-ECARS、 常用的连续投影算法(SPA)、 竞争性自适应重加权算法(CARS)、 移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)比较, 建立偏最小二乘算法回归模型(PLSR), 选择出最优红茶等级判别模型。 两种改进的MWS-ECARS方法分别是窗口高斯滤波平滑集成CARS(gaussian filter ECARS, GF-ECARS)、 窗口中值滤波平滑集成CARS(median filter ECARS, MF-ECARS)。 CARS算法运行n次(该研究n=1 000), 整合波长及其对应的挑选频率并用不同的窗口平滑算法对挑选频率进行平滑, 窗口宽度均为3~31, 窗口步长均为2; 将通过不同窗口宽度和平滑算法平滑过的挑选频率进行阈值的设定, 起始阈值及步长均为20; 最后选择出挑选频率大于阈值的波长, 建立PLSR模型, 以预测集相关系数()为判断因子, 越接近1, 说明建立的模型预测能力更为准确。 结果表明: 改进后的GF-ECARS算法提取的特征变量建立红茶等级判别模型的结果最好, 达到0.969 2。 原因是在窗口高斯滤波平滑算法中, 随着窗口宽度增大, 其曲线上各点的振幅差距会变小。 在高斯算法加权平均的过程中, 不容易出现将低频的波长与高的权值相联系。 在实际应用中, 往往会出现有效波段的挑选频率较低的情况, 可以通过选择窄窗口宽度的高斯滤波对其进行平滑。 另外, 高斯曲线的特征能使高斯滤波很好的保护窗口边缘图像的细节。 虽然MF-ECARS算法的建模结果比原始MWS-ECARS略差, 但其仍然达到了0.96以上, 表明改进后的算法能提高原始模型的预测能力。 不同窗口平滑算法的 MWS-ECARS提取特征变量不同, 但随着平滑窗口宽度的增加, 特征变量区间连续性都在增强, 数目均在减少。 三种MWS-ECARS算法的预测集相关系数都显示出它们比常用的SPA, CARS和MWPLS三种降维算法更有效, 更稳定。 为光谱数据的选择性降维算法研究提供参考。
移动窗口平滑集成CARS 可见-近红外光谱 红茶 等级 Moving window smoothing ensemble CARS (MWS-ECARS) Visible-near infrared spectroscopy Black tea Grades 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3254
1 苏州科技大学土木工程学院, 江苏 苏州 215011
2 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210023
3 苏州南智传感科技有限公司, 江苏 苏州 215123
将分布式光纤监测技术应用于土体变形监测时,传感光缆与周围土体的耦合性是关键。低围压下光缆-土体变形协调性将严重影响测量数据的准确性。设计了锚固光缆,进行了光缆-土体拉拔试验,探究了低围压下回填料及锚固方式对光缆-土体耦合性的影响。试验结果表明:回填料对光缆-土体耦合性存在明显的影响,黏土含量(质量分数)越高,耦合性越好;低围压下,采用在传感光缆上增加圆片锚固的方式,可以有效增强光缆-土体耦合性,并且随着锚固间距的减小和锚固圆片直径的增大,其耦合性增强。
光纤光学 光缆-土体耦合性 圆片锚固 低围压 拉拔试验 中国激光
2019, 46(11): 1110001
1 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210023
2 南京大学(苏州)高新技术研究院, 江苏 苏州 215123
3 中建科技有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518000
提出了一种基于分布式光纤应变感测的测力方法,开展了基于布拉格光纤光栅技术(FBG)和布里渊散射光时域分析技术(BOTDA)的薄壁圆环加载实验,详细阐述了分布式光纤传感器的原理、数据拟合及误差分析等问题。为了更进一步验证所提方法的可行性,实验中对FBG和BOTDA所获结果进行了对比分析。实验结果表明,通过BOTDA数据计算的作用力更加接近于实际测量值,证明了分布式光纤监测技术满足土工实验数据采集的精确性要求。
光纤光学 光纤布拉格光栅 布里渊光时域分析技术 分布式监测 薄壁圆环 数据处理 激光与光电子学进展
2019, 56(10): 100602
1 南京大学 地球科学与工程学院, 南京 210093
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所, 山东 青岛 266555
分布式光纤监测技术已经逐渐应用于各个领域, 但是针对传感光缆在经受循环应力之后其传感性能的变化情况, 目前尚未开展深入的研究。针对在室内试验及各类监测工程中, 模拟荷载、温度以及环境条件的变化而使光缆经受反复循环应力的情况, 设计了3个试验, 对分布式传感光缆的循环疲劳性能进行了标定, 得到了不同工况下光缆的应变衰减曲线。试验结果表明, 光缆初始应变越大, 循环频率越高, 光缆应变的衰减量和衰减速率越大。
分布式传感 传感光缆 循环疲劳 标定 应变 distributed sensing sensing cable cyclic fatigue calibration stress
1 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京210093
2 山东大学控制科学与工程学院, 山东 济南250061
目前柔性结构损伤检测需多个传感器, 且需要探测器具有极高的采集频率。光纤光栅具有动态响应快、 易实现分布式测量等特点, 为解决上述问题提供了有效的途径, 提出采用线性啁啾光栅(LCFBG)实现动态应力场探测。首先, 用传输矩阵理论建立了LCFBG反射光谱应变传感模型, 用衰减正弦函数模拟沿LCFBG分布的动态应力场。通过仿真实验, 详细研究了LCFBG反射光谱对不同振幅、 不同衰减系数与不同传播速度动态应力场的响应特性。实验结果表明, LCFBG反射光谱的反射率、 波长变化与光谱形状均与动态应力场上述参数有关, 但是LCFBG反射光谱对动态应力场不同参数的响应规律不同。在一定范围内, LCFBG反射光谱的最大反射率随动态应力场幅值与速度的增大而增大, 最终趋于一稳定值, 但其随阻尼系数增大而减小。最后, 研制了以LCFBG为敏感元件的传感器, 并构建了动态应力场实验平台, 实验结果与仿真实验数据基本一致。提供了一种通过实时采集LCFBG全光谱信息探测动态应力场的新方法。
反射光谱 动态应力场 幅值 LCFBG Linearly chirped fiber Bragg gratings Reflection spectrum Dynamic stress field Amplitude 光谱学与光谱分析
2014, 34(8): 2021
1 山东大学控制科学与工程学院， 山东 济南 250061
2 南京大学地球科学与工程学院， 江苏 南京 210093
3 山东大学信息科学与工程学院， 山东 济南 250100
光纤布拉格光栅(FBG)已广泛应用于应变参数测量中，但非均匀应变易引起FBG光谱变形而无法进行波长检测，因此需重构沿FBG的应变分布。针对应变分布重构效果差且收敛速度慢的难题，在深入研究改进遗传算法的基础上，提出基于FBG光谱中心波长位置与反射率双重约束的应变分布重构理论，显著改善了重构的非唯一性和置信度。同时，假设应变分布为多项式形式，通过对多项式系数的重构实现应变分布的重构，大大提高了重构的速度。在此基础上开展了应变分布参数重构仿真实验，多项式系数重构误差均小于1.5%；结合两端固定压杆调谐光纤光栅实验，验证了该应变分布重构方法的有效性、适用性和可操作性，形成了一种快速有效的应变分布重构方法。
光栅 中心波长 反射率 双重约束 应变分布重构
