为提高混合物质组分识别的准确性、降低建模的复杂度,构建了一种先粗分、后细分的递进式表面增强拉曼光谱检测系统。首先,用一种特征峰判别算法对全部样本进行特征提取并建立粗分模型,以分离单组分和多组分物质。然后,联合归一化与主成分分析法完成光谱特征的自动提取,并建立多输出最小二乘支持向量机细分模型。最后,采用粒子群优化算法进行参数寻优,实现多组分样本成分的精确预测。选用罗丹明6G、耐尔蓝和结晶紫三种探针分子进行实验,结果表明,特征峰判别算法提取样本特征的正确率达到99.44%,粗分模型对90例盲测样本全部识别正确;细分模型对多组分样本识别的相关系数不小于0.995,均方根误差不大于2.67343%。该拉曼检测系统能实现样本的定性、定量检测,为药品等复杂物质的检测提供了一种有效的识别途径。

为了实现微生物粒子在线监测,基于荧光探测原理设计了微生物粒子计数仪光学系统。对微生物粒子含有的核黄素、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸等物质的荧光特性进行测试和分析,确定了以405 nm波长的半导体激光器作为激发光源,提出了荧光检测系统的整体结构。设计了基于组合光阑和透镜组的光源整形光路以及荧光探测光路,以降低光噪声。完成了系统结构的制作和组装。采用荧光微球对检测系统的性能进行了测试,结果表明:系统的输出噪声约为20 mV,可以实现对粒径为1,2,5,10 μm荧光微球的分级检测,具有信噪比高、检测灵敏度高等特点,对进一步开展气溶胶微生物粒子计数仪的研制具有重要意义。

柔性表面增强拉曼光谱(SERS)基底具有灵活形变的特点,适合不规则曲面的原位检测,甚至可以直接进行擦拭取样的检测。对不同反射率的衬底进行仿真分析和实验测试,可以看到衬底的反射率对拉曼信号的收集有极大的影响。在波长为532nm的光激发铝箔具有高反射率,因此选择铝箔作为衬底,采用银溶胶滴铸法制备柔性SERS芯片。实验通过控制溶剂成分,利用表面张力梯度引起向内马兰哥尼(Marangoni)流动以抑制咖啡环的产生,可以改善纳米粒子的分布均匀性。拉曼测试结果表明,SERS芯片的增强因子高达1.32×10 8,对R6G溶液的检测限低至1×10 -11 mol,同时芯片表现出良好的信号均匀性。

为实现细菌的快速、低成本、高通量检测, 设计并制备了一种阵列式柔性纸基SERS检测芯片。首先制备银溶胶, 再利用激光打印和碳粉的疏水性, 在纸基上分别构造隔离区与阵列检测区。在检测区循环滴加银溶胶, 由于碳粉的疏水特性, 将银溶胶液滴限制在检测区范围。一定温度下, 银溶胶自然干燥即形成阵列式活性SERS检测芯片。利用罗丹明6G作为探针分子对纸基SERS芯片进行了表征, 测试结果表明该芯片的检测限为10-8 mol/L, 重复性测试的RSD约为11.85%。大肠杆菌SERS测试实验表明, 该芯片可快速获得大肠杆菌的拉曼特征峰, 无需对样本进行标记或复杂的前处理。该柔性纸基SERS芯片结构简单、制作快速、成本低廉, 阵列结构可实现多参数的同时测量, 有望应用于致病菌的直接、快速检测。

为了去除不定积分环节产生的直流偏置项, 提出了一种基于“一次移动平均法”的改进积分算法。利用一个整数周期的积分信号值构成一个集合, 计算出集合的算术平均值作为瞬时直流偏置, 将原积分信号减去该直流偏置, 最终可得到无直流偏置项的积分信号。为实时更新直流偏置, 在每个时钟上升沿将一个积分信号的新采样值加入集合尾部, 并去除集合首部的数值点, 从而确保集合长度维持固定值并能实时反映出最新的直流偏置。以FPGA为信号处理平台, 采用Modelsim仿真和实验测试相结合的方法验证了该算法的可行性。该方法已成功用于电磁式微陀螺仪的滑模控制器之中。同已有方法相比, 该积分算法复杂度低、实时性好、易于实现。

在传统粒子群相关搜索算法 (PSO)基础上提出一种新的数字相关算法, 自适应决策粒子群优化 (ADI-PSO)相关搜索算法。 ADI-PSO综合了自适应惯性因子和决策终止判定两种特点, 使得该算法能够通过在迭代过程中不断更新惯性因子加快收敛速度, 同时能够智能判定终止与否, 因而能更快的获取准确的搜索结果。通过两组对比试验验证了 ADI-PSO算法的精度相对 N-R算法接近一致, 但搜索速度更快；粗糙散斑图下三种不同粒子群方法得到最佳适应度均值为 -0.038 6、0.888 1、0.917 6, 相较于传统 PSO、LDI-PSO, ADI-PSO运算时间均值最少, 稳定性更高, 收敛速度更快, 并能有效避免过早收敛。

本文针对传统投影光栅相位法的光学三角法模型进行了改进, 采用直入射光路并配合使用一种简便易行的标定方法, 只需使用相移公式求取相位差, 而不会引入与系统几何位置关系有关的量, 简化了求取高度矩阵的要求。实验结果表明, 新系统模型精度良好, 测量误差为0107 mm。采用该模型和标定方法可以克服传统方法系统模型的局限性, 最大限度减少误差源并提高抗干扰性。

针对近红外光谱仪由于红外CCD导致的红外光谱仪高成本问题， 提出用MOEMS微镜阵列进行光路结构改进， 并且解决了红外光谱仪成像像斑不规则从而难以采用MOEMS微镜阵列进行光谱扫描的问题， 设计了一种新的分光成像结构。 该结构基于全息凹面光栅理论来规则光谱成像的像斑， 采用光学设计软件ZEMAX和针对特定像差评判标准的优化算法， 按照像斑规则化的要求设计并优化了光路结构。 该光路结构中的平场全息凹面光栅工作波长范围为900~1 400 nm。 对设计结果分析表明： 在宽度为50 μm缝光源情况下， 分光系统的理论分辨率优于6 nm， 像斑的可用尺寸约为0.042 mm×0.08 mm。 验证实例表明， 该设计满足了像斑规则化的要求， 可以使用MOEMS微镜进行光谱反射扫描， 验证了新型实用化MOEMS微镜阵列光谱仪模型的可行性， 在最后对探测器所处位置与微镜最大偏转角的关系进行了分析。

为改进振动环陀螺的模态匹配并提高其品质因数,设计了一种采用全对称结构实现模态匹配的电磁式微机械振动环陀螺。通过理论推导,建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用(100)晶向的单晶硅及工艺简单,无需键合的MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片。器件频率响应实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频率之差＜0.5 Hz,大气压下品质因数约为500,在1 Pa的低真空下可达14 000。锁相放大器测试结果表明,在-200~200 °/s,陀螺分辨力为0.05 °/s,灵敏度为0.2 μV/(°/s)。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。