文献检索有机光电探测器论文

光电成像系统与人眼视觉的匹配问题论文

摘要：以电视、激光成像和热成像系统为代表的光电成像系统在军事和民用上有着广泛的用途，但光电成像系统与人眼视觉的匹配问题仍是按现有理论和方法难以准确解释或定量描述的普遍问题。从理论上阐述了此问题的本质，说明了在这种匹配系统中存在系统的最佳匹配，且匹配状态直接影响光电成像系统的总体设计，并对如何描述这种关系进行一些说明和分析。

关键词：光电技术论文

前言：对光电成像系统性能的评价主要涉及光学系统和光电成像系统的优化。在对光电成像系统的优化过程中，涉及材料、机械和电子等多门学科。随着科技的不断发展，阵列探测器更新换代的速度相对较快，为了满足阵列探测器的发展需求，加强对光电成像系统的研究，并且对其进行性能优化具有重要的价值。

1.对光电成像系统的性能优化

对光电成像系统的性能优化目标主要是对光学和电学内容进行设计，并且提升光电成像系统的性能，同时降低系统的制作成本。在光电成像系统中，探测器的性能主要是由电荷扩散、几何尺寸和位相时钟等因素决定。在使用的过程中，探测器的性能同样受到环境、运输和温度等因素的影响。

在设计师对光学系统进行设计时，要根据成像倍率和瞬时视场角来决定光学系统的焦距;并且要根据信噪比来设计孔径;同时要根据尺寸来设计相应的视场角;另外，要根据使用换环境和加工难度来设计相应的传递函数余量。在理想的光学系统设计中，艾里斑直径为λF，光学系统函数的截止频率为1/λF，探测器函数的截止频率为1/d，当艾里斑直径为1个像元时，艾里斑直径为d，光学函数截止频率为。但是当艾里斑为一个像元时，系统明显的缺乏采样，继而会导致探测器受到一定程度的限制。当系统传递相应的频谱时，将会导致成像失真[1]。

针对系统成像的失真问题，设计师在设计系统的过程中，可以采用增加空间采样频率的方式来提升系统的分辨率。其主要体现在以下几个方面：第一，当系统的艾里斑直径为2个像元时，系统同样欠缺采样，这种设计方式主要应用于航空相机和空间相机，其传递函数相比于设计值较低。第二，当艾里斑函数为3个像元时，光电系统的.传递函数较为容易达到，其一般应用于中小型的光电成像系统。第三，当艾里斑函数为4个像元时，光电系统的分辨率相对较高，适用于实验室等设计环境。由此可见，在光电成像系统的性能优化设计中，增加系统空间采样频率的方式可以较好的提升系统的分辨率，进而可以达到光电系统的使用性能[2]。

2 系统误差对函数的影响

在光学成像系统的设计中，由于涉及、制造和使用的过程中会出现相应的误差，继而会降低传递函数，从而会影响光电成像系统的使用性能。根据科学研究显示，其影响性能的因素主要体现在以下几个方面：

波像差对函数的影响

在光学系统的设计中，波像差会对系统的分辨率产生较大的影响，而在系统的设计中，加工环境、设计和使用等变化均可以影响波像差的变化，从而会影响光电成像系统的使用性能。在光电系统的设计中，其下降因子与波像差之间的关系如公式1所示：

在公式1中，Wmrs是系统的波像差，单位是波长，ATF(v)是函数的下降因子，表示空间频率。当系统的Wmrs=，，和时，系统的下降因子会达到在最低值。因此，在设计师设计光学成像系统的过程中，需要对波像差和函数下降因子进行合理的分析，以便可以保证系统的使用性能[3]。

离焦对函数的影响

在光学成像系统的设计中，需要对系统进行调焦，当调焦过程中出现误差，对系统的函数会产生较大的影响。当离焦的弥散斑直径是d的时候，离焦的函数如公式2所示：

在公式2中，MTF(u)为离焦，当探测器像元的尺寸分别为10%d-d时，离焦函数的下降幅度越来越大。在设计师设计系统的过程中，为了保证系统的分散率，必须将探测器的像元尺寸控制在30%d以内，以便可以保证光电成像系统的使用效率。

像移对函数的影响

在光电成像系统的使用过程中，在曝光时间内，像在像面内会出现移动，从而会在一定程度上导致函数下降。像移主要包括线性异动、高频随机振动和正弦振动。当系统的线性位移数值为d时，系统函数如公式3所示：

在公式3中，ud主要代表空间频率，当系统探测器像元的尺寸分别为10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d时，像移的下降幅度会逐渐增大。

在光电成像系统的设计过程中，光电的函数主要是由波像差、离焦和像移的乘积得到。对于光学遥感中的光电成像系统，在设计的过程中，可以将空间频率设置在左右，在光电系统加工后，其函数应该控制在左右。而系统最终应用的函数应该控制在左右[4]。因此，在光电成像系统的使用过程中，只有设计师根据实际使用要求来进行设计，才可以达到最佳的使用性能。

3 系统的平均传递函数

在光电成像系统中，光学传递函数在线性空间内属于不变的系统，但是探测器取样会不断的发生变化。在系统的使用中，为了满足系统的使用需求，设计师可以采用平均函数的方式来表示空间频率的变化，以便可以更好的对光电成像系统的性能进行优化。在光电成像系统的使用中，随着系统sin函数和cos数值的不断增加，系统的相位值会逐渐缩小，并且逐渐趋于标准理论值。在数据的使用过程中，规定相应的相位等于0.因此，在光电成像系统的设计过程中，设计师应该尽量的减少函数的数值，以便可以保证系统的分辨率。

4 系统的信噪比

在光电成像系统的使用过程中，信噪比是影响系统的重要指标。在信噪比的使用过程中，主要分为红外系统信噪比和光系统信噪比。其分别如公式4和公式5所示。

在公式4中，主要表示红外系统的信噪比，其中F为孔径数，L为地面的辐射亮度。通过公式4，可以较好的对系统的数值进行计算。

在公式5中，Se为信号电子数，Ne为噪声电子数，De为暗信号输出的电子数。在系统的设计中，设计师要根据实际情况来合理的选择信噪比的数值。

结语：光电成像系统的设计关系着其分辨率的大小，继而会影响人们对光电系统的使用性能。希望通过本文的相关介绍，设计师在设计光电成像系统的过程中，可以合理的设计像移、离焦和波像差，以便可以更好的提升光电系统的使用性能。

参考文献：

[1]石涵，都东，苏志宏，等.医用全身正电子发射成像探测系统技术的研发热点和进展[J].生物医学工程学杂志，2015，01(12)：218-224.

[2]张颖，牛燕雄，吕建明，等.星载光电成像系统建模与性能评估[J].激光与光电子学进展，2015，02(13)：148-154.

[3]乔健.舰载光电成像系统探测能力分析[J].光学精密工程，2013，10(10)：2520-2526.

[4]马东玺，张文博，范大鹏.光电跟踪伺服系统的输入多采样率满意控制[J].红外与激光工程，2011，12(12)：2484-2491.

返回英国房价高

你不应该这这问吧

背景

我们生活中遇到的大多数电子器件，通常都是由无机材料例如硅制成，属于无机半导体器件。可是，由于僵硬、易碎、成本高、工艺复杂、生物相容性差等诸多弊端，传统硅基半导体面临着严峻的挑战。此外，硅基半导体的制造工艺也正在逼近物理极限。

因此，世界各国的科学家们正在研制各种新型电子器件来克服这些弊端，进一步提升电子器件的性能，拓展其应用场景。近年来，一种新型电子器件备受科学家们的追捧，它就是由有机半导体材料制成的有机电子器件。有机电子器件不仅具备良好的柔韧性与透明性，而且超薄、超轻、对环境友好。这些材料可通过简单、环保、低成本的工艺进行加工，例如制作成溶液后大面积打印。

这些更加柔韧、轻薄、便携、透明的有机电子产品，可以应用于诸多领域，例如柔性太阳能电池、柔性显示器、柔性传感器、柔性可穿戴设备、植入式设备等。其中，有机发光二极管（OLED）便是一个成功商用的典型案例，最新一代的智能手机已经开始采用OLED显示屏。

创新

今天，笔者要为大家介绍有机电子领域的一项新进展。

近日，日本东京工业大学材料科学与工程系 Tsuyoshi Michinobu 和 Yang Wang 领导的研究团队，报告了一种具有世界领先的电子迁移率性能的单极n型晶体管。他们采用了一种新方法来提升之前被证明很难优化的半导体聚合物电子迁移率。他们的高性能材料实现了达 cm2 V−1 s−1的电子迁移率，相比于之前可比的成果提升了40%以上。

《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表的论文表明，他们专注于提升所谓的“n型半导体聚合物”材料的性能。n型材料以带负电的电子导电为主；相对而言，p型材料以带正电的空穴导电为主。Michinobu 解释道：“因为与带正电的原子团相比，带负电的原子团天生就是不稳定的，所以制造稳定的n型半导体一直是有机电子领域的一个重要挑战。”

技术

然而，这项研究既应对了基本挑战，也满足了实用的需求。Wang 表示，例如，许多有机太阳能电池，就是由p型半导体聚合物和n型富勒烯衍生物制成的。缺点就是，后者成本高，难以合成，不兼容柔性器件。他说：“为了克服这些缺点，高性能的n型半导体聚合物非常有希望能够推进全聚合物太阳能电池方面的研究。”

团队的方法包括采用一系列新型聚合（benzothiadiazole-naphthalenediimide）衍生物，以及微调材料的骨干构象。这种方法可以通过引入“1,2-亚乙烯基桥（vinylene bridges）”来实现。之前的研究表明，这种结构被认为是一种有效的间隔物，而这种间隔物却从来没有在这项研究所关注的聚合物中使用过。它能与相邻的氟原子和氧原子形成氢键。引入这些“1,2-亚乙烯基桥”需要可以优化反应条件的重要技术。

总体来说，生成的材料具有更好的分子包装次序以及更高的强度，这有利于提升电子迁移率。

采用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等技术，研究人员确认他们实现了极短的“π−π堆叠距离（stacking distanc）”，仅为埃米（一埃米为十分之一纳米）。这个距离衡量了在电荷中电荷需要被携带至多远。Michinobu 表示：“对于高迁移率有机半导体聚合物来说，这个距离属于最短的。”

价值

这项成果预示着有机电子将迎来令人振奋的未来，科学家们将开发出创新型的柔性显示器和可穿戴技术。

未来

除此之外，研究人员还面临几项挑战。他说：“我们需要进一步优化骨干结构。同时，侧链基也在决定半导体聚合物的结晶性和包装方向上扮演着重要角色。我们还有改善的空间。”

Wang 指出，对于报告的聚合物来说，最低未占有分子轨道（LUMO）能级在− eV 到 − eV之间。他说：“LUMO能级越深，电子输运就越快越稳定。因此，例如，引入sp2-N、氟原子和氯原子的进一步设计，将有助于实现更深的LUMO能级。”

未来，研究人员们也将打算改善n沟道晶体管的空气稳定性。对于实际应用例如类似互补金属氧化物半导体（CMOS）的逻辑电路、全聚合物太阳能电池、有机光电探测器和有机热电器件来说，空气稳定性是一个非常关键的问题。

参考资料

【1】

【2】

光电检测与光电传感器论文

光电开关是利用被测物体阻挡或反射光束，由同步电路选择电路，从而检测被阻挡物体的存在。所有反射光线的物体都能被探测到。光电开关将输入电流转换为发射器上的光信号并发射出去。然后接收器将根据接收到的光的强度或存在来检测目标物体。大多数光电开关使用红外线，其波长接近可见光。光电开关厂家表示，在各种光电开关分类时采用不同的标准和分类方法，代表不同的属性类别，它们之间有一些分类方法有交叉性，光电开关在选购时将无法通过一种分类方法的简化、融合利用需求进行多层次的对应选择。 1.按检测方法分类一种是光量法，大部分光电开关用于检测物体是否为光量方式，既由光源由物体遮光还是反射，辐射和阴影引起的光线量变化来检测物体是否有。此外，光电开关厂家也引入了三角测距法，光线量容易受到物体表面平整度和粗糙度以及颜色的影响，因此在一些要求较高的场合需要采用距离法检测。激光测量方法是由激光对目标发射一个光信号，然后接受目标反射光信号，光电开关厂家表示，正是通过前后测量光信号计算出目标距离。 2.光源类型分类光电开关厂家表示，目前光源大多采用发光二极管，根据使用目的不同，白炽灯型（可见光）需要白光标志探测器，由于使用寿命和抗震性能都比较少。发光二极管（LED）型（可见光和近红外光）调制方便，寿命长，体积小，消耗少，地震的优点是理想的光源光电开关，光电开关制造商表示可用于各种用途，荧光型（可见光）主要用于光电系统需要长度（图像传感器等）、紫外线（不可见）通过紫外线照射检测物体可见光（荧光整理缺陷、食品中异物等）。气体激光（可见光）光束相对较强，用于探伤系统和条码系统及强光衰减场合，光电开关厂家所说的稳定运行如蒸汽、火焰等场合。光电开关厂家也纠正了一些人的错误，有人认为选购光电开关时只需选择高价产品，但实际上由于其空间环境适应的差异，高价产品将无法充分保证适用性，所以想通过光电开关的基本原理、元件结构和工作范围的任意选择，安装完成后将通过跟踪测量判断光电开关状态

光电传感器：是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。应用：一、烟尘浊度监测仪防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。

电力机车在我国的国民经济和社会发展中起着大动脉的作用，同时对国家经济持续增长和社会安全所起的作用也是其他运输方式所无法替代的。下面是我整理的电力机车新技术论文2500字，希望你能从中得到感悟!

电力机车新型智能真空主断路器的研制

[摘要]针对现有电力机车主断路器的不足，研制一种新型电力机车真空主断路器，以“1+1”方式安装，在某主断路器发生故障时，司机可通过开关切换到另一台主断路器，保证机车不因为主断路器故障而发生机破。

[关键词]“1+1” 电力机车智能真空主断路器

主断路器是用来接通和分断电力机车的高压电路，是机车的电源总开关，同时，当机车发生故障时它又可迅速切断机车总电源以保护其他设备，是机车最主要的保护装置，所以主断路器具有控制和保护的双重功能，其可靠性直接影响机车的安全运行。

目前，电力机车安装的主断路器分空气断路器和真空断路器。由于空气断路器结构复杂、故障率高而不被新型机车采用，但普通真空断路器也存在绝缘强度薄弱等不足，

因此我们于2008年9月立项研制一种电力机车新型真空主断路器，以“1+1”安装方式，即两台主断路器安装在同一底座上，控制装置也相互独立。实现一台机车上有两台主断路器交替工作，避免因单台主断路器发生故障而引起的机破，保证机车安全运行。

1设计思路

两台主断路器、两套装置

目前，电力机车上主断路器只有一台，无论是空气断路器还是真空断路器，在运行中一旦主断路器发生故障，则机车只能停止运行等待救援。因此我们设计增加一台主断路器，当一台主断路器发生故障时可以有另一台替代使用，确保机车正常运行。同时为了不过多地改变机车原有的构造和尺寸，我们设计将两台主断路器放置在同一台底座固定板上，以便于安装。

采用真空灭弧

为提高主断路器的使用寿命和减小主断路器的体积，我们取消原空气断路器的隔离开关，并把灭弧室改用真空灭弧室。真空灭弧的电性能和机械性能高，绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多，同时由于采用真空灭弧，所需的间隙很小，可以实现提高使用寿命和减小体积的设想。

采用永磁机构

为保证主断路器分合闸动作的可靠性，我们将传统的

电空机械装置改成永磁机构，使整个操动机构结构简单可靠、工作寿命长、操作功率小、作用特性与断路器的反力特性很好匹配，且能做到合闸速度较小而分闸速度较高的理想结构。

2结构和原理

“1+1”电力机车智能真空断路器以底座为界，分为高压和低压两部分。高压部分位于机车顶部，由引出线和断路器主体组成。低压部分由永磁机构和智能控制装置组成。永磁机构的运动部件只有一个，具有合闸、分闸两种状态。永磁机构的拉杆带动真空灭弧室作直线运动。

图3新型智能真空主断路器结构示意图

灭弧室单元由长寿命真空灭弧室和复合绝缘材料组成，通过固体绝缘密封技术和连接件组成一体，永磁机构通过连接螺杆直接安装在开关体上，通过控制得电动作，控制连接螺杆上推和下拉。合闸时，连接螺杆上推，压动开关体内绝缘拉杆，带动触头弹簧和传动件，使真空灭弧室动触头闭合，并以恒定压力压紧，使动静触头紧密接触;分闸时，连接螺杆下拉，同样通过开关体内绝缘拉杆和传动件拉开灭弧室动触头，使开关打开。在开关动作的同时，安装在永磁机构上的联锁拨杆同时上下移动，带动直线凸轮，使联锁开关打开或闭合。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ―磁力线分布图;

①―静铁芯;②―动铁芯;③―合闸线圈;④―永久磁铁;⑤―分闸线圈;⑥―导向轴。

永磁机构处于合闸位置，永久磁铁产生的磁力线如图中Ⅰ。这时，下部磁路磁阻远大于上部磁路，动铁芯②保持在合闸位置。分闸时，分闸线圈⑤通电，分闸线圈中的电流产生磁场，其磁力线方向如图中磁力线Ⅱ。分闸线圈在上部工作气隙产生的磁场方向与永久磁铁所产生的磁场方向相反。当分闸线圈中的电流达到某一值时，机构上端的磁力线被抵消殆尽，动铁芯开始在触头簧(或分闸簧)及少量电磁力的作用下向下运动。随着底部气隙的减小，气隙磁阻也逐渐减小，当下部气隙的磁感应强度远远大于上部气隙的磁感应强度时，动铁芯向下将呈加速运动。当动铁芯运动至行程一半后，线圈电流和永久磁铁产生的合成磁场，其方向是向下的，于是，又进一步加速了动铁芯的运动，直到断路器分闸到位。断路器分闸到位后，连锁装置将信号返回控制器，自动切断分闸线圈⑤中的电流，动铁芯保持在分闸位置上。

3各部件的设计

灭弧室的设计

普通真空灭弧室还不能直接应用到电力机车上。因为普通灭弧室的寿命为1万次，而电力机车上断路器分合动作频繁，1万次的寿命使用期限也就一年左右，所以我们采用双断口串联，可提高分断高电压的能力;触头间距为小开距，可极大地提高灭弧室的寿命。为了保证断口同步断开，设计采用特殊的传动机构，使不同步度小于1ms，小于2ms的安全值。另外，我们还采用特殊结构的波纹管，以配合小开距，使灭弧室的寿命>30万次。大量的动态分析试验证明，本文所述的真空断路器的机械寿命达到20万次以上。

我们设计分断最大短路电流为10kA，但灭弧能力为20kA，实际裕度为l倍之多。灭弧室中，动静触头材料选择铬铜合金，截断电流为5A以下，可有效防止操作过电压的发生。

操作机构及传动的设计

在各种条件下都应可靠地分、合闸，是主断路器对操动机构的基本要求之一。目前广泛使用的操动机构有电磁、弹簧、气动、液压电动，但其机械故障率占主断路器总故障的70%左右。为此，我们采用无磨耗件精密型永磁机构，不但保证了主断路器长期动作的可靠性，而且满足主断路器分、合闸及灭弧特性要求。灭弧室需要的闭合力为1000～1200kN，永磁机构闭合力设计为3300kN，足以确保机构的正常动作，传动中的触头弹簧寿命>500万次，机构动作安全可靠。

我们采用钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁体，因为它有高的剩余磁感应强度，Br可以达到(退磁曲线上磁场强度H为零时，相应的磁感应强度，也成为剩磁)以及高的矫顽力，使永磁体很不容易退磁。永磁机构的压力和触头压力相比，留了100%的裕量，以保证足够的安全性。

永磁机构通过电磁机构和永磁铁的特殊结合实现传统机构的功能，电磁线圈和磁路为静止机构，只要设计合理，没有外力破坏，一般它不会损坏。大量试验证明，只要选材合理，精心设计，永磁机构本身机械寿命可以达到100万次以上。

永久磁铁与分、合闸线圈相配合，较好地解决了合闸时需要大功率能量的问题，因为永久磁铁可以提供磁场能量，作为合闸之用。永磁机构工作时，只需瞬时供电，一般小于60ms，在分、合闸状态时，线圈没有电流通过，保持力由永磁铁提供，不再消耗能量。这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。因此，永磁操动机构可以做到真正意义上的免维修、少维护、长寿命。

绝缘设计

高压开关的绝缘设计至关重要。由于车顶空间的限制，绝缘距离不能很大。电瓷绝缘材料绝缘优良、价格便宜，但联接须采用金属连接件，体大物重，不耐碰撞，内外温差大时容易开裂。根据电力机车上的使用环境条件，我们选用粘接力强，机械强度高，有较高的耐寒、耐热、耐化学稳定性的APG工艺复合绝缘材料，双断口上进上出，在空气湿度100%饱和情况下，空气间绝缘距离>400mm，电压等级，外爬距、内爬距，对地耐压80kV/lmin，断口间耐压85kV/lmin。APG工艺复合绝缘材料与水不亲和，可防止因雨水绝缘放电，从而有效地防止瓷瓶放电事故的发生。

智能控制器及联锁设计

永磁操动机构必须在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器。

系统组成的原理

智能控制器主要由5部分组成：电源模块、输入模块、输出模块、CPLD智能控制模块、驱动模块。我们采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为智能控制部件，借助于计算机，在EDA工具软件quartus II平台上，以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段，自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为硬件电路不管受到什么干扰，其电路结构不会发生变化。采用EDA技术的全硬件实现方式，由于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性，从而确保了从非法状态恢复到正常状态的各种措施的可行性。

可靠性设计

电磁兼容性设计

永磁操动机构在运行中由于开关大电流而产生很大的电磁干扰，永久磁铁和线圈均会产生很大的磁场干扰，另外，开通和关断过程中，电容充放电亦会产生幅值很大的脉冲电压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到控制器自身，所以抗干扰问题对于控制器来说非常重要。我们在设计中采取的措施主要有：①电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过电源线的传导干扰;②专用芯片通过光电电路完全与外部I/O部分隔离，以保证专用芯片安全运行;③模拟电路滤波和专用芯片数字滤波同时使用，确保不会发生误动的情况;④电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰。

电力电子电路的可靠性设计

电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态dv/dt，加之工作电流很大，使器件有可能同时受到大电流、高电压和寄生电容中的位移电流的作用，所以确保这部分电路稳定可靠的工作亦很关键。

①在设计中使用抗冲击能力强、dv/dt性能好的IR公司生产的IGBT和IGBT控制芯片;

②精心设计电路参数,反复测试，保证输出波形好;

③精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作;

④过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行;

⑤为防止长时间通电，采用的控制算法是：正常时采用最短时间与开关位置信号控制，在位置信号失效时采用最长时间控制。

智能自诊断、自检测设计

控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进入非法状态而对系统造成影响，确保在运行中不会出现死机现象，即确保控制器永远保持在运行状态。

零位断合

利用电子操控计算机的多余功能和精密性永磁结构优势，设计零电流打开和零电压闭合的智能控制技术，即适时采样，计算发令，自适应修正等，使断合点在零位正负2ms以内。经模拟试验表明，该项技术达到了预期效果，较好地抑制了过电压的产生。

传动关节点的固体润滑技术

为了使断路器实现其真正意义上的少维护、不检修，甚至不维护，断路器的几个转动关节，采用了二硫化铝加石墨的固体润滑技术，寿命试验的结果基本达到了预期的目标。

4主要技术指标

工作电压：AC25kV;最大工作电压：AC30kV;

工作电流：ACl000A;最大工作电流：AC1250A;

工作频率：50Hz;

额定短路开断电流：ACl0kA;

额定峰恒耐受电流：;

最大开断电流：AC20kA;

控制器工作电压：DC110V;

开关动作反应时间：≤20ms;

开关动作时间：≤50ms;

开关动作控制器永磁机构通电时间：≤25ms。

5执行标准

TB/(机车车辆电气设备、第四部分，电工器件交流断路器规则)

TB/T2055-1999(机车真空断路器技术条件)

TB/T3021-2001(铁道机车车辆电子装置)

GB/(电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验)

6主要技术特点

①采用先进的复合绝缘材料，具有抗老化、防紫外线、高强度及优良的电气绝缘性能;

②断路器主体采用先进的APGP注射成型工艺加工技术;

③专门研制的长寿命的真空灭弧室;

④国家专利技术的永磁操动机构;

⑤开关内部结构简洁、稳定性好;

⑥可靠性高;

⑦与机车原有主断路器有互换性。

7结束语

“1+1”电力机车智能真空主断路器于2009年5月19日在福州机务段的SS3B4045机车上安装试用，运用至今仅出现过一次真空断路器控制预备中间继电器联锁线断，导致继电器不得电，机车无压无流。但正因为这种断路器有两台断路器，运行中司机通过切换，启用另一台断路器，照常运行，回段处理，不造成机破。这也正体现了这种断路器的优越性。

浅析电力机车空转原因及处理

[摘要]本文通过对电力机车空转故障分类、故障原因、故障判断检测以及故障处理方法进行分析，为保证机车运行安全，确保铁路提速和重载牵引能够顺利进行提供一定的理论依据。

[关键词]电力机车空转故障处理方法

中图分类号：U269 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2016)07-0330-01

铁路在我国的国民经济和社会发展中起着大动脉的作用，同时对国家经济持续增长和社会安全所起的作用也是其他运输方式所无法替代的。随着机车运行速度的提高和牵引定数的增加，机车出现空转故障的几率越来越大，对机车安全运行的影响也越来越明显，因此，完善机车控制系统和提高乘务员操作水平，防止机车空转故障的发生，是保证机车运行安全，确保铁路提速和重载牵引能够顺利进行的关键所在。

1.电力机车空转现象及防空转系统

空转故障分类

轮对产生的轮周牵引力大于轮轨间的黏着力时车轮就会发生空转。根据机车实际运用中空转故障发生的情况，机车空转故障分两类：一是非正常空转，即大空转或真空转，恶化后会导致轮轨擦伤：二是正常空转，即假空转，及时采取人工补砂的措施会有明显的效果。

防空转系统

电力机车电子柜或微机柜均设置了微机防空转系统，该系统是以提高黏着利用率及防止大空转为主，允许一定程度的微小空转。当轮对空转趋势达到一定程度，就将相应的电机电流高速大幅度削减，可使空转很快得到抑制，然后再以一定规律恢复牵引电流。

2.电力机车空转故障的原因分析

正常空转的原因

(1)机车转向架到司机室端子排的光电传感器接线断路或绝缘破损，引起速度信号异常，导致假空转。

(2)光电传感器故障引起假空转。电力机车上目前使用的光电传感器大部分是TQG15B型传感器，当传感器芯片烧损或绝缘破损、传感器引出线绝缘破损，线路断路、短路或接触不良等，瞬间无速度信号输出或速度信号受干扰，都会引起假空转。

(3)光电传感器接线盒进水，引起线路接地或短路将导致假空转。

(4)电子插件故障。防空转系统电子元件超出使用寿命期限，造成插件程序故障。

非正常空转的原因

(1)电力机车轮缘喷油装置喷油量太大、线路道岔油润过多等也会引起机车真空转，伴随空转灯亮、撒砂、减载等。这种情况下，机车检修部门应适当调节轮缘喷脂装置的喷油量或改为干式轮缘润滑装置，防止真空转。

(2)司机操作不当。电力机车在运行中，司机操作不当，手柄指令过高，容易发生真空转。因此，机车在雨天或坡道上起车或行驶时，指令不应一次给得太高，当速度起来后再继续追加电流。当发生真空转或滑行时，司机应适当降低手柄级位，待速度起来后再追加电流，抑制真空转发生。

3.电力机车空转故障判断及检测方法

一般故障的显示

机车在运行中遇到启车加速、持续大坡道大电流运行、过岔区、曲线运行、轨面有油、冰、雨、雪天气经常会发生空转、滑行或电流电压波动等现象，机车乘务员可采取人工补砂的措施。发生大空转时，空转灯亮、自动撒砂、电流电压波动频繁，而且电流电压波动弧度大。发生小空转时有时空转灯不亮、不下砂，只是电流电压在小范围内波动。这种情况下，机车乘务员只需切除电子柜上方或微机防空转上的“空转保护”开关即可或将电子柜倒B组维持运行即可让防空转系统正常保护动作。

机车进行库内检测

机车在运行中发生空转故障回段报修时，可利用光电传感器动态检测仪。光电传感器动态检测仪简单来说是一个在机车静止的状态下，能给光电传感器提供均匀的速度信号，并且能实时观察速度及频率大小、变化情况，速度信号输出波形的检测设备。利用该设备，可以在库内对机车光电传感器及相关线路进行检测，可以较准确地判断出造成空转故障的故障点，并在库内做相应的处理，大大提高了处理空转故障的效率，同时减少了机车试运行，减少了检修或技术人员跟车处理的次数，节约了人力资源，提高了机车的运用效率。在库内进行检测无结果的就要跟车用便携式示波器进行动态检测。

跟车进行动态检测

由于机车在运行中产生剧烈振动，使空转保护系统某些线路瞬间接触不良，引起速度信号丢失，从而造成空转，这种情况是极少数的。这类故障在库内机车静止的情况下是很难检测到故障点，因此，必须派人跟车使用携式示波器进行动态检测，另外也可用示波器检测。

4. 空转故障的处理方法

运行中对空转故障的处理

(1)如果是正常空转，乘务员只需及时采取人工补砂的措施就会有明显的效果。

(2)机车电流、速度大于某值，空转、撒砂不止，电流卸载不能恢复，可能是某一速度传感器发生故障，乘务员可根据防空转系统自动查找出故障传感器，自动切除该位置速度传感器，并在插件面板上显示，然后可正常操作机车运行，回段后向检修人员报修。

(3)微机防空转插件板故障可能使电机电流达到某一值而卸载，机车并没有发生空转就发出减载指令，牵引时无恒速控制。此类故障乘务员可通过将防空转故障开关转到故障位运行来判断，如果正常，就可判断为防空转系统故障，回段后报修。

回段对空转故障的处理

(1)机车回段后，检修人员对报空转故障的机车要详细了解运行中的情况，例如空转发生区段的自然状况，乘务员是否采取自诊断功能，是否切除防空转功能等。

(2) 光电传感器信号线故障的检测及处理

若在司机室端子上检测到某轴位传感器信号不良，而光电传感器下车检测又正常的情况下，可以判定为该位传感器的信号线故障。表现在线路断路、短路、接地。可以通过数字万用表进行检测线路的通断，用250V兆欧表检测其线路绝缘状态。确定线路不良时，必须进行换线才能彻底处理。换线时应注意不要损伤插头及线，接线时应按照接线表对应接线，防止接错线。

(3)光电传感器故障的检测及处理

电力机车光电传感器可以通过车下检测设备进行检测，确定传感器故障后，则可更换光电传感器。光电传感器在安装上车时，传感器与轴箱之间要加防水胶垫，同时传感器引出线应斜向下，防止进水，同时要避免引出线过度弯曲。光电传感器接线插头与接线盒插接应牢固，用绝缘粘胶带包扎好，防止进水。

总而言之，能够根据电力机车空转的具体情况，对机车产生空转故障的原因进行正确综合的分析，并提出故障处理方法，可减少因空转引起的机车故障及行车事故发生率，提高机车的运用效率，确保机车运行的安全性。

参考文献：

[1] 王迁.浅谈电力机车的空转故障[J].机车电传动，2009(6)：60-61.

毕业论文石墨烯硅光电探测器

来自日本，俄罗斯，意大利和英国的一组国际研究人员开发出一种新型基于石墨烯的太赫兹探测器。由双层石墨烯制成的晶体管沟道夹在两个六方氮化硼晶体之间。将该结构置于氧化硅衬底上（以灰色显示）。太赫兹天线的两个套管连接在源极和顶部栅极之间，即左侧和顶部电极以金色显示。在源极和漏极端子 - 右侧和左侧电极之间读取信号电压。任何用于无线数据传输的系统通常都依赖于电磁波探测器和信号源; 然而，它们不适用于各种波浪。现有的太赫兹辐射源需要强冷却或消耗大量功率。太赫兹辐射通常占据红外光和微波之间的中心地面。然而，T波可能通过射电望远镜研究空间物体，允许更快的Wi-Fi，并促进医学诊断的创新技术。现有的太赫兹探测器是低效的，因为晶体管的尺寸（大约百万分之一米的探测元件）与太赫兹辐射的标准波长之间的不匹配是大约100倍。这导致波在没有相互作用的情况下滑过探测器。在1996年，有人建议通过将入射波的能量压缩到与探测器大小相似的体积来解决这个问题。因此，为此目的，探测器材料必须能够支持独特类型的“紧凑波”，称为等离子体。它们表示传导电子和相关电磁场的组合运动，类似于风暴进入时随风一起移动的表面海浪。理论上，在波共振下，这种探测器的效率进一步提高。然而，与预期相反，事实证明实施这种探测器相当困难。在大多数半导体材料中，等离子体激发器经历快速阻尼 - 换句话说，它们会因为与杂质的电子碰撞而消失。石墨烯被视为潜在的替代品; 然而，直到最近，这也不够干净。该研究的作者提出了一个解决方案，解决与检测共振T波有关的普遍存在的问题。他们最终开发出一种光电探测器，由双层石墨烯组成，封装在氮化硼晶体中，并附着在太赫兹天线上。在这种夹层布置中，杂质被迫到石墨烯薄片的外部，允许等离子体以自由的方式传播。受金属引线的限制，石墨烯片形成等离子体共振器，石墨烯的双层结构使得可以在宽范围内调节波速。实际上，物理学家已经创造了一种紧凑的太赫兹光谱仪，其尺寸仅为几微米，其谐振频率通过电压调谐来调节。该团队还证明了探测器可能用于重要的研究：通过在许多电子密度和频率下确定探测器的电流，可以暴露等离子体的特性。

纳米材料3D结构石墨烯和量子点的光电探测器芯片

多年来，仅一或几个原子厚的二维纳米材料就在材料科学界风靡一时。以石墨烯为例。这种单层的碳原子产生的材料比钢强数百倍，具有高导电性和超柔韧性。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授Oscar Vazquez-Mena正在将这些类型的材料推向新的高度。他的研究专注于将不同的纳米级材料以3D形式集成在一起，以创建用于环境监测，能量收集和生物医学应用的全新设备。Vazquez-Mena最近因国家研究基金会的一个此类项目而获得了为期五年，50万美元的职业奖。

该项目涉及将石墨烯与被称为量子点的半导体纳米粒子相结合，以创建能够"看到"人眼不可见的各种不同波长的光（例如红外和紫外线）的设备。这些被称为多光谱光电探测器的设备可以使相机拍摄感染，有毒气体和有害辐射的照片。检查食品质量或污染；并监测空气和水的质量。他们还可以在夜间和有雾的时候帮助视力。

集成石墨烯和量子点的芯片。

Vazquez-Mena的方法将使这些设备超薄。他说："由于我们正在使用纳米材料，因此原则上我们可以设计非常薄的光电探测器，其厚度约为1微米，可以很容易地集成到智能手机和其他移动设备中，以便在实验室外方便地部署。"

用超声波对大脑成像

在另一个项目中，巴斯克斯-梅纳（Vazquez-Mena）正在堆叠纳米结构以构建3D阵列，该阵列可以使超声波穿过头骨并对人脑进行非侵入式成像和刺激。这样的技术将对治疗脑部疾病和创伤很有用，而无需打开颅骨或将电线和植入物插入大脑。它还可以使医生迅速诊断出患者的脑部创伤，而不必执行昂贵的MRI扫描。

要使超声波穿过颅骨并进入大脑并非易事。人类的头颅骨相对较厚且密集，因此它可以反射或吸收超声波，然后才能将其送入大脑。

为了克服这个障碍，Vazquez-Mena正在设计一种特殊的材料，称为超材料，该材料由纳米结构组成，可以抵消头骨产生的反射，并从根本上重定向超声波穿过头骨。该超材料由氮化硅和微尺度声腔的纳米薄膜。两个组件以3D阵列的形式排列在一起，可使材料以常规材料无法完成的方式操纵声波。

Vazquez-Mena说："这是基于纳米材料构建3D结构的另一个例子，该结构可实现令人兴奋的新特性。"

导读

背景

光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术，具有丰富的内涵和广阔的应用前景。如果你使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑，那么就有望从光子学的研究中获益。

创新

近日，美国特拉华大学电气与计算机工程系助理教授 Tingyi Gu 领导的一支团队正在开发光子器件方面的前沿技术，该技术可以使得器件之间以及使用者之间的通信速度更快。

最近，该研究小组设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可携带更多信息，而且速度也更快。他们的研究近期发表在《美国化学会应用电子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

论文第一作者、研究生 Dun Mao 表示：“在这项研究中，我们仔细研究了用于未来光电子应用的集成石墨烯的硅光子器件的带宽限制。”

技术

硅是大自然产生的一种非常富足的材料，通常作为电子器件中的半导体使用。然而，研究人员们已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜能。这些设备受制于硅的载流子迁移率（电荷通过材料的速度）以及间接带隙（限制了释放和吸收光线的能力）。

现在，Gu 的团队将硅与一种具有更多有益特性的材料（二维材料石墨烯）相结合。二维材料以只有一层原子而得名。与硅相比，石墨烯具有更好的载流子迁移率以及直接带隙，使得电子传输得更快，并且电气和光学特性更好。通过将硅与石墨烯相结合，科学家们将可以继续利用已经在硅器件中使用的技术，硅与石墨烯的结合使运行速度变得更快。博士生 Thomas Kananen 表示：“通过研究材料的特性，我们能否比现在做更多的事情？这就是我们想要搞清楚的。”

为了将硅与石墨烯相结合，团队采用了一种他们正在开发的方法。一篇发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文描述了这种方法。团队将石墨烯放置到一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的一种接口。通过将石墨烯放置在“p-i-n 结”上，团队以一种可以提升响应率和器件速度的方法优化了这个结构。

这个方法很健壮，而且便于其他研究人员采用。这一工艺产生在12英寸的超薄材料晶圆上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商业制造厂生产。其他的工作在特拉华大学的纳米制造设施进行，材料科学与工程系副教授 Matt Doty 是该设施的主任。

Doty 表示：“特拉华大学纳米制造设施（UNDF）是一个员工支持的工厂，它使用户可在7纳米的长度级别制造设备，约为人类发丝直径的万分之一。UNDF成立于2016年，为从光电子学到生物医学再到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合之后，可作为光电探测器使用，可以感知光线，并制造电流，并且比现有方案的带宽更大和响应时间更少。所有这些研究意味着未来将带来更便宜、更快速的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文第一作者 Tiantian Li 表示：“它可以使得网络更强、更好、更便宜。这是光子学的关键点。”

现在，团队正在思考拓展这种材料的应用途径。Gu 表示：“我们正在寻找更多的基于类似结构的元件。”

关键字

参考资料

【1】

【2】Dun Mao, Thomas Kananen, Tiantian Li, Anishkumar Soman, Jeffrey Sinsky, Nicholas Petrone, James Hone, Po Dong, Tingyi Gu. Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics. ACS Applied Electronic Materials, 2019; 1 (2): 172 DOI:

光电传感器的检测论文

传感器传感器在生活中的应用之十大实例及应用：1. 楼梯走道：电灯的触摸开关。功能：使在人手或是其他的导电物体的接触下方能通电（这是我自己想的，不知事实是否如此。），此举为节约能源做出巨大贡献。2. 电饭锅：功能：到达沸腾温度（居里点）即停止加热。在某种材料的硬件支持下，使得具有这种功能，才使得人类做出伟大的进步！3. 电子天平：功能：无需复杂操作，就能很快称出物体的质量，而且一般来说很精确。这是因为在电子称下安装压力传感器再加上一些电子系统，使得能又快又好的称出质量，一切都得益于传感器的发展。4. 电子温度计：功能：简单快捷精确测量人体体温。在电子温度计内部加入红外传感器，由于人体在不同温度下发射红外线的强度等因素皆有不同，利用此特点即可使用红外传感器。5. mp4上的触摸键：功能：无需原来的机械按压，即可进行操作，使机身的寿命更长久，尤其是“按键”更是长久！原理暂时还不是很清楚，不过可想而知应该是传感器的功劳！6. 手机的触摸屏：功能：分好几种，有的是点触摸，有的是面触摸，不尽相同，不过原理应该是差不多，只是硬件材料上的支持有所不同，所以出现不同的操作方式，不过说回来还是传感器在发挥作用。7. 电熨斗：功能：熨烫衣物，使衣物保持整洁。不过在加热中有一个问题需要解决，那就是加热温度的问题，所以另一种温度传感器应运而生，在达到一定温度时，就会出现断电使温度保持在一定的范围内，此举与电饭锅有异曲同工之妙！8. 汽车称重：功能：在渡口为汽车称重，既是用上此种传感器，压力传感器使得即使是很重的物体也能在短时间内准确称出，此为大型的压力应变片的应用。9. 自动门：功能：在一些重要场合就会有自动门的身影，当人靠近时就会自动根据情况开关门。这些门上应该是会安装上人体传感器，当有人靠近时，就会有情况发生，所以会自动开门，当然这也是结合了若干电子系统的成果。10. 厕所小便池：功能：当人靠近时就会现有一股水流出现，当人离开时就会第二次冲水，此举为厕所的节水以及洁净做出了巨大贡献，应该是结合光电传感器以及电子系统的成果。综上：我们可以发现，每一种先进元件在进行应用时，都应该要结合以电子系统，才能发挥作用。

生物传感器的研究现状及应用摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。中图分类号：文献标识码：a 文章编号：1006-883x(2002)10-0001-06一、引言从1962年，clark和lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（pcr）的发展，应用pcr的dna生物传感器也越来越多。二、研究现状及主要应用领域 1、发酵工业各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。(1). 原材料及代谢产物的测定微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（psoudomonas fluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（trichosporon brassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。此外，还有用大肠杆菌（）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌―胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。(2). 微生物细胞总数的测定在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。(3). 代谢试验的鉴定传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。2、环境监测(1). 生化需氧量的测定生化需氧量（biochemical oxygen demand ?bod）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的bod测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种spt1和spt2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量bod，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中bod的测定，其测量最小值可达2 mg/l，所用时间为5min[3]。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中bod的测定提供了快捷简便的方法[4]。除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的bod值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°c，ph=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（fe3+、cu2+、mn2+、cr3+、zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水bod的测定，并且获得了较好的结果[4]。现在有一种将bod生物传感器经过光处理（即以tio2作为半导体，用6 w灯照射约4min）后，灵敏度大大提高，很适用于河水中较低bod的测量[5]。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的bod值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌（pseudomonas fluorescens）用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4℃下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中[5]。(2). 各种污染物的测定常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(nox-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的nox-进行了测量，其效果较好[6]。硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在ph=、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是，与氢电极连接构成[7]。最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5 ´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：ph=、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（pseudomonas rathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸gf/a，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶g，与自动系统cl-fia台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°c下可以使用两周以上，重复性高[12]。最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenol etoxylate --np-80e）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（trichosporum grablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围内，电信号与np-80e浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌（vibrio fischeri）体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌（alcaligenes eutrophus (ae1239)）中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1´10-9mol[14]。还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母（saccharomyces cerevisiae）重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母cup1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacz基因的融合体。其工作原理，首先是cup1启动子被cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进行测量。如果cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围()´10-3mol范围内测定cuso4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60~100min[15][16]。用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌alcaligenes cutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其结果令人满意[17]。估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌（ cyanobacterium spirlina subsalsa）和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物（重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂）的不同浓度进行了测定，均可监测到它们的有毒反应，重复性和再生性都很高[18]。近来由于聚合酶链式反应技术（pcr）的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用pcr技术的dna压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金表面的石英晶体上，用1´10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体表面进行。用细菌中提取的dna样品进行同样的杂交反应并由pcr放大，产物为气单胞菌属（aeromonas hydrophila）的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因，这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能[19]。还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质，目前已经能够测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的psp毒素[20]。dna传感器也在迅速的得到应用，目前有一种小型化dna生物传感器，能将dna识别信号转换为电信号，用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改进核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性，并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法，目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化[21]。微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000 ´10-6g/l[22]。一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器―对ph敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶―尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。三、讨论与展望美国的harold 指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。--------------------------------------------------------------------------------参考文献[1]韩树波，郭光美，李新等.伏安型细菌总数生物传感器的研究与应用[j].华夏医学，2000，63（2）：49-52 [2]蔡豪斌.微生物活细胞检测生物传感器的研究[j]. 华夏医学，2000，13（3）：252-256[3] trosok sp, driscoll bt, luong jht mediated microbial biosensor using a novel yeast strain for wastewater bod measurement[j]. applied micreobiology and biotechnology，2001， 56 (3-4): 550-554 [4] 张悦,王建龙，李花子等.生物传感器快速测定bod在海洋监测中的应用[j].海洋环境科学，2001，20(1)：50-54[5] yoshida n, mcniven sj, yoshida a, compact optical system for multi-determination of biochemical oxygen demand using disposable strips[j]. field analytical chemistry and technology，2001，5 (5): 222-227[6] meyer rl, kjaer t, revsbech np. use of nox- microsensors to estimate the activity of sediment nitrification and nox- consumption along an estuarine salinity, nitrate, and light gradient[j]. aquatic microbial ecology, 2001，26 (2): 181-193[7]王晓辉，白志辉，孙裕生等.硫化物微生物传感器的研制与应用[j]. 分析试验室，2000，19（3）：83-86[8] alexander d c,costanzo m a, guzzo j, cai j, towards the next millennium: luciferase fusions to identify genes responsive to environmental stress[j].water, air and soil pollution, 2000，123(1-4):81-94[9] makarenko aa, bezverbnaya ip, kosheleva ia,etc. development of biosensors for phenol determination from bacteria found in petroleum fields of west siberia[j].applied biochemistry and microbiology, 2002，38 (1): 23-27[10]semenchuk in, taranova la, kalenyuk aa,etc. effect of various methods of immobilization on the stability of a microbial biosensor for surfactants based on pseudomonas rathonis t[j]. applied biochemistry and microbiology, 2000， 36 (1): 69-72[11]yamazaki t, meng z, mosbach k,etc. a novel amperometric sensor for organophosphotriester insecticides detection employing catalytic polymer mimicking phosphotriesterase catalytic center[j]. electrochemistry，2001，69 (12): 969-97[12] nakamura h. phosphate ion determination in water for drinking using biosensors[j]. bunseki kagaku，2001，50 (8): 581-582[13] a, lucaciu i, fleschin s, magearu v. microbial biosensor for nonyl-phenol etoxylate (np-80e) [j].south african jounal of chemistry-suid-afrikaanse tydskrif vir chemie , 2000，53 (1): 14-17[14] leth s, maltoni s, simkus r,etc. engineered bacteria based biosensors for monitoring bioavailable heavy metal[j].electroanalysis, 2002，14 (1): 35-42 [15] lehmann m, riedel k, adler k,etc. amperometric measurement of copper ions with a deputy substrate using a novel saccharomyces cerevisiae sensor[j]. biosensors and bioelectronics, 2000， 15 (3-4): 211-219[16] riether kb, dollard ma, billard p. assessment of heavy metal bioavailability using escherichia coli zntap lux and copap lux-based biosensors[j]. applied microbiology and biotechnology，2001，57 (5-6): 712-716[17] karlen c, wallinder io, heijerick d, etc. runoff rates and ecotoxicity of zinc induced by atmospheric corrosion[j]. science of the total environment，2001，277 (1-3): 169-180[18] campanella l,cubadda f,sammartino m p, algal biosensor for the monitoring of water toxicity in estuarine enviraonments[j].wate research, 2001,35(1):69-76[19] tombelli sara,mascini marco,soca cristiana, dna piezoelectric biosensor assay coupled with a polyerase chain reaction for bacterial toxicity determination in environmental samples[j]. analytica chimica acta,2000,418(1):1-9[20] lee hae-ok,cheun byeung soo,yoo jong su, of a channel biosensor for toxicity measurements in cultured alexandrium tamarense[j]. journal of natural toxins,2000, 9(4):341-348[21] wang, dna biosensor for detecting cryptosporidium in water samples. technical . comletion-311, 2000(3), 26p [22]nakamura c, kobayashi t, miyake m,etc. usage of a dna aptamer as a ligand targeting microcystin[j]. molecular crystals and liquid crystals, 2001, 371: 369-374 [23]arkhypova vn, dzyadevych sv, soldatkin ap, etc. multibiosensor based on enzyme inhibition analysis for determination of different toxic substances[j]. talanta,2001, 55 (5): 919-927the recent research and application of biosensorabstract: in this article, the recent research progress and application of biosensors ,especially the micro- biosensors, are reviewed, and the prospect of biosensors development is also prognosticated. biosensors are made up of bioelectrode , using immobile organism as sensitive material for molecule recognition, together with oxygen-electrode, membrane -eletrode and fuel-electrode. biosensors are broadly used in zymosis industry, environment monitor, food monitor and clinic medicine. fast, accurate, facilitate as biosensors is,there will be an excellent prospect for biosensors in the marketkeywords:biosensor, zymosis -industry, environment-monitor作者简介：何星月：中国科学技术大学生命科学院，合肥230027刘之景，中国科学技术大学天文与应用物理系教授，合肥230026电话：0551―3601895

参考下：进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。但目前，在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下。在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会“皱起眉头”！例如在上面提到纺织印染行业，食品行业，耐高温材料行业等，都需要在高温情况下测量湿度。一般情况下，印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120摄氏度或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80-200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200摄氏度以上。在这些情况下，普通的湿度传感器是很难测量的。高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T＝5℃时为，在T＝20℃时为。有机物ε与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势，某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为一。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。国外厂家比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温，湿度滞后，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是此类湿敏传感器迫切解决的问题。当前在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域，其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆，以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高，产品性能不断得到改善，氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中，经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。在国内九纯健科技依托于国家计量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位从事温湿度传感器产品的研制、生产。选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。产品选用了Al2O3及SiO2陶瓷基片为衬底，基片面积大大缩小，采用特殊的工艺处理，耐湿性和粘覆性均大大提高。使用烧结工艺，在衬底集片上烧结5个9的工业纯金制成的梳妆电极，氯化锂感湿混合液使用新产品添加剂和固有成份混合经过特殊的老化和涂覆工艺后，湿敏基片的使用寿命和长期稳定性大大提高，特别是耐温性达到了-40℃-120℃，以多片湿敏元件组合的独特工艺，是传感器感湿范围为1%RH-98%RH，具备了15%RH范围以下的测量性能，漂移曲线和感湿曲线均实现了较好的线性化水平，使湿度补偿得以方便实施并较容易地保证了宽温区的测湿精度。采用循环降温装置封闭系统，先对对被测气体采样，然后降温检测并确保绝对湿度的恒定，使探头耐温范围提高到600℃左右，大大增强了高温下测湿的功能。成功解决了“高温湿度测量”这一湿度测量领域难题。现在，不采用任何装置直接测量150度以内环境中的湿度的分体式高温型温湿度传感器JCJ200W已成功应用在木材烘干，高低温试验箱等系统中。同时，JCJ200Y产品能耐温高达600度，也已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统、特殊陶瓷材料的自动烘干系统、出口大型烘干机械等方面，并表现出良好的效果,为国内自动化控制域填补了高温湿度测量的空白，为我国工业化进程奠定了一定基础。传感器论文：低温下压阻式压力传感器性能的实验研究 Experimental Study On Performance Of Pressure Transducer At Low Temperature .... 灌区水位测量记录设备及安装技术摘要：水位测量施测简单直观，易于为广大用水户所接受而且便于自动观测，因而在灌区水量计量乃至在整个灌区信息化建设中都占有十分重要的地位。目前我国灌区中水位监测采用的传感器依据输出量的不同主要分为模拟传感.... 主成分分析在空调系统传感器故障检测与诊断中的应用研究摘要本文阐述了用主成分分析法进行系统测量数据建模和传感器故障检测、故障诊断、故障重构及确定最优主成分数的原理。用主成分分析法对空调监测系统中的四类传感器故障进行检测方法。结果表明：主成.... 透光脉动传感器的影响因素研究摘要：通过试验研究和总结生产应用经验，对透光脉动传感器的影响因素进行了分析，并提出了其最优工作参数。光源宜选择波长为860nm的激光二极管；传感器的管径根据使用目的确定，试验研究一般选用1~3mm，生.... 生物传感器的研究现状及应用摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料.... 方向盘转角传感器接口汽车环境对电子产品而言是非常苛刻的：任何连接到12V电源上的电路都必须工作在9V至16V的标称电压范围内，其它需要迫切应对的问题包括负载突降、冷车发动、电池反向、双电池助推、尖峰信号、噪声和极宽的温度.... 用于电容传感器接口的模拟前端元件因为采用了传统机械开关,用户使用电容传感器接口的方式直接与各种工作条件下(可靠性)接触传感器的响应度(员敏度)梧关。本文将介绍一些通用电容传感器模拟前端测量方法灵敏度电容传感器的灵敏度是由其物理结.... 智能传感器与现代汽车电子现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器。一、汽车电子操控和安全系统谈起近几年来我国汽车工业增长迅速，发展.... 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本文简要介绍其工作原理，产品特性及其典型应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。一霍尔器件的工作原理在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示：这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH 其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。二霍尔传感器的应用 1 霍尔接近传感器和接近开关在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关图2 霍尔接近传感器的功能框图霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。霍尔翼片开关霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。（1）相位精度高，可满足°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。（2）可满足度曲轴角的熄火检测要求。（3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器 2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式图5 旋转传感器磁体设置由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。图6 霍尔流量计由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。图7 霍尔车速表的框图图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路图9 多霍尔探头大电流传感器图10霍尔钳形数字电流表线路示意图图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器图13霍尔电度表功能框图图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性三小结目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。

激光探测器论文的参考文献

高分辨率光学显微术在生命科学中的应用【摘要】提高光学显微镜分辨率的研究主要集中在两个方面进行，一是利用经典方法提高各种条件下的空间分辨率，如用于厚样品研究的SPIM技术，用于快速测量的SHG技术以及用于活细胞研究的MPM技术等。二是将最新的非线性技术与高数值孔径测量技术（如STED和SSIM技术）相结合。生物科学研究离不开超高分辨率显微术的技术支撑，人们迫切需要更新显微术来适应时代发展的要求。近年来研究表明，光学显微镜的分辨率已经成功突破200nm横向分辨率和400nm轴向分辨率的衍射极限。高分辨率乃至超高分辨率光学显微术的发展不仅在于技术本身的进步，而且它将会极大促进生物样品的研究，为亚细胞级和分子水平的研究提供新的手段。【关键词】光学显微镜；高分辨率；非线性技术；纳米水平在生物学发展的历程中显微镜技术的作用至关重要，尤其是早期显微术领域的某些重要发现，直接促成了细胞生物学及其相关学科的突破性发展。对固定样品和活体样品的生物结构和过程的观察，使得光学显微镜成为绝大多数生命科学研究的必备仪器。随着生命科学的研究由整个物种发展到分子水平，显微镜的空间分辨率及鉴别精微细节的能力已经成为一个非常关键的技术问题。光学显微镜的发展史就是人类不断挑战分辨率极限的历史。在400～760nm的可见光范围内，显微镜的分辨极限大约是光波的半个波长，约为200nm，而最新取得的研究成果所能达到的极限值为20～30nm。本文主要从高分辨率三维显微术和高分辨率表面显微术两个方面，综述高分辨率光学显微镜的各种技术原理以及近年来在突破光的衍射极限方面所取得的研究进展。1 传统光学显微镜的分辨率光学显微镜图像的大小主要取决于光线的波长和显微镜物镜的有限尺寸。类似点源的物体在像空间的亮度分布称为光学系统的点扩散函数(point spread function, PSF)。因为光学系统的特点和发射光的性质决定了光学显微镜不是真正意义上的线性移不变系统，所以PSF通常在垂直于光轴的x-y平面上呈径向对称分布，但沿z光轴方向具有明显的扩展。由Rayleigh判据可知，两点间能够分辨的最小间距大约等于PSF的宽度。根据Rayleigh判据，传统光学显微镜的分辨率极限由以下公式表示[1]：横向分辨率(x-y平面)：dx，y=■轴向分辨率(沿z光轴)：dz=■可见，光学显微镜分辨率的提高受到光波波长λ和显微镜的数值孔径等因素的制约；PSF越窄，光学成像系统的分辨率就越高。为提高分辨率，可通过以下两个途径：（1）选择更短的波长；（2）为提高数值孔径, 用折射率很高的材料。Rayleigh判据是建立在传播波的假设上的，若能够探测非辐射场，就有可能突破Rayleigh判据关于衍射壁垒的限制。2 高分辨率三维显微术在提高光学显微镜分辨率的研究中，显微镜物镜的像差和色差校正具有非常重要的意义。从一般的透镜组合方式到利用光阑限制非近轴光线，从稳定消色差到复消色差再到超消色差，都明显提高了光学显微镜的成像质量。最近Kam等[2]和Booth等[3]应用自适应光学原理，在显微镜像差校正方面进行了相关研究。自适应光学系统由波前传感器、可变形透镜、计算机、控制硬件和特定的软件组成，用于连续测量显微镜系统的像差并进行自动校正。一般可将现有的高分辨率三维显微术分为3类：共聚焦与去卷积显微术、干涉成像显微术和非线性显微术。共聚焦显微术与去卷积显微术解决厚的生物样品显微成像较为成熟的方法是使用共聚焦显微术(confocal microscopy) [4]和三维去卷积显微术(three-dimensional deconvolution microscopy, 3-DDM) [5]，它们都能在无需制备样品物理切片的前提下，仅利用光学切片就获得样品的三维荧光显微图像。共聚焦显微术的主要特点是，通过应用探测针孔去除非共焦平面荧光目标产生的荧光来改善图像反差。共聚焦显微镜的PSF与常规显微镜的PSF呈平方关系，分辨率的改善约为■倍。为获得满意的图像，三维共聚焦技术常需使用高强度的激发光，从而导致染料漂白，对活生物样品产生光毒性。加之结构复杂、价格昂贵，从而使应用在一定程度上受到了限制。3-DDM采用软件方式处理整个光学切片序列，与共聚焦显微镜相比，该技术采用低强度激发光，减少了光漂白和光毒性，适合对活生物样品进行较长时间的研究。利用科学级冷却型CCD传感器同时探测焦平面与邻近离焦平面的光子，具有宽的动态范围和较长的可曝光时间，提高了光学效率和图像信噪比。3-DDM拓展了传统宽场荧光显微镜的应用领域受到生命科学领域的广泛关注[6]。选择性平面照明显微术针对较大的活生物样品对光的吸收和散射特性，Huisken[7]等开发了选择性平面照明显微术(selective plane illumination microscopy，SPIM)。与通常需要将样品切割并固定在载玻片上的方式不同，SPIM能在一种近似自然的状态下观察2～3mm的较大活生物样品。SPIM通过柱面透镜和薄型光学窗口形成超薄层光，移动样品获得超薄层照明下切片图像，还可通过可旋转载物台对样品以不同的观察角度扫描成像，从而实现高质量的三维图像重建。因为使用超薄层光，SPIM降低了光线对活生物样品造成的损伤，使完整的样品可继续存活生长，这是目前其他光学显微术无法实现的。SPIM技术的出现为观察较大活样品的瞬间生物现象提供了合适的显微工具，对于发育生物学研究和观察细胞的三维结构具有特别意义。结构照明技术和干涉成像当荧光显微镜以高数值孔径的物镜对较厚生物样品成像时，采用光学切片是一种获得高分辨3D数据的理想方法，包括共聚焦显微镜、3D去卷积显微镜和Nipkow 盘显微镜等。1997年由Neil等报道的基于结构照明的显微术，是一种利用常规荧光显微镜实现光学切片的新技术，并可获得与共聚焦显微镜一样的轴向分辨率。干涉成像技术在光学显微镜方面的应用1993年最早由Lanni等提出，随着I5M、HELM和4Pi显微镜技术的应用得到了进一步发展。与常规荧光显微镜所观察的荧光相比，干涉成像技术所记录的发射荧光携带了更高分辨率的信息。（1）结构照明技术：结合了特殊设计的硬件系统与软件系统，硬件包括内含栅格结构的滑板及其控制器，软件实现对硬件系统的控制和图像计算。为产生光学切片，利用CCD采集根据栅格线的不同位置所对应的原始投影图像，通过软件计算，获得不含非在焦平面杂散荧光的清晰图像，同时图像的反差和锐利度得到了明显改善。利用结构照明的光学切片技术，解决了2D和3D荧光成像中获得光学切片的非在焦平面杂散荧光的干扰、费时的重建以及长时间的计算等问题。结构照明技术的光学切片厚度可达，轴向分辨率较常规荧光显微镜提高2倍，3D成像速度较共聚焦显微镜提高3倍。（2）4Pi 显微镜：基于干涉原理的4Pi显微镜是共聚焦/双光子显微镜技术的扩展。4Pi显微镜在标本的前、后方各设置1个具有公共焦点的物镜，通过3种方式获得高分辨率的成像：①样品由两个波前产生的干涉光照明；②探测器探测2个发射波前产生的干涉光；③照明和探测波前均为干涉光。4Pi显微镜利用激光作为共聚焦模式中的照明光源，可以给出小于100nm的空间横向分辨率，轴向分辨率比共聚焦荧光显微镜技术提高4~7倍。利用4Pi显微镜技术，能够实现活细胞的超高分辨率成像。Egner等[8，9]利用多束平行光束和1个双光子装置，观测活细胞体内的线粒体和高尔基体等细胞器的精微细节。Carl[10]首次应用4Pi显微镜对哺乳动物HEK293细胞的细胞膜上离子通道类别进行了测量。研究表明，4Pi显微镜可用于对细胞膜结构纳米级分辨率的形态学研究。（3）成像干涉显微镜(image interference microscopy, I2M)：使用2个高数值孔径的物镜以及光束分离器，收集相同焦平面上的荧光图像，并使它们在CCD平面上产生干涉。1996年Gustaffson等用这样的双物镜从两个侧面用非相干光源（如汞灯）照明样品，发明了I3M显微镜技术(incoherent, interference, illumination microscopy, I3M），并将它与I2M联合构成了I5M显微镜技术。测量过程中，通过逐层扫描共聚焦平面的样品获得一系列图像，再对数据适当去卷积，即可得到高分辨率的三维信息。I5M的分辨范围在100nm内。非线性高分辨率显微术非线性现象可用于检测极少量的荧光甚至是无标记物的样品。虽有的技术还处在物理实验室阶段，但与现有的三维显微镜技术融合具有极大的发展空间。（1）多光子激发显微术：(multiphoton excitation microscope，MPEM)是一种结合了共聚焦显微镜与多光子激发荧光技术的显微术，不但能够产生样品的高分辨率三维图像，而且基本解决了光漂白和光毒性问题。在多光子激发过程中，吸收几率是非线性的[11]。荧光由同时吸收的两个甚至3个光子产生，荧光强度与激发光强度的平方成比例。对于聚焦光束产生的对角锥形激光分布，只有在标本的中心多光子激发才能进行，具有固有的三维成像能力。通过吸收有害的短波激发能量，明显地降低对周围细胞和组织的损害，这一特点使得MPEM成为厚生物样品成像的有力手段。MPEM轴向分辨率高于共聚焦显微镜和3D去卷积荧光显微镜。（2）受激发射损耗显微术：Westphal[12]最近实现了Hell等在1994年前提出的受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED）成像的有关概念。STED成像利用了荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系。STED技术通过2个脉冲激光以确保样品中发射荧光的体积非常小。第1个激光作为激发光激发荧光分子；第2个激光照明样品，其波长可使发光物质的分子被激发后立即返回到基态，焦点光斑上那些受STED光损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内，于是获得了一个小于衍射极限的光点。Hell等已获得了28nm的横向分辨率和33nm的轴向分辨率[12,13]，且完全分开相距62nm的2个同类的分子。近来将STED和4Pi显微镜互补性地结合，已获得最低为28nm的轴向分辨率,还首次证明了免疫荧光蛋白图像的轴向分辨率可以达到50nm[14]。（3）饱和结构照明显微术：Heintzmann等[15]提出了与STED概念相反的饱和结构照明显微镜的理论设想，最近由Gustafsson等[16]成功地进行了测试。当光强度增加时，这些体积会变得非常小，小于任何PSF的宽度。使用该技术，已经达到小于50nm的分辨率。（4）二次谐波 (second harmonic generation, SHG)成像利用超快激光脉冲与介质相互作用产生的倍频相干辐射作为图像信号来源。SHG一般为非共振过程，光子在生物样品中只发生非线性散射不被吸收，故不会产生伴随的光化学过程，可减小对生物样品的损伤。SHG成像不需要进行染色,可避免使用染料带来的光毒性。因其对活生物样品无损测量或长时间动态观察显示出独特的应用价值，越来越受到生命科学研究领域的重视[17]。3 表面高分辨率显微术表面高分辨率显微术是指一些不能用于三维测量只适用于表面二维高分辨率测量的显微技术。主要包括近场扫描光学显微术、全内反射荧光显微术、表面等离子共振显微术等。近场扫描光学显微术近场扫描学光显微术(near-field scanning optical microscope, NSOM)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。由于光源与样品的间距接近到纳米水平，因此分辨率由光探针口径和探针与样品之间的间距决定，而与光源的波长无关。NSOM的横向分辨率小于100nm，Lewis[18]则通过控制在一定针尖振动频率上采样，获得了小于10nm的分辨率。NSOM具有非常高的图像信噪比，能够进行每秒100帧图像的快速测量[19]，NSOM已经在细胞膜上单个荧光团成像和波谱分析中获得应用。全内反射荧光显微术绿色荧光蛋白及其衍生物被发现后，全内反射荧光(total internal reflection fluorescence，TIRF)技术获得了更多的重视和应用。TIRF采用特有的样品光学照明装置可提供高轴向分辨率。当样品附着在离棱镜很近的盖玻片上，伴随着全内反射现象的出现，避免了光对生物样品的直接照明。但因为波动效应，有小部分的能量仍然会穿过玻片与液体介质的界面而照明样品，这些光线的亮度足以在近玻片约100nm的薄层形成1个光的隐失区，并且激发这一浅层内的荧光分子[20]。激发的荧光由物镜获取从而得到接近100nm的高轴向分辨率。TIRF近来与干涉照明技术结合应用在分子马达步态的动力学研究领域, 分辨率达到8nm，时间分辨率达到100μs[21]。表面等离子共振表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR) [22]是一种物理光学现象。当入射角以临界角入射到两种不同透明介质的界面时将发生全反射，且反射光强度在各个角度上都应相同，但若在介质表面镀上一层金属薄膜后，由于入射光被耦合入表面等离子体内可引起电子发生共振，从而导致反射光在一定角度内大大减弱，其中使反射光完全消失的角度称为共振角。共振角会随金属薄膜表面流过的液相的折射率而改变，折射率的改变又与结合在金属表面的生物分子质量成正比。表面折射率的细微变化可以通过测量涂层表面折射光线强度的改变而获得。1992年Fagerstan等用于生物特异相互作用分析以来，SPR技术在DNA-DNA生物特异相互作用分析检测、微生物细胞的监测、蛋白质折叠机制的研究，以及细菌毒素对糖脂受体亲和力和特异性的定量分析等方面已获得应用[23]。当SPR信息通过纳米级孔道[24]传递而提供一种卓越的光学性能时，将SPR技术与纳米结构设备相结合，该技术的深入研究将有可能发展出一种全新的成像原理显微镜。【参考文献】[1] 汤乐民,丁斐.生物科学图像处理与分析[M].北京:科学出版社,2005：205.[2] Kam Z, Hanser B, Gustafsson MGL, et adaptive optics for live three-dimensional biological imaging[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:3790-3795.[3] Booth MJ, Neil MAA, Juskaitis R, et al. Adaptive aberration correction in a confocal microscope[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2002, 99:5788-5792.[4] Goldman RD,Spector cell imaging a laboratory manual[J].Gold Spring Harbor Laboratory Press,2005.[5] Monvel JB,Scarfone E,Calvez SL,et deconvolution for three-dimensional deep biological imaging[J].Biophys,2003,85:3991-4001.[6] 李栋栋,郭学彬,瞿安连.以三维荧光反卷

利用持续几皮秒(万亿分之一秒)的超短激光脉冲，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员发现了一种激光烧蚀(去除材料)的有效机制，这可能有助于在许多工业激光加工应用中使用低能量、低成本的激光。这项新技术发表在《应用物理学》(Journal of Applied Physics)上，利用短波长、高通量(单位面积能量)激光脉冲驱动冲击波，熔化目标材料。冲击波通过后，熔体层处于张力作用下，这一过程称为弛豫，最终导致材料通过空化(不稳定的气泡增长)喷射出来。博科园-科学科普：研究人员将实验和增强的计算机模拟相结合，在以前未探索的激光能量和波长范围内，研究了皮秒激光脉冲烧蚀铝、不锈钢和硅。发现表明，在每平方厘米10焦耳(J/cm2)以上的紫外(UV)皮秒脉冲可以用比长波长脉冲更少的能量去除更多物质。NIF &光子科学副首席副主任杰夫·布德说：我们发现，这个范围超过每平方厘米10焦耳，特别是对于紫外激光脉冲，与低通量和长波长的表现非常不同。当去除率超过每平方厘米10焦耳时，去除率就会跃升，特别是对于紫外光。与此同时，去除过程中的跳跃伴随着去除效率的提高——去除给定体积的物质所需能量减少。这对我们来说真的很有趣，这表明这里可能有一个不同的机制。所以皮秒激光消融将提供一个很好的测试案例，在一个尚未被很好理解的状态下探测消融物理。这项研究被认为是对皮秒脉冲激光烧蚀过程的首次全面研究。该研究被《应用物理编辑》选为“编辑之选”，是由Bude领导的脉冲激光材料改性实验室指导研究和开发(LDRD)的一部分。研究人员比较了在 ~ 40j /cm2范围内355纳米(UV)和1064纳米(近红外)激光波长的结果。发现较短的波长比测量到的1064纳米激光波长的去除率提高了近一个数量级。在三种材料中，激光烧蚀在紫外波长下比近红外烧蚀效率高许多倍。利用辐射流体动力学代码HYDRA进行的模拟表明，烧蚀效率的提高是由于紫外激光脉冲深入烧蚀羽流，并将能量沉积在离目标表面更近的地方，从而导致更高的压力冲击、更深的熔体穿透和更广泛的空化去除。这种去除机制（冲击加热产生熔体，然后通过空化去除熔体）需要的能量比材料的汽化更少，这就是为什么它更有效率的原因。该论文的第一作者、LLNL分析师韦斯·凯勒(Wes Keller)表示：我们实验室独特的建模和模拟能力确实促进了这一发现，这是一个特别具有挑战性的问题，因为激光能量沉积过程与材料的水动力响应密切相关，需要一个独特的代码，像HYDRA，具有这种综合能力。在某些方面，这项研究是一个将挑战转化为机遇的案例。研究开始后不久，研究人员发现，物质对皮秒激光的反应要比使用更常见的飞秒(千万亿分之一秒)激光复杂得多。当试图理解皮秒激光处理时，用非常短的(飞秒)脉冲得到一些物理简化假设不再可靠。这种物质不是简单地吸收激光能量并蒸发，而是在激光羽流中演化。这意味着必须对模型进行调整，以同时考虑熔融物质的流体动力学和激光脉冲与烧蚀羽流中的等离子体(电离气体)之间的相互作用。需要正确地模拟激光与等离子体的相互作用，所以我们不得不做很多创造性的实验来弥补模型中的一些不足。最终能够确定这一体系的基本物理性质，发现必须有激波加热才能产生微米深的熔体。然后，当用激波加热创造出这种深熔体后，需要一个机制来移除它，发现这个机制就是空化。一旦意识到时间形状的脉冲可以利用熔融材料的不稳定性，研究人员就能利用形状脉冲创造出一种更有效去除材料的方法。能够利用这一认识，以一种不同的方式进行激光处理。因此，它实际上有很多附带的好处。结果还表明，皮秒脉冲激光器在成本、效率和损伤控制方面优于常用的飞秒激光器。此外，它们还提供了波长灵活性的有效频率转换选项。有一些迹象表明，在皮秒到几十皮秒(脉冲)的情况下，可以在激光切割、钻孔和剃须功能中获得与更昂贵激光在皮秒以下工作时相同的质量和性能。这一发现将为激光在工业、国防、医药和许多其他领域的应用带来新的或更有效的前景。博科园-科学科普｜研究/来自: 劳伦斯利弗莫尔国家实验室/Breanna Bishop 参考期刊文献:《应用物理学报》 DOI: 博科园-传递宇宙科学之美