仪器研制
2024(0).
摘要:
在铝电解智能制造领域，为解决铝电解槽电压信号衰减问题，设计了基于VFC（Voltage-Frequency Converter）的电压采集装置。装置由电源模块、VFC模块和微控制器单元模块组成。电源模块提供不同等级的隔离电源，VFC模块包含信号衰减、转换和异常报警电路，信号衰减电路将0~70V槽电压衰减至0~8V，转换电路将电压转换为RS485差分频率信号，实现长距离传输。异常报警电路在电压异常时发出警报并切断电机。微控制器单元通过频率捕获测量信号频率并计算原始电压值，经滤波处理后上传。实验显示，装置测量误差不超过1.2%，优于现场装置，有助于推动铝电解行业低碳转型和装备升级。
在铝电解智能制造领域，为解决铝电解槽电压信号衰减问题，设计了基于VFC（Voltage-Frequency Converter）的电压采集装置。装置由电源模块、VFC模块和微控制器单元模块组成。电源模块提供不同等级的隔离电源，VFC模块包含信号衰减、转换和异常报警电路，信号衰减电路将0~70V槽电压衰减至0~8V，转换电路将电压转换为RS485差分频率信号，实现长距离传输。异常报警电路在电压异常时发出警报并切断电机。微控制器单元通过频率捕获测量信号频率并计算原始电压值，经滤波处理后上传。实验显示，装置测量误差不超过1.2%，优于现场装置，有助于推动铝电解行业低碳转型和装备升级。
2024(0).
摘要:
为了解决激光甲烷遥测仪工作温度范围窄，无法满足西气东输、中俄东线等极寒、极热应用场景需求的问题，本文提出了一种目标气体吸收谱线动态切换算法，并将其应用于激光甲烷遥测仪。选用甲烷1650.9nm附近三条吸收谱线，微处理器根据实时采集的半导体激光器附近的温度，动态调整激光器输出的中心波长，使其在三条吸收谱线之间进行切换。实验结果表明，应用该算法后，激光甲烷遥测仪的工作温度范围扩展至-40℃~+70℃，增强了仪器的环境适应性，更好地满足工业场景的应用需求。
为了解决激光甲烷遥测仪工作温度范围窄，无法满足西气东输、中俄东线等极寒、极热应用场景需求的问题，本文提出了一种目标气体吸收谱线动态切换算法，并将其应用于激光甲烷遥测仪。选用甲烷1650.9nm附近三条吸收谱线，微处理器根据实时采集的半导体激光器附近的温度，动态调整激光器输出的中心波长，使其在三条吸收谱线之间进行切换。实验结果表明，应用该算法后，激光甲烷遥测仪的工作温度范围扩展至-40℃~+70℃，增强了仪器的环境适应性，更好地满足工业场景的应用需求。
2024(0).
摘要:
研制出我国首套空间站双通道气相色谱仪，在线监测舱内VOCs，保障航天员在轨安全生存，已实现在轨稳定运行，经成果鉴定为：关键部件的性能以及体积、重量、功耗等指标达国际领先水平。与中科院深海所联合研制出：我国首套4500 m级深海原位气相色谱仪，最大潜深1637 m，获得了不同沸点组分含量的半定量数据；系列我国首套4500 m级深海原位荧光传感器，最大潜深3961.9 m，测量了海洋剖面色氨酸、CDOM和叶绿素a的浓度；经第三方测试，传感器的检测限优于国际上同类产品3.5~10倍；系列深海原位荧光传感器在1384 m深南海海底总工作时长超过40天，均获得了有效数据。
研制出我国首套空间站双通道气相色谱仪，在线监测舱内VOCs，保障航天员在轨安全生存，已实现在轨稳定运行，经成果鉴定为：关键部件的性能以及体积、重量、功耗等指标达国际领先水平。与中科院深海所联合研制出：我国首套4500 m级深海原位气相色谱仪，最大潜深1637 m，获得了不同沸点组分含量的半定量数据；系列我国首套4500 m级深海原位荧光传感器，最大潜深3961.9 m，测量了海洋剖面色氨酸、CDOM和叶绿素a的浓度；经第三方测试，传感器的检测限优于国际上同类产品3.5~10倍；系列深海原位荧光传感器在1384 m深南海海底总工作时长超过40天，均获得了有效数据。
2024(0).
摘要:
煤热解气是重要的化工原料，常规煤热解气的研究采用载气的方式，以热重分析和其他技术联用分析气体组成，实验设备复杂、成本高，为此设计一种简单高效的微量煤热解气检测装置。本文以哈密煤为研究对象，使用皂膜流量计和气相色谱仪检测煤热解气的流速和气体组分。通过实验数据分析，发现煤在600～750 ℃时热解气的速率明显增大，与氩气气氛下的热重分析数据一致，并且在500～800 ℃温度区间内可燃性气体（H2、CO、CH4）产生的量逐渐增加。结果表明改进后的实验装置小型化、样品微量化，也可较准确检测煤热解气产生的流速和气体组分。
煤热解气是重要的化工原料，常规煤热解气的研究采用载气的方式，以热重分析和其他技术联用分析气体组成，实验设备复杂、成本高，为此设计一种简单高效的微量煤热解气检测装置。本文以哈密煤为研究对象，使用皂膜流量计和气相色谱仪检测煤热解气的流速和气体组分。通过实验数据分析，发现煤在600～750 ℃时热解气的速率明显增大，与氩气气氛下的热重分析数据一致，并且在500～800 ℃温度区间内可燃性气体（H2、CO、CH4）产生的量逐渐增加。结果表明改进后的实验装置小型化、样品微量化，也可较准确检测煤热解气产生的流速和气体组分。
2023(0).
摘要:
近年来，交通运输部、国务院等部门相继发布多个指定区域内船舶尾气污染物控制相关的通告与方案，旨在设置排放控制区，减少船舶排放对空气和水质的负面影响。发展高可靠的海洋环境监测技术是保障相关政策顺利实施的关键，为此提供一种船舶尾气成像遥感监测系统，实现船舶尾气污染物的实时可视化监测。系统采用三通道光路设计，通过记录分析过往船舶排放烟羽在紫外波段的吸收光谱，结合自定标技术、引入人工智能技术，反演SO2浓度以及排放速率。结果表明，系统可以实现大规模、高可靠的船舶尾气污染物实时可视化监测，促进船舶污染气体减排，助力打赢蓝天保卫战。
近年来，交通运输部、国务院等部门相继发布多个指定区域内船舶尾气污染物控制相关的通告与方案，旨在设置排放控制区，减少船舶排放对空气和水质的负面影响。发展高可靠的海洋环境监测技术是保障相关政策顺利实施的关键，为此提供一种船舶尾气成像遥感监测系统，实现船舶尾气污染物的实时可视化监测。系统采用三通道光路设计，通过记录分析过往船舶排放烟羽在紫外波段的吸收光谱，结合自定标技术、引入人工智能技术，反演SO2浓度以及排放速率。结果表明，系统可以实现大规模、高可靠的船舶尾气污染物实时可视化监测，促进船舶污染气体减排，助力打赢蓝天保卫战。
2024(0).
摘要:
原子光谱（吸收、发射和荧光）与原子质谱是痕量元素分析最重要、最成熟的手段之一；但现有原子光谱仪均为单一参数/物理量测量，一次只能获得其中一种信号。而面对日益复杂的样品、多样的分析需求，有时单一功能模式的仪器已显得力不从心，需要多样化的创新性技术以适应新的发展。因此，从原子光谱的分析原理和仪器结构出发，构建了原子光谱、质谱同时测量仪器系统，通过光路设计、电路调控、同步时序等策略，实现了一次进样获得全面光谱信息；在此基础上，增强现有仪器的定性/定量分析性能，并开发原子光谱仪器在光谱表征与原位过程监测领域的新功能和新应用。
原子光谱（吸收、发射和荧光）与原子质谱是痕量元素分析最重要、最成熟的手段之一；但现有原子光谱仪均为单一参数/物理量测量，一次只能获得其中一种信号。而面对日益复杂的样品、多样的分析需求，有时单一功能模式的仪器已显得力不从心，需要多样化的创新性技术以适应新的发展。因此，从原子光谱的分析原理和仪器结构出发，构建了原子光谱、质谱同时测量仪器系统，通过光路设计、电路调控、同步时序等策略，实现了一次进样获得全面光谱信息；在此基础上，增强现有仪器的定性/定量分析性能，并开发原子光谱仪器在光谱表征与原位过程监测领域的新功能和新应用。
2024(0).
摘要:
管道运输系统广泛应用于国防工业、能源化工等领域，是国民经济发展的“能源动脉”。但受恶劣环境和运输介质的影响，管道容易产生腐蚀等损伤，若不能及时检出可能导致管道泄漏，引发重大安全事故。然而当前国内长距离管道监测系统研发较少，制约管道健康监测技术应用转化。为了满足管道健康状态监测的重大需求，自主研制和开发了管道长距离超声导波结构健康监测仪器及其应用系统。可以实现对管道的长期、在线、无人的健康状态监测与损伤分析。对于推动完善管道结构健康监测技术体系，保障管网运营安全和优化运维方案具有重要意义。
管道运输系统广泛应用于国防工业、能源化工等领域，是国民经济发展的“能源动脉”。但受恶劣环境和运输介质的影响，管道容易产生腐蚀等损伤，若不能及时检出可能导致管道泄漏，引发重大安全事故。然而当前国内长距离管道监测系统研发较少，制约管道健康监测技术应用转化。为了满足管道健康状态监测的重大需求，自主研制和开发了管道长距离超声导波结构健康监测仪器及其应用系统。可以实现对管道的长期、在线、无人的健康状态监测与损伤分析。对于推动完善管道结构健康监测技术体系，保障管网运营安全和优化运维方案具有重要意义。
2024(0).
摘要:
微束X射线荧光光谱分析技术可以通过逐点测试，得到成分分布图像，并同步反映组织结构信息，从而实现成分和组织结构的原位同步统计映射。本文介绍了一种可以完成高精度、高速度、大尺寸、高分辨、无损测试、多元素分析的高通量微区扫描型能量色散X射线荧光光谱仪器NX-mapping设计，开发相应的分析方法体系，从而为材料高通量测试链条中的“成分-组织结构-点阵位置”的原位映射环节提供重要的技术支撑。
微束X射线荧光光谱分析技术可以通过逐点测试，得到成分分布图像，并同步反映组织结构信息，从而实现成分和组织结构的原位同步统计映射。本文介绍了一种可以完成高精度、高速度、大尺寸、高分辨、无损测试、多元素分析的高通量微区扫描型能量色散X射线荧光光谱仪器NX-mapping设计，开发相应的分析方法体系，从而为材料高通量测试链条中的“成分-组织结构-点阵位置”的原位映射环节提供重要的技术支撑。
2024(0).
摘要:
氢硼核反应是一种不产生中子的清洁聚变反应，聚变过程会生成大量的阿尔法粒子，而阿尔法粒子的产额是度量聚变程度的关键参数。为精确测量实验室条件下激光驱动强流质子束在硼等离子体中发生氢硼核反应的阿尔法粒子信息，研制了基于飞行时间法的脉冲阿尔法射线探测器。探测器主要由薄塑料闪烁体、传光束、门控型微通道板光电倍增管组成，将阿尔法粒子的能谱信息转换为时间谱信息，通过记录闪烁体的发光强度随时间的变化，获得阿尔法射线的强度随能量的变化。所研制的探测器在神光-III装置上开展的氢硼核反应实验中得到了应用，实验结果表明，该探测器可在强干扰伽马射线本底下获得高信噪比的阿尔法粒子信号，与CR-39固体径迹探测器相比，具有快速数据获取、精确反演能谱信息的特点。
氢硼核反应是一种不产生中子的清洁聚变反应，聚变过程会生成大量的阿尔法粒子，而阿尔法粒子的产额是度量聚变程度的关键参数。为精确测量实验室条件下激光驱动强流质子束在硼等离子体中发生氢硼核反应的阿尔法粒子信息，研制了基于飞行时间法的脉冲阿尔法射线探测器。探测器主要由薄塑料闪烁体、传光束、门控型微通道板光电倍增管组成，将阿尔法粒子的能谱信息转换为时间谱信息，通过记录闪烁体的发光强度随时间的变化，获得阿尔法射线的强度随能量的变化。所研制的探测器在神光-III装置上开展的氢硼核反应实验中得到了应用，实验结果表明，该探测器可在强干扰伽马射线本底下获得高信噪比的阿尔法粒子信号，与CR-39固体径迹探测器相比，具有快速数据获取、精确反演能谱信息的特点。
2024(0).
摘要:
太赫兹波段因独特的电磁波谱位置，包含了丰富的物理化学信息，具有重要的应用价值；也面临着固有的技术困难，导致核心装备水平落后，成为最后一段有待全面开发的电磁波谱。本案例介绍了一种自主研制的光泵非线性太赫兹有源相干分析系统。该系统集成了宽调谐单色太赫兹差频产生与室温高灵敏上转换探测功能模块（收发一体），提升了物理性能和用户友好性，弥补了主流太赫兹分析仪器的功能盲区。其比较优势已在太赫兹频域波谱分析、非线性晶体有源功能表征，以及宽量程密分度频率测量等应用领域得到了验证，填补了以往太赫兹时域光谱与红外光谱的频率间隙，未来将拓展太赫兹新兴应用，促进电磁波谱资源充分开发。
太赫兹波段因独特的电磁波谱位置，包含了丰富的物理化学信息，具有重要的应用价值；也面临着固有的技术困难，导致核心装备水平落后，成为最后一段有待全面开发的电磁波谱。本案例介绍了一种自主研制的光泵非线性太赫兹有源相干分析系统。该系统集成了宽调谐单色太赫兹差频产生与室温高灵敏上转换探测功能模块（收发一体），提升了物理性能和用户友好性，弥补了主流太赫兹分析仪器的功能盲区。其比较优势已在太赫兹频域波谱分析、非线性晶体有源功能表征，以及宽量程密分度频率测量等应用领域得到了验证，填补了以往太赫兹时域光谱与红外光谱的频率间隙，未来将拓展太赫兹新兴应用，促进电磁波谱资源充分开发。
2024(0).
摘要:
该设计针对热重分析仪样品在受热过程中逸出的挥发性组分，开发了一套用于收集热重分析仪逸出气体的并实现气体进样的系统，主要由进气管、取样阀、稳压阀、切换阀、定量管、进样阀、出气管及加热模块组成。能够实现热重分析升温过程中逸出气体的暂存和进样。可与目前气体分析设备质谱、红外、色谱、气质实现联用，进而实现对热重逸出气体快速采样和导入其他联用仪器分析。
该设计针对热重分析仪样品在受热过程中逸出的挥发性组分，开发了一套用于收集热重分析仪逸出气体的并实现气体进样的系统，主要由进气管、取样阀、稳压阀、切换阀、定量管、进样阀、出气管及加热模块组成。能够实现热重分析升温过程中逸出气体的暂存和进样。可与目前气体分析设备质谱、红外、色谱、气质实现联用，进而实现对热重逸出气体快速采样和导入其他联用仪器分析。
2024(0).
摘要:
为解决离子迁移谱技术结构分辨率不足的问题，将传统离子迁移谱（IMS）和高场非对称波形离子迁移谱（FAIMS）相结合，开发了超高结构分辨二维FAIMS-IMS分离设备，并对+1价和+2价缓激肽离子进行了研究。实验显示，FAIMS可以分离IMS无法分离的结构，而IMS同样可以分离FAIMS无法分离的结构。这说明FAIMS与IMS高度正交，二维FAIMS-IMS分辨力应与单一FAIMS和IMS分辨力的乘积成正比。最优条件下，对于+1价和+2价缓激肽离子，FAIMS-IMS能实现的最大分辨力分别约为1020和1400，明显高于已商业化离子迁移谱技术的分辨力。因此，二维FAIMS-IMS技术可以作为一种强大设备被用于更好地探索分子结构多样性。
为解决离子迁移谱技术结构分辨率不足的问题，将传统离子迁移谱（IMS）和高场非对称波形离子迁移谱（FAIMS）相结合，开发了超高结构分辨二维FAIMS-IMS分离设备，并对+1价和+2价缓激肽离子进行了研究。实验显示，FAIMS可以分离IMS无法分离的结构，而IMS同样可以分离FAIMS无法分离的结构。这说明FAIMS与IMS高度正交，二维FAIMS-IMS分辨力应与单一FAIMS和IMS分辨力的乘积成正比。最优条件下，对于+1价和+2价缓激肽离子，FAIMS-IMS能实现的最大分辨力分别约为1020和1400，明显高于已商业化离子迁移谱技术的分辨力。因此，二维FAIMS-IMS技术可以作为一种强大设备被用于更好地探索分子结构多样性。
13 大口径PST测试系统
2024(0).
摘要:
随着我国航天事业的发展，深空探测、火星计划、探月工程等重点工程已迈入一个新的时代，人们对光机系统的杂散光抑制能力也提出了新的要求，为了有效评估目前大口径、高灵敏度光学系统对杂散光的抑制能力，建立了一套1.6m口径，527nm波段的大口径PST测试系统。该系统以高功率脉冲激光作为光源，应用锁相放大器进行弱光信号的采集与提取，采用黑色双柱罐结合覆有核孔膜超黑材料的光陷阱、高效洁净暗室等环境杂光抑制方法，消除了杂光对系统的影响至10-11。使用该系统对标准镜头和光学系统样机进行了PST测试，测试结果与理论设计值吻合较好，测试灵敏度可至10-10量级，测试精度达0.4。此系统可以为大口径高灵敏探测能力的光机系统提供杂散光抑制能力的有效评估和充分验证。
随着我国航天事业的发展，深空探测、火星计划、探月工程等重点工程已迈入一个新的时代，人们对光机系统的杂散光抑制能力也提出了新的要求，为了有效评估目前大口径、高灵敏度光学系统对杂散光的抑制能力，建立了一套1.6m口径，527nm波段的大口径PST测试系统。该系统以高功率脉冲激光作为光源，应用锁相放大器进行弱光信号的采集与提取，采用黑色双柱罐结合覆有核孔膜超黑材料的光陷阱、高效洁净暗室等环境杂光抑制方法，消除了杂光对系统的影响至10-11。使用该系统对标准镜头和光学系统样机进行了PST测试，测试结果与理论设计值吻合较好，测试灵敏度可至10-10量级，测试精度达0.4。此系统可以为大口径高灵敏探测能力的光机系统提供杂散光抑制能力的有效评估和充分验证。
2024(0).
摘要:
水下声学释放器是海洋潜标系统中必不可少的核心仪器，是用量最大的海洋声学仪器之一。当前，我国主要依赖进口的声学释放器，这对我国水下信息系统的安全构成了长期威胁。因此，面对威胁我国海洋安全的“卡脖子”难题，研制了覆盖浅海、深海至万米全海深的系列化声学释放器和配套甲板单元。其中，研制的万米全海深型声学释放器是首个国产化全海深声学释放器，已应用于全球最深的马里亚纳海沟，该释放器的研制填补了国内在全海深释放器自主研制方面的空白，实现了对国外同类释放器产品的替代。系列化声学释放器已成功应用于千岛湖水下组网节点回收、西太平洋深海潜标系统回收、马里亚纳海沟“天涯号”全海深着陆器回收，在我国海洋工程仪器国产化进程中起到了很好的示范作用。
水下声学释放器是海洋潜标系统中必不可少的核心仪器，是用量最大的海洋声学仪器之一。当前，我国主要依赖进口的声学释放器，这对我国水下信息系统的安全构成了长期威胁。因此，面对威胁我国海洋安全的“卡脖子”难题，研制了覆盖浅海、深海至万米全海深的系列化声学释放器和配套甲板单元。其中，研制的万米全海深型声学释放器是首个国产化全海深声学释放器，已应用于全球最深的马里亚纳海沟，该释放器的研制填补了国内在全海深释放器自主研制方面的空白，实现了对国外同类释放器产品的替代。系列化声学释放器已成功应用于千岛湖水下组网节点回收、西太平洋深海潜标系统回收、马里亚纳海沟“天涯号”全海深着陆器回收，在我国海洋工程仪器国产化进程中起到了很好的示范作用。
2024(0).
摘要:
水体检测在环境监测和生物健康方面有着重要的作用，通过对水质进行检测，可以了解水体中微量元素的含量并评判水体中微量元素的污染情况。本系统针对水体中无机有害微量元素的在线检测问题，提出了一种基于微流控原理的LIBS水体无机有害微量元素检测方法。激光诱导击穿光谱技术具有无或极小损伤、遥感、实时多元素检测等独特优点，是水体中微量元素在线检测的最佳选择之一。该系统的研究对水体无机有害微量元素在线检测、水资源保护与改善具有重要意义。
水体检测在环境监测和生物健康方面有着重要的作用，通过对水质进行检测，可以了解水体中微量元素的含量并评判水体中微量元素的污染情况。本系统针对水体中无机有害微量元素的在线检测问题，提出了一种基于微流控原理的LIBS水体无机有害微量元素检测方法。激光诱导击穿光谱技术具有无或极小损伤、遥感、实时多元素检测等独特优点，是水体中微量元素在线检测的最佳选择之一。该系统的研究对水体无机有害微量元素在线检测、水资源保护与改善具有重要意义。
2024(0).
摘要:
云是大气中热力过程和动力过程的外部表现，同时也是水分循环的重要环节。云的形态、分布及其变化反应了局地天气状况和气候变化特征，对军事活动、国民经济和社会服务等方面具有重要意义。为实现全天时、全天空的云量、云状、云底高等参数测量，提出并研制了可见光/红外联合测云仪，发展了相应的定标装置和定标方法，已在内蒙古呼伦贝尔、湖南长沙、河南洛阳等多地进行应用和试验。
云是大气中热力过程和动力过程的外部表现，同时也是水分循环的重要环节。云的形态、分布及其变化反应了局地天气状况和气候变化特征，对军事活动、国民经济和社会服务等方面具有重要意义。为实现全天时、全天空的云量、云状、云底高等参数测量，提出并研制了可见光/红外联合测云仪，发展了相应的定标装置和定标方法，已在内蒙古呼伦贝尔、湖南长沙、河南洛阳等多地进行应用和试验。
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