基于激光阵列的多通道微梁生化传感系统

针对单微悬臂梁生化检测系统中存在的温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声影响和不能多目标检测等问题,设计制作了一种基于垂直腔面射型激光器阵列(VCSELs)的新型微悬臂梁阵列生化传感系统。利用双透镜组光路汇聚激光器阵列发出的激光束,依次照射到微悬臂梁阵列尖端进行精确定位扫描,实现了5根微悬臂梁变形信号的同步检测。该系统具有灵敏度高、一致性好、检测快速等优点。通过升降温动态实验测试,验证了该系统的稳定可靠性。上述结果为微悬臂梁阵列式生化传感技术的开展提供了一种新的方法和平台。     

一种新型微梁阵列传感器设计及实现

微悬臂梁传感技术是微纳传感技术研究的热点,仪器装置的研究也从单悬臂梁向微梁阵列的方向发展.本文针对间距为250μm的商品化微梁阵列,提出了一种实现对其弯曲变形的读出系统光路.利用高精度位移平台调节激光器空间位置,使光束实现微距离上平行,并分别照射在阵列梁的相邻微梁上.用位置敏感探测器对两个微悬臂梁尖端反射的激光信号进行...     

微悬臂梁生化传感系统的性能分析

在基于光杠杆原理检测微悬臂梁变形的生化传感实验系统中,液体折射率的变化会导致PSD上光斑的位移,从而影响系统的检测信号。本文从理论上分析了在不同检测光束的入射角度、微梁的放置角度等参数条件下,液体折射率的变化对系统检测信号的影响。结果表明：在传统的光路下,液体折射率改变10-3引起的光斑位移与一般的生化反应引起的位移相当,即液体折射率的改变严重影响系统的检测信号。通过理论分析还发现在适合的参数配置下,可以忽略折射率变化对系统检测信号的影响。同时,参数的改变不影响系统的检测灵敏度。理论分析的结果得到了实验验证。     

基于光学和扫描显微平台的微尺度实验力学检测技术和装置研究

本文基于光学和扫描显微平台,介绍了本研究组在微尺度实验力学检测技术和设备方面的最新研究成果。在检测技术方面涉及显微散斑干涉技术、微标记阵列检测技术、晶粒变形分析技术、光学探针动静态变形分析技术;在检测系统和装置方面介绍了新近开发的双视场薄膜检测系统、散斑微干涉系统、微标记检测平台、AFM和SEM单轴拉伸装置、三维微定位与加载系统、微力传感器及其标定装置、微动平台驱动装置等。探讨了微尺度实验力学检测中的问题和新的检测技术,给出了一些典型的应用和相关装置。     

中国科大光力学工作进展

中国科学技术大学光力学实验室近年从事实验力学方法在红外成像、金属物理学以及生化传感等交叉领域的研究,为实验力学带来了新的研究内容,也为相关领域的研究开辟出独特的途径.本文拟对该小组近年来取得的研究进展作一个概述:1)提出微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法,设计制作出相应的FPA,实现了新概念光学读出红外成像,热成像指标处于国际领先;2)提出用动态散斑研究合金材料锯齿形屈服剪切带,建立了溶质原子与位错交互作用的动态应变时效模型,再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹;3)提出用微梁传感研究大分子/蛋白质构象折叠,检测到构象转变过程中分子间力的相互作用信息和折叠动力学过程,为研究大分子折叠机理提供了一种新途径.     

中国科大光力学工作进展

中国科学技术大学光力学实验室近年从事实验力学方法在红外成像、金属物理学以及生化传感等交叉领域的研究，为实验力学带来了新的研究内容，也为相关领域的研究开辟出独特的途径。本文拟对该小组近年来取得的研究进展作一个概述：1）提出微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法，设计制作出相应的FPA，实现了新概念光学读出红外成像，热成像指标处于国际领先；2）提出用动态散斑研究合金材料锯齿形屈服剪切带，建立了溶质原子与位错交互作用的动态应变时效模型，再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹；3）提出用微梁传感研究大分子／蛋白质构象折叠，检测到构象转变过程中分子间力的相互作用信息和折叠动力学过程，为研究大分子折叠机理提供了一种新途径。     

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列热变形的光学读出

针对双材料微梁阵列非制冷红外成像技术的光学读出系统,提出了在谱平面上进行刀口滤波将阵列转角转化为像平面上光强变化的高灵敏度测量技术,并对光学探测灵敏度进行了理论分析.利用该光学读出系统在实验中得到了120℃红外物体的热图像.通过对实验结果的分析和图像处理消除噪声技术,得到该系统在成像温度范围的噪声等效温度差(NETD)约为5K,并对系统噪声进行了讨论.     

一种微传感器的新设想

本文提出一种新型微振动传感器，并从理论及实验上给予推导、验证。从而表明该传感人有灵敏度高、工作频带宽及结构简单等优点。     

微梁传感研究谷胱甘肽转硫酶抗原抗体特异结合

利用微梁传感器(MicroCantilever Sensor, MCS)对抗原抗体的反应进行检测.通过分子自组装方法将谷胱甘肽转硫酶(Glutathione S-transferase,GST)修饰到微悬臂梁的单侧镀金表面后,应用光杠杆原理监测在加入GST抗体的过程中,微悬臂梁的实时弯曲过程.实验过程中的抗原抗体活性由酶联免疫吸附(enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)实验得到了确认.结果表明: a.微悬臂梁传感技术可以对抗原抗体的结合过程进行实时的监测;b.为研究生物大分子间微观层次上相互作用提供了一种新型的实验手段.     

微梁传感研究谷胱甘肽转硫酶抗原抗体特异结合

利用微梁传感器（MicroCantilever Sensor，MCS）对抗原抗体的反应进行检测。通过分子自组装方法将谷胱甘肽转硫酶（Glutathione S-transferase，GST）修饰到微悬臂梁的单侧镀金表面后，应用光杠杆原理监测在加入GsT抗体的过程中，微悬臂梁的实时弯曲过程。实验过程中的抗原抗体活性由酶联免疫吸附（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）实验得到了确认。结果表明：a．微悬臂梁传感技术可以对抗原抗体的结合过程进行实时的监测；b．为研究生物大分子间微观层次上相互作用提供了一种新型的实验手段。     

基于MEMS和光学读出的非制冷红外成像技术

由于军事和商业应用的巨大潜力,红外成像技术至今仍是研究热点之一。针对本课题组提出的基于MEMS和光学读出的新型非制冷红外成像技术,本文一方面通过有限元仿真分析,详细讨论了新型无基底双材料微梁阵列FPA的热转换效率和热变形效率,另一方面通过光学理论分析,详细讨论了光学读出系统在极限操作下的光学测量灵敏度。理论和仿真分析显示,课题组提出的非制冷红外成像技术的NETD的理论极限与当前制冷型红外成像技术的典型指标相当,约为4mK。同时,本文对设计制作的FPA,在构建的系统上进行了红外实时成像实验和理论仿真分析,显示其系统级NETD已达到110mK。     

非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究

相控阵超声无损检测技术近年来在无损检测领域得到了越来越广泛的应用。但当前相控阵超声检测基于传统线性超声,对于材料或结构的微缺陷、微裂纹等缺陷不敏感。研究基于超声的非线性效应的非线性超声无损检测技术对于克服线性超声相控阵技术的不足具有积极的意义。本文设计和开发了基于非线性超声相控阵的无损检测系统,并利用超声检测的标准试件对该系统的性能进行了检验。对比测试了常规线性超声方法、基于滤波的非线性超声方法以及基于反相脉冲的非线性超声方法对于钨丝线靶、超声仿体以及碳钢试块的检测效果。测试结果表明,非线性超声相控阵无损检测技术与传统线性超声相控阵无损检测相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点,而基于反相脉冲的非线性相控阵超声无损检测在空间分辨力上比基于滤波的非线性超声检测方法又有比较显著的提高。     

三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析

分析了三维Cosserat连续体理论中的应力应变特征,推导了三维Cosserat连续体的有限元方程,基于ABAQUS计算软件提供的用户单元子程序(UEL)接口编写了弹性Cosserat连续体三维20节点有限元程序,并分析了微悬臂梁自由端的挠度问题和微杆扭转问题。通过与基于经典连续体理论的解析解及有限元数值计算结果进行比较,表明所发展的三维Cosserat连续体有限元能有效地模拟微结构尺寸相关效应问题,即随着微结构尺寸与材料内部长度参数的接近,基于Cosserat连续体有限元分析得到的微梁的挠度以及微杆的转角与经典连续体的解析解及有限元解相比越来越小;反之,Cosserat连续体有限元的计算结果与经典连续体的解析解及有限元数值解较为一致。     

Piecewise-linear restoring force surfaces for semi-nonparametric identification of nonlinear systems

A method for identifying a piecewise-linear approximation to the nonlinear forces acting on a system is presented and demonstrated using response data from a micro-cantilever beam. It is based on the Restoring Force Surface (RFS) method by Masri and Caughey, which is very attractive when initially testing a nonlinear system because it does not require the user to postulate a form for the nonlinearity a priori. The piecewise-linear fitting method presented here assures that a continuous piecewise-linear surface is identified, is effective even when the data does not cover the phase plane uniformly, and is more computationally efficient than classical polynomial based methods. A strategy for applying the method in polar form to sinusoidally excited response data is also presented. The method is demonstrated on simulated response data from a cantilever beam with a nonlinear electrostatic force, which highlights some of the differences between the local, piecewise-linear model presented here and polynomial-based models. The proposed methods are then applied to identify the force-state relationship for a micro-cantilever beam, whose response to single frequency excitation, measured with a Laser Doppler Vibrometer, contains a multitude of harmonics. The measurements suggest that an oscillatory nonlinear force acts on the cantilever when its tip velocity is near maximum during each cycle.     

Compressive sensing using chaotic sequence based on Chebyshev map

Compressive sensing is a new sampling theory which allows for signal sampling at a sub-Nyquist rate. In order to ensure exact reconstruction from very few measurements, one should design a stable sensing matrix, which satisfies restricted isometry property (RIP), such that it preserves the significant information of original signal in sensing procedure. In this paper, a novel sensing matrix is proposed based on the Chebyshev chaotic system, and the Chebyshev chaotic sensing matrix (CsCSM) is proved to satisfy RIP with overwhelming probability. Numerical simulations show that the CsCSM is sufficient to guarantee exact recovery, which is similar to random sensing matrices such as Gaussian sensing matrix. However, the CsCSM can be easily implemented in hardware circuit and will be more beneficial in some applications which require security and privacy, as opposed to random sensing matrices.     

Parallax Correction for a Digital Array High-Speed Imaging System for Dynamic Deformation Measurements

In this paper, a parallax correction method for a digital array high-speed imaging system in dynamic deformation measurement is proposed based on the digital image correlation (DIC) technique. First, a new type of digital array high-speed imaging system is designed and the optical parallax of this system is analyzed. Second, a parallax correction method based on the sub-pixel shift concept is employed to eliminate the optical parallax. Finally, the corrected dynamic deformation fields of three-point bending specimen under low-speed impact are obtained using the parallax correction method. The numerical results of the dynamic deformation are in good agreement with the corrected results, which verifies the effectiveness of the proposed parallax correction method.     

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.