近红外光谱分析是一种不破坏样品、不用化学试剂、可以多组分同时分析的技术,用于无创生化检验具有理论上的可能性.该项分析技术过去采用直接测量的方法,难以消除皮肤、肌肉、血管等人体组织的强背景干扰,所以至今离临床应用甚远.本文讨论了在一个血流容积脉搏波周期内将任意两个时间点(t1、t2)测得的光谱相减来获得血液光谱的新方法.由于光谱相减后吸光度差很小,需要有极高信噪比的仪器,在技术上有较大难度.文中分析了有关技术问题,包括t1、t2的选择,仪器信噪比、光谱波段、分光方式、波长数与波长对测量的影响等,认为该项分析技术有希望实现无创生化检验的临床应用.

基于变焦系统的基本原理,利用谐衍射透镜的相关特性并结合中波红外和长波红外的特点,设计了仅含有4片透镜的红外双波段双焦光学系统.设计结果表明,系统具有100%冷光栏效率,在3.7～4.3μm中波红外波段,光学传递函数在18 lp/mm时>0.7;在8.7～11μm长波红外波段,光学传递函数在18 lp/mm时>0.5,均接近衍射极限.

从单轴晶体的双折射性质出发,应用光线追迹方法,研究了滤光器系统中光的传播规律.将光线的传播方向、相位信息和振动状态用入射角、入射光方位角和晶体参最表示出来,结合偏振光的干涉原理,辅以计算机编程,分析了多种误差源对透过带形状的影响.通过与Evans离轴效应公式的对比,得到0.7%的最大相对误差,从而验证了本文方法的正确性,为滤光器的研制提供了可靠依据.

微转子是微机电系统(MEMS)的一个重要组成部分.为了能够设计、驱动具有复杂形貌的微转子,对其所受的光驱动力矩的光波动模型计算方法进行了研究.使用时域有限差分法分析微转子在光阱中散射光场的电磁场量,根据麦克斯韦尔力学张量方程得到微转子表面所受的力.最后,应用牛顿方程计算出其相应的旋转力矩和转速等信息.用基于此方法编写的模块化Matlab程序分析计算了一个本文设计制造的微转子,并与实验进行了比较,结果与200 r/min相符,表明此方法基本满足复杂形貌微转子驱动力计算要求,对设计微转子有着很好的应用前景.

通过分析血糖浓度变化对光学参数的两种作用及其对光传播的影响,针对葡萄糖主要分布于皮肤真皮层的特点,引入了有效信噪比的概念,推导出血糖检测极限浓度与光源检测器之间距离和有效仪器信噪比之问的关系.针对不同个体表皮和真皮厚度的差异,用蒙特卡洛方法研究了其对检测极限浓度的影响,讨论了光学测头设计的方案和适应性.结果表明,通过选择合适的光源与检测器之间距离,来自真皮层的有效信号能超过50%;假定仪器信噪比为10 000,可获得满足FDA要求的血糖检测极限浓度.

提出一种基于双频Bode图的陷波器(NF)参数设计方法,采用双频Bode图分析转子弹性模态稳定性,得出不同转子转速下对NF相位校正角的要求,然后在保证转子章动稳定性的前提下优化设计NF参数.采用该方法设计的NF有效地抑制了转子的弹性自激振荡,使所研制的磁悬浮控制力矩陀螺稳定升速到20 000 r/min,从而验证了该方法的实用性和有效性.

提出了一种谐波齿轮传动系统多目标优化设计方法.以啮合侧隙、啮入深度、柔轮疲劳应力为目标函数建立多目标优化模型,将实际系统的相关性能要求范围转化为线性加权法的权系数,并采用了可靠性和速度性较高的增广乘子法进行优化.结果表明,采用此优化方法比分别采用啮合侧隙、啮入深度、柔轮强度等单一优化目标计算得到的综合指标提高了2.9%、6.4%、15.7%.该优化方法可以保证谐波传动获得最佳的传动性能及可靠性,为基于综合工作性能的谐波齿轮传动开发提供了一种新的设计手段.

在分析信息分配方法的基础上,针对微型平台组合导航系统,提出了一种新的信息分配方法.利用阈值构造了故障概率计算公式,按照各个子系统故障概率进行信息分配.设计了IMU、GPS、ADS及超声波构成的组合导航系统,在新的信息分配方法下进行仿真.实验结果表明,应用该方法后,组合系统稳态精度为:俯仰角0.4 mrad、横滚角0.5mrad、东向速度精度可达0.6 m/s;在子系统出现故障时能有效提高系统的容错性能,并改善导航精度;同时,采用在线调整阈值的方法能够很好地降低误报率和漏报率.

研究了润滑气膜的主要力学参数.引入有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下导轨工作面上的压强分布规律.数值结果表明:导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律并非按雷诺润滑方程均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500μm的负压区;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素.本项研究为导轨自激振动抑制、气膜振幅减小乃至空气静压导轨整体精度提高等工作做了有益探索.

研究了基于学习的人脸图像超分辨率技术.针对Baker方法建立的图像金字塔提取高频细节不够丰富的缺点,提出基于多分辨率幻觉脸算法,采用Kirsch算子提取了高频特征.该算子与Baker的一阶、二阶灰度算子结合,能够提取更多的图像信息,使得匹配更为准确.将流形学习中的LLE算法思想引入匹配复原过程,复原结果获取了更完备的高频信息.对IMDB人脸库进行了试验比较,结果表明,本文方法可取得30.92 dB的平均峰值信噪比,高于Baker方法和插值算法;而且本文预测得到的先验模型更为准确,使得最终复原的人脸图像具有更好的视觉效果.

研制了一种新型的基于空间分辨的激光等离子体X射线极化谱仪.将平面晶体和球面弯晶色散元件在极化谱仪内正交布置,即在水平通道用PET平面晶体作为色散元件,在垂直通道用半径为380 mm的Mica球面弯晶作为色散元件.信号采用成像板进行接收,有效接收面积为30 mm×80 mm,从等离子体光源经晶体到成像板的光路为980 mm.实验中成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号.实验结果表明:该极化谱仪具有较高的光谱分辨率,适用于激光等离子体X射线极化光谱的诊断.

针对典型预放大数字显微全息光路中存在的二次位相误差,设计了基于全息图放大的数字全息显微光路.首先用光束照射透明显微物体,然后与平行参考光干涉,形成全息图,最后经显微镜获得放大的全息图.这种光路从系统上直接消除了主要由球面波引起的位相畸变,有利于处理的数字化及实时化.以位相光栅(30 lp/mm,槽深约0.3μm)作为实验样本,对此光路进行了分析研究,并分别用菲涅耳近似法和卷积法再现单幅全息图,同时获取了物体的强度信息和三维位相信息,位相深度为0.27μm.实验结果表明,本文设计的光路对二次位相产生的离焦误差有明显的抑制作用.

从发光二极管(LED)的发光原理及结构出发,建立了LED的光学模型,获得了它的光强分布曲线,并与实际测量数据进行了比较.通过改变模型中反光碗的张角、支架的插入深度、封装环氧树脂折射率以及透镜尺寸,得到了不同结构参数下的光强分布.实验结果表明:反光碗张角、支架插入深度、封装环氧树脂折射率以及透镜尺寸对LED光强分布的影响有一定的规律性,这些规律对生产特定照明需求的LED具有实际指导意义.

器件宏模型技术是微机电(MEMS)系统设计和系统级仿真的关键技术.为了建立静电致动硅膜板的宏模型,在运用有限元进行模态分析的基础上,利用多变量非线性函数拟合方法,将由数值计算得到的静电器件系统的动能、弹性能和电容写成模态广义坐标表示的解析式,导出以模态坐标表达的器件系统动力学方程,即宏模型.利用该宏模型研究了器件的静态、动态特性,并与有限元计算结果进行比较.结果表明:用模态坐标表达的动态宏模型能够考虑残余应力、大变形、静电力等非线性因素的影响,大大地减少了计算费用,而且具有足够的仿真精度.

采用热电致冷器作为温度控制的主控元件构建了热压成型系统.针对热电致冷器呈现的复杂热电特性,在对其模型进行小信号线性化的基础上,建立了热电致冷器的控制模型.结合传统PID控制和模糊控制的优点,根据热电致冷器的非线性和可能的不确定性因素,建立了PID参数自调整的推理规则,设计了热压成型装备温控的模糊PID控制器.阶跃响应实验表明:该温控系统具有良好的动态性能和稳态品质,其升降温速率≥1℃/s,温控精度可达0.2℃,满足热压成型装备精密温控的要求.

提出了一种新型2-DOF平面并联定位机构,它由直线电机直接驱动含有平行四边形支链的并联杆机构来实现末端平台平面内的平动.采用Largrange方程建立了动力学模型,然后基于奇异值理论得到了机构的速度与加速度极值表达式,分析了平台在关节速度限制下的速度特性,以及在关节力矩限制下平台的加速能力.分析结果表明,此定位平台运动最大速度差可达0.8 m/s)最大加速度差可达12g,最好可达14g.实验验证表明,此定位平台具有高速高加速度运动特性.

研究了压电陶瓷驱动器的复杂非线性滞回动力学系统建模及其位移跟踪控制问题.采用状态空间方程,建立了一种新型压电驱动机电耦合动力学系统集**数模型.该模型首次将动态本征非线性集成到压电叠堆的滞回特性中,并考虑了驱动器中弹性和运动部件的动力学特性.在此基础上,利用微分几何的输入输出线性化方法,导出了一个简化的线性规范型子系统.根据该子系统设计了一种基于LQ方法的非线性位移跟踪控制系统.与现有控制系统的对比仿真表明,本文提出的控制系统不仅消除了驱动器的稳态定位误差,有效地实现了整体动态性能的最优化,而且将其在-3 dB的截止频率从638 Hz扩展到5 217 Hz,频带宽度提高了将近一个数量级,较好地改善了驱动器的高速频响特性.

基于线性压磁方程、机电换能方程和阻抗分析理论,建立了超磁致伸缩执行器的矢量阻抗分析模型.模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分讨论,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗.实验结果显示,模型计算的系统矢量阻抗值与测量值间幅值误差约7%,相位误差约7.7%,表明所建立的模型能够近似描述系统在精密加工场合时的阻抗特性,可为超磁致伸缩微位移执行器的设计、控制和性能优化提供指导.

分析了6-DOF精密并联机器人末端位姿的误差来源及以往误差补偿方法的局限性.通过测量末端位姿,提出了基于BP神经网络在精密定位的局部工作空间内对机器人关节空间进行误差补偿的方法.确定了BP神经网络模型,建立了误差补偿的数据样本,并对数据样本进行了标准化.用实验对比的方法确定了隐层神经元的个数,同时对网络的推广能力进行了验证.经过误差补偿,6-DOF精密并联机器人的平移定位误差下降了80%,转角定位误差下降了60%.实验结果表明,基于BP神经网络的误差补偿方法对机器人局部工作空间的补偿具有明显的效果,能够满足精密并联机器人工作的精度要求.

运用反相补偿法原理,从误差曲线中分离出系统误差并与其反相曲线叠加以消除系统误差的影响.给出了对精密定位平台宏动工作台和微动工作台进行补偿的具体实例,补偿后定位误差分别从17.4 μm改善到1.3 μm和从137.6 nm改善到22.2 nm.理论分析和实验结果表明,反相补偿法对于降低系统误差十分有效,但对于随机误差效果不佳.

研究了不同驱动方式下微流体陀螺仪敏感信号的检测方法及其特性.介绍了陀螺仪的工作原理,给出了两种驱动方式下的信号检测方案.直流电压驱动时,敏感到直流流速,经过差动电桥放大后,可得输出电压.交流电压驱动时,敏感到交流流速,用相干检测方法提取有用信号,通过低通滤波、放大,最终得到正比于外界输入角速度的直流电压.实验数据分析可得:交流电压驱动时,输出信号的标度因数为17.05 μV/(°)S-1,标度因数非线性为5.725%,标度因数对称性为4.52%,零偏及零偏稳定性为1 066°/s和14.3°/s;直流驱动时指标分别为400.8 μV/(°)s-1、12.129%、15.29%、4 803°/s和43.5°/s.结果表明:从综合指标方面看交流电压驱动方式和相关检测方案下测量效果最佳.

研究了硅微陀螺仪机械耦合误差的产生机理.以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生误差的信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号.结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生.最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号为342.59°/s,且与理论结果相吻合.因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一.

探讨了菲涅耳近似算法实现数字全息相位再现的误差及抑制技术.理论分析了基于菲涅耳近似算法实现全息相位再现所包含的误差项,计算机模拟了数字离轴全息图的记录和相位再现结果.在此基础上,模拟分析了离焦误差、数字再现光波误差及样本深度对相位再现的影响.针对记录参考光波和光学器件所引入的相位误差及其不定性,提出了利用相位相减全息图处理方法加以消除,并给出了实验结果加以验证.模拟分析结果表明,菲涅耳近似算法误差、离焦误差、数字再现光波倾斜误差、解包裹错误对相位再现结果都有不同程度的影响,相位相减全息图处理方法可以减小再现相位误差至0.4%.对记录过程、再现参数选择和处理方法都进行严格控制或适当选取,可得到高精度的再现结果.

提出了基于工件CAD模型控制激光制导测量机器人的方法,并建立了激光制导测量系统,对该系统中激光制导测量机器人的主要结构误差进行了研究.介绍了基于"光束运动-光靶跟踪"理论的激光制导测量机器人技术和原理.根据系统原理,研制了激光制导测量机器人实验样机,并给出其理想的几何关系.推出了旋转轴偏心误差和光靶与两轮中心连线误差的几何误差数学模型.最后,利用高精度的三坐标测量机与激光制导测量机器人系统对样机进行了比对实验.实验结果表明:旋转轴偏心误差为0.01 mm,光靶中心偏离理想位置(x轴)的误差偏大(0.13 mm),由于旋转轴线偏心误差和光靶中心连线误差对测量精度影响较大,机器人样机结构需进行改进和完善.

为实现深孔表面多母线粗糙度的检测,研制了一种便携式表面粗糙度自动检测装置.借助以ARM920T为核心的嵌入式模块,紧凑设计了对零部件深孔表面粗糙度实施多点自动检测的机电结构,给出了检测装置的整体结构、嵌入式模块硬件电路接口、多点粗糙度综合参数的描述与计算方法等.该检测装置可对口径为Φ16～25 mm,长度为120～180mm的内孔表面实施多达24条母线、512点的自动检测.实际测试验证,该检测装置的极限误差<3%.

在简要论述三维物体计算全息技术理论的基础上,对具有代表性的三维物体全息计算方法的原理和技术要点进行行了重点论述.采用层析法、菲涅耳波带法、多视角投影合成全息法等3种方法进行了三维物体全息图的计算,并利用LCR-2500空间光调制器及650 nm的150 mW半导体激光器对层析法计算的三维物体全息图进行了光电再现,对其它两种方法获得的三维物体全息图进行了数值再现,并对3种计算方法各自的特点和局限性进行了具体的分析.在对目前三维物体计算全息技术中存在的硬件和算法等关键问题进行分析的基础上,讨论了提高三维物体计算全息图效率和质量的有效途径.

针对具有重复图案阵列的IC晶片结构特征,提出了一种基于旋转不变子空间技术(ESPRIT)算法的自比较模板匹配缺陷检测方法.应用ESPRIT算法精确计算出重复图案中结构块的大小,然后将图像中所有结构块对应位置的像素值平均,计算出标准结构块.再根据显微镜视野大小扩展标准结构块形成标准模板,通过比对实现缺陷检测.实验结果表明:采用ESPRIT算法求取结构块大小,具有较高的速度和精度,能够满足IC检测实时性要求.算法的计算复杂度为O(N3/2),精度可达到0.04 pixel.

为实现交流电机控制系统数据的输入/输出,用现场可编程门阵列(FPGA)进行硬件接口设计.采用电流传感器CSK7-5A和模/数转换器AD7705及FLEX10K10内部的嵌入式阵列块为缓冲器,设计了模/数转换数据进入缓冲器的控制模块FIFO1,完成了采样电路的设计.采用14个键作为外部控制接口输入来控制电机的正、反转,起、停及转速大小,通过译码电路将转速显示在五位数码管上.最后,进行了键盘和显示接口电路的顶层设计.使用硬件描述语言对FPGA进行编程,通过集成开发软件MAX+PLUSII中的仿真,证明了在写入缓冲器的频率为10MHz而读出频率为20MHz时,仍然有快速采样及键盘输入和数码显示的可行性.

建立了基于图像处理的视觉信息感知几何模型,提出了一种基于Kalman滤波预测估计的视觉信息感知方法,并据Kalman滤波理论建立了对机器人终端手抓等目标状态进行预测跟踪的模型.同时,利用建立的模型在护理服务机器人系统中进行了实验研究.实验结果表明,所提出的方法可以较好地对目标状态进行预测估计,通过"预测-校正"可以实现一种快速准确的视觉信息感知.该方法应用在护理服务机器人系统中可以减少视觉通道反馈信息的时间滞后,增强人机对话和信息感知能力.

以二维非相干光码分多址(OCDMA)系统为例,设计不同的信息侦听方案,开展了信息侦听技术探讨.假设窃听者对整个系统的编/解码方式,地址码字的构造方式,系统的传输速率以及采用的频率片数量、大小等信息有足够的了解,利用光电检测技术获取OCDMA系统中光信号在不同波段、不同时间的能量分布情况;利用获取的能量分布矩阵有效地破译出系统中存在的地址码字.分别将两种侦听方案在利用Optisystem和MATLAB软件搭建的采用了7个用户和7组二维地址码的二维非相干OCDMA软件平台上进行分析.分析结果表明,两种侦听方案均能有效地破译出用户的地址码字,实现对整个系统的信息窃取.由此可见,二维非相干OCDMA系统仍然存在安全性问题.

提出了一种基于CMAC数据融合模型的复杂智能图像融合快速算法.将多源传感器图像配准后的各源图像按相同标准分解成若干个J×J区域,通过量化编码,概念映射到关联存储空间的存储单元区域中,再用hash编码技术实际映射到权重存储空间进行压缩,经过CMAC网络的迭代训练,得到CMAC图像融合结果.设计多聚焦图像的模型仿真实验,将CMAC图像融合方法、加权平均图像融合方法、像素灰度值选大图像融合方法以及像素灰度值选小图像融合方法进行了定性与定量的比较与分析.实验结果表明:CMAC图像融合方法比其它方法能更有效地逼近真实的融合模型,其均方根误差分别只有其它3种方法的30.4%、22.2%和20.9%,且具有实时性的优点.

为了提高IPv4网络化测控平台的实时性和网络负载均衡性,将新一代IPv6网络引入了测控平台.重点研究了IPv6的新运行模式(即选播模式)在测控网络中的运用策略,探索如何运用IPv6选播运行模式来提升搭建平台的网络性能.通过融合测控选播模式的数学模型并用D-S证据理论进行决策推导,将网络仿真软件OPNET与工业现场状况结合,准确地模拟了实验环境.实验结果表明:IPv6选播运行模式与原有IPv4运行模式相比,网络时延从0.512 ms降低到0.295 ms,极大地提升了其工作性能.

在磁流体惯性传感结构中,磁流耦合效应对传感特性有直接影响.通过推导磁流耦合公式、分析固壁界面效应以及评价阻尼影响因素,实现了传感结构中磁流固分析.基于经典流体动力学理论,视磁流体为非极性流体,联立解算了耦合效应下磁流体力学方程.对理论方程进行分步建模,建立不同域积分变量,完成不同结构传感运动块的磁流阻力分析及数值计算.流固数值计算及实验结果表明:理论推导与实验结果相符.在磁性控制下粘度对流阻影响幅度较大,2槽和6槽结构圆柱在重力作用下自由下落时间分别为0.39 s和0.46 s,多槽结构在减少极端压差的同时能够补偿流阻损失,可以达到增阻和减少位移的效果.