针对圆光栅安装倾斜、光栅变形等因素造成的精密减速器检测仪测角系统精度降低，传统误差补偿方法采样点数受多面棱体工作面限制，导致补偿效果不足的问题，提出一种多数据关联的误差补偿方法。采用自准直仪结合正24面棱体对圆光栅测角误差进行标定，通过改变多面棱体与圆光栅在周向方向上的相对位置，得到多组测角误差标定数据。利用误差谐波法对多组测量数据进行预处理，将不同组数据关联，并代入BP神经网络中训练，得到圆光栅测角误差模型。该方法无需计算补偿式，能够克服误差谐波法在样本点过多时易产生拟合震荡的问题。实验结果表明：本文所提出的补偿方法残差峰峰值在0.94″内，标准差为0.25″，分别减小至误差谐波法修正后的33.3%和37.9%，有效提高了圆光栅测角系统的精度，使减速器检测仪测角精度达到亚角秒级。

利用晶格畸变检测仪研究了SiC晶片位错分布情况，通过对熔融KOH腐蚀后的SiC晶片进行全片或局部扫描，从而得到完整SiC晶片或局部区域的位错分布。与LEXT OLS4000 3D激光共聚焦显微镜扫描腐蚀图进行比较，晶格畸变检测仪扫描腐蚀图可以将晶片上位错腐蚀坑信息完全呈现出来，且根据腐蚀坑呈现的颜色及尺寸大小，可以分辨出三种不同类型的穿透型位错，其中黑点腐蚀坑对应螺位错，小尺寸白点腐蚀坑对应刃位错，大尺寸白点腐蚀坑对应混合型位错。采用晶格畸变测试仪研究了4英寸(101.6 mm)N型4H-SiC晶体不同生长时期的位错密度及分布情况，结果表明随着晶体生长，位错密度呈现逐渐降低的趋势，生长后期晶片的总位错密度降为生长前期晶片总位错密度的近1/3，有利于反馈位错缺陷在SiC晶体生长过程中的延伸和转化特性信息，以指导SiC晶体生长工艺改进。

农田变量施肥作业需要对农田土壤养分信息进行高精度的快速原位采集, 已有的设备不能满足精细农业田间测量的需要, 为此基于近红外漫反射测量开发了一款新型车载式原位土壤参数检测仪。 检测仪采用光照稳定性更好的卤钨光源代替太阳光进行土壤光谱检测, 以提高仪器对工作条件的适应性。 由7个敏感波长(1 070, 1 130, 1 245, 1 375, 1 450, 1 550, 1 680 nm)构成的土壤氮素测量极限学习机模型提高了仪器的测量实时性和精度。 检测仪由机械部分、 光学部分及控制部分组成。 机械部分为检测仪提供平台支撑, 光学部分为检测仪提供检测光源, 主要由卤钨光源、 光源转接法兰、 近红外导光光纤、 检测总成（含入射光出口端、 InGaAS光电探测器及7个敏感波长的滤光片）等组成, 控制部分实现对土壤测量信号的采集及处理。 检测仪工作时, 卤钨光源通过近红外导光光纤、 检测总成中的入射光出口端将检测光源传输到待测土壤表面, 通过测量土壤表面漫反射光的光谱反射率检测土壤养分参数。 在卤钨光源和近红外导光光纤连接处设计光源转接法兰, 最大限度的减小检测光源在传输过程中的损失。 漫反射光经过检测总成中的滤光片滤波后, 由相应的InGaAS光电探测器实现光电转换, 再经信号处理单元计算出各个敏感波长处的反射率。 检测仪采用灰度标准板进行光学标定测试, 测试结果显示, 检测仪在7个敏感波长处的反射率与MATRIX-I型傅里叶光谱分析仪反射率相关系数最高为0.997 8, 平均值为0.927 8, 表明检测仪有较高的检测精度。 为进一步对检测仪农田土壤养分的检测精度进行评估, 进行了检测仪的农田应用试验, 检测结果表明检测仪检测值与实验室标准检测方法检测值的相关系数都在0.90以上。 试验结果表明, 车载式原位土壤参数检测仪能够实现对农田土壤养分信息的快速原位高精度检测。

针对光伏用电致发光缺陷检测仪空间分辨率目视判定重复性、准确性差, 并且难以量化等问题, 提出一套基于卷积神经网络模型的空间分辨率量化评估方法。参照相关标准JJF(闽)1088-2018, 采取不同的拍摄条件拍摄并切割出空间分辨率线对图像, 对图像进行人工分类。设计卷积神经网络结构, 采用卷积层、池化层和全连接层结构, 并使用已分类完成的空间分辨率线对图像对模型进行训练。最终使用测试集对模型进行评估, 结果表明, 模型在测试集上的判别正确率达到99.2%。该方法满足使用要求, 可取代目视判别, 提高了光伏用电致发光缺陷检测仪空间分辨率判定的准确性与重复性, 并为其量化提出了新的解决思路。由于太阳电池片用光致发光缺陷检测仪与光伏用电致发光缺陷检测仪的成像方式类似, 该方法可兼容太阳电池片光致发光检测仪的性能评估。

针对目前实时定量PCR荧光检测仪系统中存在的检测效率低、体积大等问题, 提出了一种基于传统单通道共聚焦型光路改善组件的方法, 使激发光路和荧光收集光路共用一个大孔径透镜, 并在该透镜的下方围绕多个激发光准直光路, 同时在荧光收集光路中添加多个二向色镜, 实现多通道荧光的同时检测。运用Code V软件设计出准直透镜和聚焦镜, 将透镜数据导入到Lighttools软件中进行仿真模拟, 结果表明, 光学系统解决了现有实时定量PCR荧光检测仪中存在的问题, 检测效率是原系统的2倍以上, 体积比传统单通道集成的结构小2倍以上。

为了实现大范围、长距离的大气烷烃气体检测, 将研制的中红外双组分甲烷、乙烷传感器以车载方式, 对某一地区的大气甲、乙烷含量进行了移动探测。该传感器系统采用中红外室温连续的带间级联激光器(ICL)作为光源, 采用高速数据采集卡采集信号, 利用上位机LabVIEW平台编写程序产生激光器扫描及调制信号、获取探测器信号并提取二次谐波, 通过计算, 确定大气烷烃气体浓度。根据气体采样时间、实时风速及车速, 计算得到系统的响应时间为82.5 s, 实验测量为85~95 s, 与理论一致。对系统噪声水平进行测试, 实验室中甲烷浓度波动为±40 nL/L, 乙烷波动为±2 nL/L, 车载过程甲烷浓度波动为+40至-80 nL/L, 乙烷波动为±4 nL/L。为验证传感器性能, 与美国Aeries公司的商用传感器结果做了对比, 二者呈现较好的一致性。最后, 给出了车载传感器系统在某条线路上的甲烷、乙烷浓度移动探测结果, 以及某小区甲烷、乙烷浓度的二维分布测绘结果, 分析了二种烷烃气体的变化关系。本文所开展的工作为探测烷烃气体泄漏并监测大气质量提供了技术保障。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一套近红外波段的乙炔(C₂H₂)气体检测系统,该装置采用波长调制-多光程吸收光谱技术,提高了系统的检测灵敏度;为了优化系统测量条件,在压强范围为5.3~12.0 kPa和调制幅度为0.010~0.035 V条件下,测量了体积分数为5×10 ^-5的C₂H₂标准气体的光谱信号,并测量了不同浓度的C₂H₂在总压强为10.7 kPa时的二次谐波信号;为了进一步验证系统的稳定性,采集60 s的光谱信号,通过Allan方差分析获得了系统的最佳探测时间和探测极限。结果表明:压强为10.7 kPa且调制幅度为0.030 V时的二次谐波信号强度最大;C₂H₂气体浓度与二次谐波幅值呈良好的线性关系,并且C₂H₂体积分数为1×10 ^-6~5×10 ^-5时的测量误差较小,小于±2%;该实验系统的最佳探测时间为7.2 s,探测极限为2.8×10 ^-11;该仪器采用基于嵌入式系统设计的激光器驱动和数字锁相放大器,具有结构简单、体积小、便于集成等特点,适用于工业现场和气体运输等方面。

用于食品安全、 环境污染、 毒品、 化学战剂检测等的现场快速检测要求检测设备便携、 快速和准确。 目前的常规实验室检测方法虽然能够实现准确检测, 但是其实时性较差, 无法满足现场快速检测的要求。 因此, 设计开发了基于等离激元增强拉曼光谱的便携式快速检测仪, 能够实现对滥用添加剂、 违禁食品添加剂、 农药残余、 毒品、 化学战剂和环境水污染等大量有害物质的现场快速定性检测。 该检测仪基于ARM嵌入式系统开发, 编写了其操作交互界面和底层驱动程序, 实现了拉曼光谱数据自动标定和特征谱图快速识别等算法。 在仪器中搭建了检测物质拉曼光谱的标谱数据库, 数据库根据检测科目进行分类, 每种科目包含该类别的多种物质, 每种物质均包含其高中低多种浓度的标准品和样本谱图。 设计实现了大类科目的辨识比对算法和GPU硬件加速算法, 实现了对某一类科目的所有物质的快速比对, 与传统的纯CPU算法实现相比较, 在辨识速度上提高了20倍以上。 通过市场购买的功能饮料、 违规葡萄酒与果汁等实际样品对所制备的样机仪器进行测试, 测试结果符合预期, 具有良好的灵敏度与重现性, 满足了现场快速检测的要求。

报道了一种采用中红外室温连续带间级联激光器(ICL)的高精度大气甲烷检测系统.使用的ICL激光器的发光波数范围为2 998.4~2 999.6 cm-1, 覆盖甲烷在2 999.06 cm-1处的较强吸收峰.为增强气体吸收, 采用容积为220 mL、吸收光程为54.6 m多通池作为气体吸收池.采用LabVIEW平台和数据采集卡, 产生激光器扫描及调制信号, 同时获取探测器信号并采用数字运算提取二次谐波.实验结果显示, 当传感器系统的平均采样时间为3.3 s时, 传感器系统的阿伦方差为11.2 ppbv.采用该系统对实验室内外空气中甲烷浓度进行了长时间的测量, 证实该传感器系统具有较强的工程实用价值.