电锥度监测仪

近日，浙江大学光电学院的马耀光研究员在微型高性能光谱仪研究中取得了新进展。研究团队提出了一种具有皮米量级分辨率的微纳光纤锥光谱仪。在这种光纤锥光谱仪中，精心设计的光纤锥几何参数使得输入光激发的少数传播模，可以随着光纤锥的非绝热形变发生耦合、演化过程，进而快速形成大量的高阶模式。这些新形成的高阶模式同时也会随着光纤锥的渐变直径被截止而转化为泄漏模，从而在探测面形成复杂的光学散斑。光谱信息也在这个过程里被编码进散斑图案之中。可以利用基于Transformer的MobileViT模型，快速、高效、准确的对输入光谱进行还原。经测试，光谱仪可以工作在450-1100nm的波段范围内，对输入光的分辨率可达1 pm 数量级。该光谱仪以相对较低的制造难度与成本，在毫米级的空间尺度下实现了皮米级的波长分辨能力。自牛顿利用棱镜观察到色散现象以来，针对光谱技术的研究就在人类发展历程中占据了重要地位。随着光谱分辨率的提高与光谱理论的完善，光谱技术逐步从科学实验领域扩展到了分析应用上，在生物传感、环境监测、天文、医疗等领域都发挥着重要的作用。但是传统光谱仪体积庞大、价格昂贵，因而在实际应用中较难推广。对光谱的测量往往需要使用非常专业的设备或者在专业的检测机构才能进行。近年来，随着微纳技术的发展，微型光谱仪凭借其体积小、重量轻、操作便捷、结构简单、价格低廉等特点，逐渐被人们所重视。但是，针对光谱仪的低成本、小体积、高性能等要求存在内在的制约关系：减小分光和探测元器件的尺寸将导致光谱仪的分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降，同时有可能增加器件的制造难度与成本。如何利用计算光谱技术进行光谱编码与解码是打破这一内在限制的重要前提。微纳光纤（MNFs）是研究纳米尺度光与物质相互作用的优秀平台之一。利用其简洁的几何形貌、强光场约束等优点，研究人员利用自制的光纤拉锥机精确控制光纤锥尺寸，对其内部的传导模式产生有效调控，如图1a所示。a) 基于微光纤锥的光谱编码结构利用非绝热近似下的陡变光纤锥，将输入的少量低阶模式快速转变为大量高阶模式。产生的高阶模式的数量和权重均为输入光场频率的函数。因而，随着高阶模式被光纤锥的渐变直径逐步截止，光谱信息就会随着泄漏的光场被编码进探测到的复杂散斑图案之中。多模光纤拉制的光纤锥内支持的传导模式众多，再加上锥区模式耦合带来的自由度，散斑结构非常复杂，波长的微小改变也会使得散斑有非常明显的变化，从而可以在较小的尺寸内实现高分辨的光谱识别如图1b、c所示。图1光谱仪结构。（a）微型光谱仪图片（b,c）微纳光纤锥区泄漏模图案映射在衬底上的侧视图和俯视图1. 光纤纤芯直径、光纤锥度、锥区长度、拉伸长度等结构参数对光线锥泄漏散斑具有重要的影响。输入光在芯径更大的光纤中，可以激发更多的模式，因此在后续的模式演化过程中可以产生更复杂的散斑，包含更多的光谱特征。图2的仿真结果也验证了这一点。图2 不同纤芯直径拉制得到的光纤锥的散斑仿真。纤芯直径分别为（a）8.2 μm（b）62.5μm（c）105μm2. 在微纳光纤束腰直径一致的情形下，锥区长度越短，锥区角度越大。如图3所示。随着锥区变短，散斑尺寸缩小，由Nyquist采样定理可知，对于一定大小的探测器单元尺寸，系统可以采集的散斑精细结构的质量会随之变低。例如当锥长为750 μm时，散斑尺寸仅为~2 μm。图3 不同锥区长度的光纤锥散斑仿真。锥区长度分别为（a）6000 μm（b）3000μm（c）1500μm（d）750μm3. 通过优化拉制光纤的纤芯直径，拉制过程中的拉伸长度与锥区长度等参数，研究人员在300*600 μm的小尺寸内，得到信息足够丰富的散斑。散斑图样由互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器（CIS）直接获取，如图2a所示。利用自制的微纳光纤拉锥平台和转移平台，研究团队可以高效率、高精度地制备所需要的微纳光纤，并且将其与CIS探测器进行一体化集成。使得最终的样品在保证高集成度的同时，具有良好的稳定性与重复性。并且，制备的光谱仪核心元件的成本不到15美元。b) 基于深度学习的高精确度光谱复原研究人员发现重构型光谱仪的算法选择对重构结果也有较大影响，为了可以实现快速、低功耗的光谱重构，我们采用基于Transformer架构的MobileViT模型进行了训练，用于最终的图像分类与光谱重构。最终，光谱仪准确地恢复了450-1100 nm光谱范围内（受限于实验中采用的CMOS的工作带宽300-1100 nm 与神经网络训练过程中可用的输入光谱范围450-1200nm的交集）被测光谱信息，平均峰值信噪比(PSNR)为46.7 dB。重建的窄带光(彩色实线)和商用光栅光谱仪的地真光谱(图4(a)黑色虚线，Ocean Optics, LEDPRO-50)显示出很高的一致性。单色光的中心波长误差约为0.0223%。线宽误差约为7.37%。并且，光谱仪在图4b、c所示的性能极限测试中也展示出很好的表现：在工作带宽的测试中，可以准确恢复半高全宽为90 nm的光谱。在对于分辨极限的测试中，可以准确还原间隔1.53 pm的双峰信号。图4 光谱仪性能表征。（a）450-1100 nm波长范围内光谱恢复（b）连续光谱的恢复（c）窄双峰的恢复c) 高精度的高光谱探测能力因为微纳光纤尺寸小、光束缚能力强的特点，可以在一个传感器上集成多个微纳光纤锥，实现高光谱成像功能。图5a展示了在CIS上集成20个光纤锥的样品。结合机械扫描的采样方式，可以对例如图5b中的图像，进行高光谱采集。如图5c、d所示，采得的光谱信息具有很好的准确度和色彩还原度。图5 光谱仪高光谱表征。（a）20通道高光谱成像仪（b）彩色贴片图及高光谱复原结果（c）b中各个色块的光谱还原图（d）b中不同色块的CIE 1931色彩空间坐标研究团队利用轻量级Transformer架构的神经网络模型，对微纳光纤锥区泄漏模的干涉散斑进行优化与采集，简洁地实现了基于微纳光纤锥的光谱信息编解码架构，进而构建出一种尺寸在亚毫米量级，分辨率在皮米量级的低成本、高性能微型光纤锥光谱仪。此外通过在CIS上集成多个微纳光纤锥，可以实现高光谱成像的功能。未来，如果在标定过程中进一步考虑偏振态的影响，我们可以同时获得未知光的光谱和偏振态。论文所提出的光谱仪可应用于食品检验、药物鉴定、个性化健康诊断等领域，成本低廉。 本研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。论文通讯作者为马耀光研究员，共同第一作者为硕士生岑青青和博士生片思杰。硕士生刘鑫航、唐雨薇、何欣莹也为论文工作做出了重要贡献。本论文的完成单位为浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室、杭州国际科创中心、浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心。

table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="600"tbodytrtd width="123"p style="line-height: 2em "成果名称/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 2em "钢化玻璃坠落风险检测仪/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 2em "单位名称/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 2em "中国建材检验认证集团股份有限公司/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 2em "联系人/p/tdtd width="177"p style="line-height: 2em "艾福强/p/tdtd width="161"p style="line-height: 2em "联系邮箱/p/tdtd width="187"p style="line-height: 2em "afq@ctc.ac.cn/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 2em "成果成熟度/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 2em "□正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 √可以量产/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 2em "合作方式/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 2em "□技术转让 √技术入股 □合作开发 □其他/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 2em "strong成果简介： /strongbr/ 上世纪80年代以来，我国各大城市相继建造了大量的玻璃幕墙建筑，这些玻璃幕墙大多建在繁华地区或人口密集地区，近几年来幕墙玻璃的安全隐患越来越多，已经引起众多专家和广大人民群众的关注。在幕墙玻璃大量使用的一二十年里，作为结构和功能一体化的幕墙玻璃的各种性能不断退化和衰减，目前正在服役的玻璃幕墙普遍存在着安全隐患问题。无论对建筑结构的设计单位或使用单位，保证幕墙玻璃的使用可靠性是非常重要和紧迫的。针对上述问题该仪器利用振动诊断原理和力学相结合的方法对玻璃幕墙进行无损在线检测。 br/ 该仪器首先要确定玻璃幕墙的基频与结构安全可靠性的关系以及损伤演变规律。其基本原理是通过共振或激光测震的方法，来确定玻璃幕墙在一定支撑条件下振动的固有频率。利用固有频率与固件刚度的关系评估它的结构可靠性。对于一个大型的服役构件其固有频率受其尺寸、质量以及刚度等的影响。对于一块已知尺寸的玻璃幕墙，固有频率可以认为随其刚度的变化而变化，当其四边固定情况出现松动时，或者该玻璃幕墙出现破损，则其整体刚度下降，其固有频率也会随之下降。因此可以通过测到的固有频率来评价该玻璃是否有破损或松动。 br/ 该仪器分别为广州太古汇、广州地铁南站、北京中粮广场、西单民生银行大厦、国家图书馆二期、梅兰芳大剧院、中国电科院、乐坛大厦、金阳大厦、北京工业大学等地方进行玻璃幕墙检测并取得了客户的一致认同。/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 2em "strong应用前景： /strongbr/ 对于大面积使用钢化玻璃的玻璃幕墙来说，这些玻璃幕墙大多处在繁华地区或人口密集区域，每一块有风险的幕墙玻璃就像人们头顶上的利剑，都有可能造成严重的问题，该仪器可以鉴别出存在坠落风险的玻璃,在玻璃发生坠落之前更换它们就能够避免事故的发生。 br/ 目前我国已建成的各式建筑幕墙（包括采光屋顶）近5亿平方米，年产值超过1100亿元，占全世界总量的50%还多其中北京市的玻璃幕墙具全国首位，初步估计现有玻璃幕墙超过2000多座，面积超过1500万平方米，仅长安街沿线就有数百座玻璃幕墙建筑，已过10年安全期的约为550万平方米，服役期超过15年以上的玻璃幕墙约为150万平方米。因此该仪器拥有广阔的应用市场。/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 2em "strong知识产权及项目获奖情况： /strongbr/ 发明专利一项： br/ 一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法 br/ 专利号：200810111627.9 br/ 项目受科技部国际合作项目“安全玻璃可靠性评价与无损在线测试”(2005DFA51010)；科技部科研院所专项“玻璃幕墙在线性能和可靠性检测技术”（ NCSTE-2006-JKZX-269）；科技部国际合作项目“建筑玻璃的结构/功能一体化研究”（2010DFB53100）支持。/p/td/tr/tbody/tablepbr//p

21世纪初的前十年，是国内传统大型国有石油化工企业人员改革及结构调整的关键时期，在分析检测人员精简、对生产过程监测与控制的要求越来越高、分析检测任务越来越重的大环境下，市场对自动化程度更高、操作更简单、分析结果更稳定的分析仪器的需求也越来越迫切。得利特公司本着科学创新的探究原则，技术人员参与并研发了多种测定仪新品。其中能够适用于润滑脂及石油脂检测的仪器就是全新推出的---A3030自动锥入度测定仪A3030自动锥入度测定仪根据标准GB／T269－91《润滑脂和石油脂锥入度测定法》的要求设计制造的。产品特点：1、电动升降系统，可电子调节升降速度。2、底座调解机构：底盘上设有微调地脚螺丝，面上镶有调平圆水泡。通过调节地脚螺丝可以方便的调节底座台面的水平。3、采用直流低压锁紧装置，安全可靠。技术参数：1、测量范围：0～500 锥入单位2、椎体释放行程：62mm以上3、激光传感器：采用**激光组件4、最小读数：1锥入单位5、计时范围: 5秒-90秒可调节6、计时误差: ≤0.02秒7、重复性： ＜2+0.03P， P为两个测定结果的算术平均值8、稳定性：Δu≤0.29、控温范围：23摄氏度--60摄氏度10、电源：AC220V±10%，50Hz±2%11、外形尺寸L×B×H (mm): 530×290×360创新点：1、自动检测锥入度值，采用德国**激光传感器，使用激光做无接触检测，大大减轻了人为干扰。2、6寸彩色液晶触摸显示屏，自动检测，存储试验结果。通过以上产品的研发，相信对石油化工企业日益增加的样品分析任务及更加精简的人力物力的现状及发展趋势来说，可以大大提高分析效率，有效及时地满足工艺生产的需要。