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[硕士论文] 卜胜
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:由于我国汽车工业的快速发展,大量汽车的使用所引发的尾气污染问题已经影响到人们生活的方方面面,为了减少尾气污染,改善生态环境,快速且准确地检测污染气体的浓度值已经迫在眉睫。
  本文首先分析了国内外汽车尾气的检测原理和方法,结合尾气检测设备的发展趋势,对于当前汽车尾气检测设备误差大、成本高、操作复杂的问题,设计出一款改进型汽车尾气检测系统。其中,利用不分光红外吸收原理(NDIR)实现对CO、CO2和HC浓度的检测。在确定系统功能要求后,给出了系统的整体框架。
  在软硬件设计方面,系统采用STM32系列单片机作为主控制器,并据此设计了外围电路,主要包括:数据存储模块、按键与显示模块、数据通信模块、传感器模块以及模数转换模块。检测系统的人机交互方式为图形化交互方式,是由μcGUI系统实现的,设计的界面简单直观。系统可以实现怠速测量、双怠速测量和数据管理等功能。
  在数据处理方面,通过向检测通道输入不同浓度的气体,完成气体浓度的标定,并将所测气体浓度和多通道的电压比进行数据拟合,得出二者间的函数关系,并将此关系式写入到检测程序里,便可以通过电压比反推出不同气体浓度值。本文还在不同温度下测量温度与气体浓度的关系,算出检测误差,完成系统对温度的补偿。最后对系统进行性能测试与误差分析。
  本文所设计的汽车尾气检测装置具备数据误差小、操作便捷、经济性好、便携性好等优点。
[硕士论文] 王日晟
应用数学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:当今世界科技迅猛发展,以DNA为主要研究对象之一的分子生物学一直是科技领域研究的前沿热门。DNA具有自然界中其他分子无法比拟的、特殊的、复杂的性质,以其为基本元素组成的基因作为生命体的遗传信息,决定着生命体的组x成结构,控制着其行为。DNA生物传感技术随着众多新生物技术的开发与运用,成为研究对特定核酸序列(基因片段)实现快速分析的新方法,受到相关专家学者的高度重视。
  DNA传感器是具有新的基因检测技术的传感器,与以往的检测技术相比,具有分离纯化基因,分子识别等功能。DNA传感器还具有灵敏、快速、无污染等优点,已成为当今在这一领域的研究前沿和热点。本文就DNA传感器的基本原理和分类,以及DNA传感器的研究进展、优缺点和发展趋势加以介绍。
  环境污染是当今人类社会所遭遇的重大问题,而尤其引人关注的是,环境中具有毒性的有机污染物一般难以降解,并且会在生物体内聚集,不仅会危害人类自身,对整个生态系统都有破坏。因为DNA传感器具有较好的选择性并且操作简单,而且灵敏度相比以前方法更高,受到越来越多研究者的关注。
  本文主要针对有机体对重金属吸收情况的特殊性,游离的金属离子往往最终决定了重金属的毒性和其起作用的情况,同时利用金属间相互作用及特异性结合,设计出生物传感检测模型,来有效避免金属离子变性转化为其他形态以提高检测的有效性。
  本文筛选出适合环境监测的DNA传感器模型,考虑到传感器检测金属离子的特殊性,设计了一种可控硅导通角新型传感器控制方法,它的关键是能够使检测或者使用装备时获得稳定的电流,并以此申请了发明专利。
  本文还总结了纳米材料(纳米粒子,量子点,纳米管等)使用的最新趋势以及核酸的小型化和“芯片实验室”技术,提出了在DNA发夹结构的茎和环之间引入了二茂铁基团这一模型,去证明可以很容易地将多个电化学标记结合到序列中。尝试用DNA传感器研究受污染的微生物的核酸检测序列,基于DNA生物传感系统对环境应用进行探索。
  DNA传感器在环境监测领域的前景十分广阔,其大量的应用能及时掌握环境污染状况,监测环境污染现状,评估环境污染的严重程度,对于保护环境将具有重要意义。
[硕士论文] 陈冲
物理学 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:饮用水消毒是饮用水净化过程中最重要的一个环节,也是和人体健康相关最直接的技术单元,饮用水消毒带来的安全问题一直是各个国家的研究热点。使用氯气进行消毒被证明是一种有效和适用性强的饮用水消毒方法,中国80年代后期引进氯气生产技术后,就一直使用氯气进行饮用水消毒。使用氯气消毒时会产生总余氯,包括化合性余氯(氯与氨的化合物,有NH2CL、NHCL2及NHCL3三种)和游离性余氯(指水中的OCL-、CL2和HOCL等),定义的自来水的余氯指的是游离性余氯,主要包括水中的OCL-、CL2和HOCL,当自来水余氯浓度值过小时,不能保证自来水在给水过程中具备持续杀菌能力,当自来水中的余氯浓度值过高时,则会对皮肤和呼吸道粘膜有刺激性作用,使人体感到不适,因此余氯值一直是水质检测一个非常重要的指标。
  测定余氯的方法有色谱法、碘离子滴定法、分光光度法、氯化银比浊法及电化学在线测量方法,本文就其中的电化学在线测量方法展开研究,详细介绍了隔膜式余氯传感器测量系统的工作原理及设计,传感器方面包括传感器结构的介绍及输出信号原理,优化理论提出了改变传统辅助电极结构加快反应速率的观点,并根据流体力学知识设计了不同类型辅助电极的离子迁移模型。后续信号处理电路主要包括电流转电压电路的设计、差分放大电路的设计、二级放大电路的设计、A/D转换电路的设计、单片机处理计算电路及LED显示电路的设计,在电路优化方面,本文提出了模块化电路设计的设计思路,方便电路的测试与更换,去噪电路的加入,使信号处理电路抗干扰性加强,增强了信号处理电路的稳定性。软件部分根据传统的标定曲线提出了分段标定的想法,将实验测得的数据分为高量程与低量程两组,不同范围内余氯浓度值应用不同校准曲线,使得余氯值测量更加精确,当余氯传感器重复性较好时,可实现测量系统的查表功能。后续跟进了一系列实验,包括余氯测量系统的精确性实验与稳定性实验,表明优化后的余氯测量系统具有较好的重复性与精确性,完全可以应用于饮用水的余氯浓度值测量。
[硕士论文] 徐高凯
电路与系统 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着我国经济的发展,环保问题日益突出。湖泊作为重要的淡水资源来源,其污染日益严重,引起了政府和人民的高度重视,对湖泊污染进行高效防治和监控的需求越来越迫切。传统的监测方法主要以人工方式为主,无法自动实时的进行监测与管理,对出现的紧急污染状况也无法及时地报警,因此需要一种新的湖泊水污染监测系统来更好地实现对水环境的监测。将传感器网络运用于湖泊污染监测系统中,能够实现监测的实时性以及污染现象的报警,得到了日益广泛的应用。但是目前大部分系统基于无线传输,将传感器布置在湖面,无法监测到湖泊不同深度的污染,并且对湖面作业造成较大的影响。
  本文针对以上问题以及湖泊的环境特点,设计了一种湖泊污染监测水声传感器网络。利用水声传感器和无线传感器共同组网,先提出了一种适应于湖泊污染监测的三维网格型网络结构,然后设计了与网络结构相适应的MAC层信道共享协议和网络层路由协议。MAC层协议通过减少节点信道预约次数以及对节点发送数据顺序的预约,解决了握手类协议高时延低吞吐量问题,提高了网络性能;网络层协议在节能的基础上实现了动态寻址路由,克服了现有经典水声传感器网络路由协议的不足,延长了网络的生命周期并降低了时延。
  仿真结果表明本文所设计的协议能较好地适应水声信道,该传感器网络可以广泛应用于湖泊水库等大面积静水域的污染监控。
[博士论文] 夏金宝
光学工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:随着工业技术的发展和社会的进步,大气环境污染成为日益凸显的一个社会问题,越来越影响着人们的生活水平。利用激光光谱技术实现的光学传感器具有实时性强、探测灵敏度高等特点,可以有效地监测大气环境,包括颗粒物(气溶胶)和痕量污染气体(甲烷)等。目前的光学气体传感器是利用短光程的而实现的定点单一气体检测传感器,适用于灵敏度要求不高、单点监测、一种气体测量等应用场合。对大气中的痕量污染气体,这些传感器具有灵敏度低、不能区域测量、测量气体种类少的缺点。而探测气溶胶的远程传感器所使用的激光器波长具有对人眼不安全的缺点。因此,本文分别针对上述存在的问题进行了研究。采用了波长调制技术、光学频率梳技术、以及气溶胶激光遥感等技术并结合长光程吸收池和开路测量结构解决了存在的问题。
  本文设计了长距离的吸收池,研究了长光程单点高灵敏度的近红外和中红外光学气体传感器。首次将波长调制光谱技术应用在野外3km的甲烷监测上,实现了区域型气体检测。为了实现多类气体的测量,本文研究了基于光学频率梳光谱技术结合长光程吸收池的单点传感器,并实现了开路测量实验。针对大气颗粒污染物的传感器的安全性,本文研究了1.57μm的气溶胶激光遥感测量系统。所发展的技术不仅应用到环境领域,也可以应用到医学领域,如人体呼吸气体(丙酮)。文章也进行了相关的研究。本文的主要工作如下:
  1.阐述了分子红外光谱吸收的基础理论,介绍了吸收谱线、线性函数等重要参数,并分析了温度、压强对吸收谱线、线性函数的影响。介绍了用于气体测量的波长调制光谱技术、腔衰减光谱技术、光学频率梳光谱技术三种技术原理。总结了激光测量系统的结构形式、光源和探测器。
  2.研究了近红外高灵敏度甲烷传感器及相关内容。设计并实现了长度为290m的长光程吸收池,提出了采用频率扫描光学相干测量方法实现了吸收池长度的高精度测量;设计和实现了数字锁相解调软件,并结合长光程吸收池,设计了近红外高灵敏度甲烷传感器;通过设计电路和自适应算法,实现了在大范围工作温度下对激光器温度的稳定控制。
  3.研究了中红外连续激光器和光学频率梳的丙酮及甲烷传感器。分析了中红外连续带间级联激光器的特征参数和光谱特征参数,结合波长调制技术实现了高灵敏度的丙酮光学传感器;设计和实现了长度为580m的中红外长光程吸收池,实现了高灵敏度的甲烷传感器;介绍了光学频率梳光谱技术,推导了双光梳光谱技术的原理,实现了甲烷和丙酮测量传感器。
  4.研究了1.57μm气溶胶激光雷达系统、基于波长调制光谱技术与光学频率梳技术的开路系统测量。自主设计并完成了1.57μm激光光源原理样机,结合单光子探测器实现了1.57μm微脉冲气溶胶激光雷达系统;实现了四通道的数字锁相解调软件,利用波长调制光谱技术,实现了有效光程3km左右的开路测量试验样机,系统灵敏度达到30ppb;利用中红外光学频率梳光源和光学光谱仪在室内实现了测量长度为39.6m的开路测量系统,能够同时测量到甲烷、水。并对不同条件下的测试结果进行了对比分析。
  本文的研究创新点概括如下:
  1.首次设计实现了基于Confocal的近红外长光程吸收池,吸收池的长度为290m。提出了一种基于光学频率扫描相干的长度测量方法,测量精度与光学吸收光谱方法相比较,提高了20倍。
  2.首次设计实现了一套可移动式高灵敏度甲烷传感器,包括解调软件的设计、光学平台的搭建以及传感器性能测试。传感器灵敏度可以达到1.2ppb。
  3.设计实现了基于脉宽调制和自适应算法相结合的激光器温度控制系统,能够实现激光器在大范围温度下实现快速温度稳定到常温温度,温度稳定误差为0.2℃,所设计实现的算法已经应用到企业的产品中。
  4.首次实现了基于中红外带间级联激光器和波长调制光谱技术的丙酮测量传感器,测量灵敏度达到0.12ppm。首次实现了在580m的长光程吸收池下的高灵敏度中红外甲烷传感器,探测灵敏度为2ppb。
  5.首次实现了基于双光梳光谱技术的丙酮和甲烷测量传感器,测量灵敏度分别为2ppm和60ppb。
  6.首次利用自主研发设计的基于光参量原理的人眼安全固体激光器和InGaAs APD单光子探测器,实现了1.57μm微脉冲气溶胶激光雷达系统,并进行了系统的远距离测量。
  7.首次将波长调制光谱技术用于远程测量试验中,实现了一套测量距离为3km公里的甲烷测量系统,探测灵敏度为30ppb。
  8.实现了基于中红外光学频率梳的甲烷测量传感器。分析并比较了系统在不同实验条件的误差。
[硕士论文] 许培
软件工程 西安工业大学 2018(学位年度)
摘要:大气环境的保护与治理关系到人类发展的未来,空气中有害气体成分监测和检测是全面了解大气污染情况并制定相应环保政策的必要措施和重要手段之一。空气中的有毒有害气体对环境带来的危害是极大的。所以,研制出一款体积小,携带方便,购置和使用成本低廉,能够实时检测空气中有害气体成分的烟气分析设备显得十分必要,同时它也具有重要的市场价值和应用价值。
  本课题设计了一种新型便携式紫外烟气分析仪,详细描述了紫外烟气分析平台的系统组成结构,工作原理,算法设计。硬件平台使用树莓派嵌入式开发板,软件平台使用Eric4和PyQt4来构建嵌入式烟气分析仪的开发平台,并使用了Python-seabreeze开发包进行二次开发。在基于比尔-朗伯定律和吸光度的多元叠加性的原理基础上,设计了一种新型算法——迭代算法,该算法利用紫外光在190nm-290nm处不同气体对紫外光有不同的特征吸收峰,多次循环迭代,直到相邻两次相同气体浓度差小于某一数值为止,最后一次得到的气体浓度就可以做为单质气体的精确浓度。
  实验结果表明:紫外烟气分析平台可以从光谱仪中读取出数据,并使用迭代算法计算出混合气体中各种单质气体的实际精确浓度,而且精度误差不超过3%,可以满足实际气体检测的指标要求。把树莓派嵌入式开发方案引入到紫外烟气光谱仪开发过程中,使用极小的成本实现了嵌入式系统对烟气气体成分的精确测量计算,为便携式烟气分析仪小型化,实用化,智能化,网络化的发展方向提供了一种新的参考方案。
[硕士论文] 曲京华
供热、供燃气、通风及空调工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:定期监测环境,能够为改善环境、防治污染提供重要的技术参考数据,对开展环境保护工作提供有力的依据。在各种各样的采样过程中,由于受到仪器、环境、粒子运动、人为等因素的影响,得到的数据不可能完全一致,对数据分析的结果也会有所差别,因此必须将监测数据的误差控制在合理范围内。
  本文通过三种不同的粒子计数器:超细凝结粒子计数器、空气动力学粒径谱仪、光学粒径谱仪研究气溶胶颗粒物分别在内径为7mm和10mm,管长为0.2m、0.3m、0.5m、1.0m的采样管中的误差损失。针对三种仪器采集的部分样本,剔除了实验的系统误差与粗大误差。通过研究三种仪器在采样管中的穿透效率数据误差,分析得出了三种仪器的误差都会随着粒径的增加而增加,尤其是UCPC仪器在粒径大于在2.5μm时呈现除了明显的上升趋势,APS与GRIMM在粒径小于2.5μm的误差基本都超过了10%,因此为了减小误差可以在不同的粒径范围选用不同的仪器进行测量。最后合成三种仪器的扩展不确定度:APS的扩展不确定度是3.50%;UCPC的扩展不确定度是1.54%;GRIMM的扩展不确定度是2.84%。
  另外,模拟不同的气溶胶采样环境(温度、压力、风速),分别研究APS粒径谱仪在不同工况下工作状态的稳定性。其中对于温度、压力的影响建立一元线性回归方程,并进行方差分析与显著性检验。分别说明了温度、压力对于引起流量的变化占据主导地位,而除了温度、压力影响之外的其他因素,比如实验误差、非线性影响以及其他未加控制的因素对于仪器流量变差的影响作用很小。在研究非等速采样误差时,发现非等速采样对大于等于5μm的颗粒影响较为显著,误差基本大于5%。风速的增加也会对小粒径颗粒非等速采样误差有明显的影响,但误差并没有超过5%。综合温度、压力的线性拟合、风速的非等速采样误差来看APS仪器在采样测量中是比较稳定的。
[博士论文] 贾尧
光学 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:水体重金属污染对生态环境和人体健康造成严重威胁,而工业排放废水重金属是该污染的重要来源,因此实现废水重金属的在线监测对工业减排控制和水体环境保护具有十分重要的现实意义。激光诱导击穿光谱技术(UBS)是一种简便、快速的多元素在线分析方法,适合应用于废水重金属的在线监测;但该技术目前仍存在基体效应严重、测量稳定性与重复性差等问题,且目前尚无针对废水重金属的LIBS在线监测设备。为实现基于LIBS技术的工业排放废水重金属在线监测,论文的主要研究工作与取得的成果如下:
  (1)提出了一种针对水体重金属的LIBS在线检测方案。采用石墨基底蒸干富集的样液预处理方式,研究了咖啡环效应对水样富集稳定性的影响,从优化光谱质量和提高水样富集效果的角度对石墨片进行了设计,使脉冲间相对标准偏差从28.51%降低至10.45%;设计了水体重金属在线监测仪的工作方式与总体结构。
  (2)研究设计了水样快速加热富集电路。采用电磁加热的样液蒸干方式,研究了电磁加热电路原理和电路性能的关键影响因素,设计了一种高能效的电磁加热驱动电路,并进行了实验对比验证。结果表明,电路振荡开关(IGBT)的开启时长是影响加热功率的主要因素,当该参数不超过3倍线圈充能时间系数τ时,加热功率与开启时长成线性关系;IGBT的开启时刻是影响电磁加热能效的主要因素,随着该参数值的增加,能效逐渐降低。
  (3)设计并实现了水体重金属在线监测仪的结构和功能。研制了石墨基片装卸载、样液定量添加、快速加热富集、激光激发检测等主要功能模块;通过对样液添加模块流路参数和蠕动泵工作方式的优化,使样液添加总量相对标准偏差达到0.16%;通过一种新型的石墨片贴合方式以及合理的样液蒸干判定方法,提高了仪器运行稳定性。设计了以C8051F120型单片机为核心的系统控制电路,并基于keilμ4.0平台开发了仪器下位机软件,二者共同实现对各个功能模块的控制和模块间的协同工作;结合上位机软件数据处理、人机交互等功能,实现了对水体样品的自动检测。
  (4)完成了水体重金属在线监测仪的实验室性能测试、光谱校准方法研究和外场实验验证。在实验室条件下测得仪器对Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn六种重金属元素的检测限分别为0.03、0.012、0.0047、0.033、0.071、0.038mg/L,各元素定标曲线在0~1mg/L范围内具有良好的线性。研究并提出了一种降低光谱变化率差异的在线校准算法,结果表明,全谱总和归一化处理可将Cd和Cr相对标准偏差分别由28.32%和31.93%降低至9.42%和11.06%,其综合校准效果优于单一元素内标效果。在工业废水排放现场进行了连续90小时的在线检测实验,验证了仪器运行稳定性和可靠性;将检测结果与ICP-OES测量结果进行对比,得到Cu和Zn的测量误差分别为5.50%和27.54%。论文研究结果为工业排放废水重金属的在线监测提供了技术手段。
[硕士论文] 孙娟
光学工程 安徽大学 2018(学位年度)
摘要:挥发性有机物(VOCs)作为一类重要的有机污染物,对动植物有直接毒性,且易燃易爆,发生泄漏时容易引发火灾、爆炸等安全事故,严重影响了人体健康、生态环境以及社会安定。因此,开展对这类气体的实时在线监测技术研究,及时掌握其分布、排放及泄漏情况,具有重要的实际意义。相比于传统的气体检测技术,激光吸收光谱技术得以快速发展,特别是可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)因其具有响应速度快、灵敏度和分辨率高、无损探测等优点已被广泛应用于各类污染气体的测量研究。近年来针对挥发性有机物在中红外波段具有宽带吸收光谱的特性,将经典的TDLAS检测技术与宽调谐范围的外腔式量子级联激光器相结合,构成的外腔式量子级联激光光谱技术已成为实现挥发性有机物精确分析和遥感探测的一种有效手段。
  本论文以商业化的外腔式量子级联激光器作为激发光源,结合自行研制的石英音叉光电探测器,搭建了一套可用于挥发性有机物分析的测量系统。通过对N2O吸收光谱的测量,检验了实验系统的线性度和石英音叉光电探测器的可靠性。以典型的挥发性有机物乙醇和丙酮为检测对象,深入开展了理论和实验研究,实验测量的吸收光谱与PNNL数据库的标准参考谱线具有良好的一致性。在实验数据处理方面,通过结合自行建立的多元线性回归算法与三次样条插值算法实现了多组分VOC挥发物的成分识别和定量分析。此外,开展了挥发性有机物泄漏遥测技术的实验研究,在30m远的距离下,分别在激光器慢速和快速扫描模式下,获得了乙醇和丙酮挥发蒸汽的吸收光谱,为未来开展危化品泄漏在线监测研究奠定了良好基础。
[硕士论文] 骆毅
动力工程及工程热物理;能源信息自动化 东南大学 2018(学位年度)
摘要:随着燃煤电厂烟气中汞污染物排放控制的要求越来越高,对烟气中各形态汞浓度准确、实时地监控显得尤为重要。基于冷蒸气原子荧光光谱法(CVAFS)的在线监测方法将以其操作简单、测量精度高、全自动控制等优点逐渐取代离线测试方法,测量精度高、适应强、运行成本低的汞在线监测仪器的研制已成为该领域的发展趋势。本文从汞在线监测仪中光电倍增管输出的信号处理以及整套仪器的控制系统设计入手,开展相关研究工作。
  汞分析仪在检测汞浓度过程中由于其自身及相应的信号转换传输电路中噪声的存在,导致最终获得的汞浓度值存在较大偏差。针对此问题,从汞分析仪中光电倍增管(PMT)输出的电压峰信号入手,提出一种基于分段多项式拟合(PPF)算法来建立某一电压峰的数学模型,并验证该模型的合理性。根据所建立的PPF模型以及该信号的噪声特性,获取相应的状态空间方程,并采用扩展卡尔曼滤波算法对该信号进行滤波处理。为了验证模型的适应性,将建立的PPF模型用于处理其他含噪电压峰。仿真结果表明,基于PPF模型拟合得到的电压峰与真实值最接近,其均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别为整体多项式拟合(GPF)模型的51.79%和53.13%,是高斯模型的9.00%和11.45%;基于PPF模型的扩展卡尔曼滤波算法对某一含噪电压峰信号的滤波效果显著;利用该模型来处理其他电压峰,滤波后得到的电压峰的RMSE和MAE均在1左右,体现基于该模型的扩展卡尔曼滤波算法在处理PMT输出的各种电压峰时具有较强的适应性。
  由于汞分析仪在检测汞浓度过程中,其输出的电压峰信号噪声统计特性易随工况的变化而变化,常规扩展卡尔曼滤波算法对该信号的滤波效果较差,对此提出了一种模糊扩展卡尔曼滤波(FEKF)算法。该算法根据实际观测新息的均值和协方差,通过建立的模糊控制器对模型系统噪声和观测噪声的方差阵不断调整,从而实现卡尔曼滤波器对含噪电压峰信号的自适应滤波处理。仿真结果表明,当观测值的实际噪声方差小于模型噪声方差时,FEKF算法滤波后的电压峰的RMSE和MAE比常规扩展卡尔曼滤波算法分别减少了4.16%和9.73%,当观测值的实际噪声方差大于模型噪声方差时,FEKF算法滤波后的电压峰的RMSE和MAE比常规扩展卡尔曼滤波算法分别减少了11.50%和11.45%,体现了FEKF算法在处理模型噪声特性偏离实际时具有较强的适应性。
  在汞在线监测仪的控制系统设计方面,在对该仪器的组成及工作原理详细分析的基础上,采用西门子STEP7编程软件设计下位机,用WinCC组态软件设计上位机,并将所设计的扩展卡尔曼滤波及其改进算法应用到该系统当中,通过上位机和下位机联机仿真调试,所设计的控制系统基本满足工艺要求。该控制系统是在研制汞在线监测仪过程中的重要探索,为今后的进一步研发提供参考。
[硕士论文] 张树青
船舶与海洋工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:海洋监测浮标是进行海洋观测,获得海洋参数的重要工具。传统海洋浮标单纯采用蓄电池来进行能量供给,存在工作寿命较短,更换电池不方便等缺点。利用可再生能源,延长浮标在海上工作寿命,是目前众多研究者关心的问题。本文提出了一种位于浮标内部的能量收集装置,可以收集浮标在海面上摇晃过程中的动能,并以液压能的形式储存在浮标内。当浮标受风浪影响需要调整其朝向时,可将该部分能量释放出来,驱动浮标朝向回转机构动作,调整浮标朝向,从而达到减小浮标电池能量消耗,延长浮标一次工作寿命的目的。
  本文首先通过实验得到了浮标在四级海况下的摇晃运动方程,完成了浮标能量收集装置机械结构和液压回路的设计,并阐述了该能量收集装置将浮标动能转化为液压缸机械能,再转化为蓄能器内液压能的能量转换过程以及该装置的基本工作原理。
  随后,本文通过CFD数值模拟的方法,对能量收集装置内的摆板在水舱计算域流场中的摆动情况进行了仿真研究,通过仿真结果得到摆板运动功率及能量俘获效率两个参数,表明该装置中的摆板具有一定的能量俘获功能。随后通过网格独立性验证和实验验证,证明摆板摆动情况仿真结果的可靠性。本文进一步通过改变摆板材质,水舱液面高度,浮标摇晃方向及运动状态等参数,分析不同参数的变化对摆板摆动幅值及功率的影响,得到摆板具有最佳摆动功率及幅值时的参数。
  然后,本文对浮标能量收集装置内的液压系统进行研究。通过AMESim软件完成液压仿真,确定满足实际工况要求时的液压元件基本参数,并得到液压马达对浮标朝向回转执行机构的输出转矩和转动角度。之后,根据本文设计的液压系统,计算得到液压缸对摆板的实际负载阻力,并根据该阻力对摆板在流场中的摆动情况重新进行仿真,得到摆动在实际负载阻力下的摆动幅值和摆动时间。
  最后,本文搭建该能量收集装置水舱及摆板的实际模型。通过六自由度平台模拟浮标在海面上的摇晃,得到摆板在流场中受到的阻力矩,从而通过实验验证本文提出的浮标能量收集装置可以有效俘获浮标摇晃产生的能量。
[硕士论文] 程鹏
光学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:水质好坏一直是人们日常生活中非常关注的问题,水质检测仪器自然受到人们越来越多的关注。本文的目的是设计一款具有高精度、低功耗、高稳定性、便于使用的基于紫外吸收法的水质检测系统。
  本文的工作包括:详细研究了紫外吸收法水质检测的原理以及锁相放大器的原理和实现。分析了使用锁相放大器的优点。设计一款水质检测系统。通过驱动信号驱动光源,照射水中溶液,通过探测器将溶液吸收后的光转换成电信号,经过锁相放大处理后得到与收集到的光强成一定关系的直流信号。通过光强计算溶液中物质的浓度。根据锁相放大器的原理、紫外吸收法的原理以及Matlab仿真设计了使用模拟锁相放大器的水质检测系统。并对数字锁相放大器的原理进行仿真,根据仿真结果对模拟锁相放大器的水质检测系统进行了优化和升级。
  通过实验测量出模拟锁相放大器的性能指标、以模拟锁相放大器为主的检测系统的性能指标、数字锁相放大器的性能指标以及以数字锁相放大器为主的水质检测系统的性能指标。同时解决了由于密闭环境下,大功率芯片持续工作以及光源长时间工作带来的温度漂移问题。结合仿真和具体情况进行了详细的分析。
[硕士论文] 万梓健
生物医学工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:良好的海洋环境无疑能为国家的发展带来便利,但随着工业和社会的发展,海洋的污染问题日益加剧,引发了一系列生态和经济问题。因此,实现对海洋环境的定期监测十分必要。贝类水产品作为重要的经济产物,受海洋污染的影响,时有贝类毒素超标的情况发生,可能导致食物中毒和贸易损失:其中大田软海绵酸毒素(OA)在我国的分布广泛,危害较大。但传统的大田软海绵酸检测方法专业性强,检测周期长,且实验室远离海岸线,无法满足现场监测的需要。所以,实现对大田软海绵酸毒素的便携式检测将极大地改善以上问题。
  本文设计并实现了用于大田软海绵酸毒素的便携式分析系统,包括贝类样品便携式前处理系统和基于智能手机的便携式检测系统。首先对海洋环境的现状以及污染情况进行了简要介绍,并介绍了与贝类毒素相关的背景知识,以及相应的富集与检测方法;然后分别从需求分析和系统设计对分析系统进行了介绍;最后对仪器的相关性能指标进行了测定,通过贝肉的加标样品和实际样品对分析系统进行了验证实验。该系统可应用于大田软海绵酸毒素的现场检测,为海洋环境监测和检验检疫提供了新的方法,有利于更好地监测海洋环境。
  论文完成的主要工作和创新点如下:
  1、完成了贝肉样品大田软海绵酸毒素的便携式现场检测前处理系统设计
  为了减小因实验操作习惯对实验结果带来的影响,提高现场检测时贝肉样品的前处理效率,设计并实现了便携式前处理系统。依据行业标准并结合现场检测需求,确定了前处理流程;依据确定下的前处理流程,为每个前处理操作设计了相对应功能模块,并由微控制器进行控制;设计了上位机控制软件并定义通信协议,用户可从用户端实现对前处理系统各模块的工作控制并了解当前前处理系统的工作状态。最后测试了前处理系统的性能指标,结果表明由前处理系统处理的贝肉样品中OA的回收率与手工前处理一致,当贝肉样品中OA的加标浓度为80μg/kg时,仪器的回收率为90.8%。
  2、完成了基于智能手机结合ELISA方法的OA现场检测系统设计
  基于智能手机的集合ELISA试剂盒检测系统提供了实现了OA的光学检测方法,提供了恒温环境供试剂盒的孵育,实现ELISA试剂盒的检测。在检测系统的硬件设计中,包含了适用于多孔板的结构、窄带光源和温控系统。结合智能手机检测软件,通过实验验证了检测系统与酶标仪之间的一致性,同时也完成了对加标样品和实际样品中OA含量的检测,通过计算可以得出检测系统的检测下限为0.196μg/L,准确度误差不超过10%,精密度为5%。
  3、完成了基于智能手机的多孔板图像识别检测算法及数据通讯
  设计了智能手机的检测软件,通过ELISA试剂盒的显色反应进行检测。使用手机的摄像头拍摄反应终止时刻的多孔板图像,根据溶液的颜色的互补色选择合适的颜色通道并分割多孔板图像进行分析。在使用空白校准去除背景干扰后,可以根据一系列浓度的OA标准物质溶液建立标定曲线,利用标定曲线对未知样品中OA的浓度进行计算和分析。所得的结果以文档格式保存在手机内,并通过邮件的方式进行远程分享和归档。
  4、完成了对加标贝肉样品和实际贝肉样品中OA含量的检测
  使用OA便携式分析系统对加标样品和实际样品进行了性能测试。首先使用OA便携式分析系统对加标浓度分别为20μg/kg,40μg/kg,80μg/kg,160μg/kg,200μg/kg的贝肉样品进行加标回收实验,确定贝肉基质对OA回收率的影响。对现场采集的贝肉样品进行检测,与实验室标准的酶标仪比较,实验结果表明,本文所设计的OA便携式现场分析系统的检测结果与标准仪器具有一致性,满足现场使用的需求。
[硕士论文] 郭文静
交通运输工程 集美大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国海上交通运输以及海洋资源探索需求的日益增长,近海海域的环境监测变得尤为重要,本文在对近海环境监测系统的发展以及国内外研究现状进行调研的基础上,设计实现了一个基于ARM内核和ZigBee技术的嵌入式近海环境监测系统,具有实时数据采集、无线网络通信、WEB浏览器人机交互、实时数据查询等功能。
  基于CC2530的ZigBee芯片设计了无线传感节点和无线网关,完成系统硬件设计和系统框架搭建;基于Z-stack协议栈实现了具有数据采集、无线传输和联网功能的ZigBee无线传感器网络;基于安卓的SDK和JNI技术设计实现了网关端监测软件的数据监测及控制功能;基于Lighttpd、PHP以及SQLite3技术实现了可通过web服务器跨设备访问和浏览监控数据,并能远程控制传感节点。
  经测试,系统可以通过ZigBee终端节点定时采集传感器数据,通过多跳方式传输到协调器节点,然后通过串口将数据传输到网关进行存储和管理。此外,还可通过web界面演示所采集的数据,完成跨设备的实时数据展示和查询。
[硕士论文] 赵峰
计算机技术 浙江理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着中国经济的快速发展,人类对水的需求力度不断增加,大量的生活污水和工业污水随意乱排,已经造成了地表水严重污染,水环境质量呈现不断恶化的趋势。而地表水又是人类用水的重要来源之一,所以对地表水的监测已经成为国家重点关注的问题。但是目前全国大部分地区对水质的监测仍然比较落后,对水质的评价也不够准确全面,这给相关环保部门对水环境进行及时有效地监测以及治理带来了一定的困难。
  针对我国当前水环境污染日益严重,水质监测耗时间,耗人力,且数据采集不及时,采集的数据有效性不高,预警信息生成不到位,水质评价不全面的现状。本文提供了一个有效、智能的监控系统和解决方法,对监测数据进行分析,设计了一个新的水质评价模型。本文以安徽黄山市黄山区的某河流站点为例,通过开发的地表水监测管理系统对站点地表水的监测因子数据进行采集,并利用设计的水质评价模型对水质进行评价,更为准确的反映水质状况,帮助相关环境部门实时、高效、准确地监测地表水水质情况,以便及时地采取治理措施。本论文的研究内容如下:
  (1)设计了适合多分类水质等级评价模型(IPOS-HSSVM Model)。该模型首先利用主成分分析(PCA)对样本进行主成分提取后作为模型的输入变量,能够有效解决原先样本变量之间因为信息重叠、输入参数个数过多导致模型训练时间久、效果不佳的问题。利用改进的粒子群算法(IPOS),改变传统粒子群算法中固定学习因子和惯性权重,采用自适应调整的惯性权重的方法结合动态变化学习因子对超球支持向量机(HSSVM)模型参数进行优化,从而对水质等级进行评价,最后与传统单因子评价方法进行对比分析,结果发现评价结果更加全面准确。
  (2)设计了地表水监测管理系统平台。包括系统需求分析、系统架构设计、系统使用框架整合设计、数据库设计、功能模块详细设计。此外还有详细的监测数据管理和审核流程设计,通过自动审核,人工审核,数据补遗等操作,保证采集的监测数据有效性。
  (3)系统的实现和系统功能测试。系统功能模块进行代码实现,并部署到满足使用要求的测试环境中,利用编写的测试用例,对系统进行严格的测试和结果分析,确保系统的可靠性和完整性等。
[硕士论文] 张路
环境工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:硫化物和氰化物均属于环境中易挥发性酸,毒性较强,通常给人类和环境造成很大的危害。常规的分析检测方法大多存在着耗时、操作过程繁琐、前处理要求高、仪器大而昂贵、不允许原位监测等问题,难以满足大量样品的快速检测需求。因此急需发展一种简单、快速、安全、高效测定这些高毒性易挥发性酸的方法。
  本文研究了PDMS膜对HCN及H2S气体透过率的影响及膜的稳定性和重现性等。PDMS疏水性渗透汽化膜是用叔丁醇稀释PDMS聚合物,经过脱气、匀胶旋涂制作,将其键合在流动注射气体扩散(FI-GD)微流控芯片中。在3000r/min的旋涂速度下,PDMS膜厚约4μm。它对HCN的透过率不小于65.7%(0.01~0.5mg/L CN-),对H2S的透过率达到了100%(5~100μmol/L S2-)。LIF检测信号的标准偏差为0.86~2.2%。自制的膜较均一,当替换新的芯片进行测定时,未见芯片之间有显著差异。
  采用FI-GD耦合LIF检测法实时在线监测环境水样中的氰化物和硫化物,优化确定了注射泵流速、酸及碱液浓度、荧光反应的最佳浓度。优化后最佳实验条件为:监测氰化物时,引入样品和盐酸的注射泵流速为15μL/min,HCl浓度为0.5mol/L,NaOH接收液浓度为0.1mol/L,流速为20μL/min。NDA浓度为0.6mmol/L(溶于8%DMF),甘氨酸浓度为2mmol/L(溶于200mmol/L,pH9.0的硼酸缓冲溶液)。监测硫化物时,引入样品和盐酸的注射泵流速为20μL/min,HCl浓度为1mol/L,NaOH接收液pH=12,流速为20μL/min。生成亚甲蓝显色条件为0.2%DMPD和0.1%K2Cr2O7。检测限(3σ/S)为0.015μg/L CN-,5μg/L S2-。该方法具有灵敏度高、操作简单、绿色安全、检测速度快、试剂消耗量少等优点。
  除此之外,也使用电化学检测法在线监测环境水样中的氰化物和硫化物。采用传统的方法自制CN-、S2-离子选择性电极,将其与微流控芯片结合制成微型电化学传感器。经过PDMS膜系统的CN-电极E-lgc响应曲线的电极斜率为14.5mV/pS;S2电极E-lgc响应曲线的电极斜率为21.2mV/pS。低浓度试样透过PDMS膜进一步富集,所以电极的线性响应范围更宽,且低浓度下的电极电位更高,尽管灵敏度较低。多次测试电极,所得结果的标准偏差在0.58~1%之间,重现性良好,无记忆效应。用此微流控-电化学传感器装置来加标回收处理过的水样,回收率在95~103%之间,结果尚满意。
  利用层流间高效传质特性,建立了基于微流控芯片的多流路平行层流样品前处理系统,对进样流速及芯片微通道修饰改性等因素进行研究考察,优化了基于微流控芯片层流技术测定水中弱酸可分解氰化物的前处理条件。此层流前处理系统联用荧光分光光度计测定水样中CN-,方法的线性范围为1~10μg/L CN-,检出限为0.12μg/L CN-,加标回收率在97.4~104.8%。本方法比传统的蒸馏法更绿色、安全且试剂消耗量小,对分析实际样品中的氰化物毒性水平提供了一条可供选择的途径。
[硕士论文] 陈俊松
核科学与技术 东华理工大学 2017(学位年度)
摘要:氡子体气溶胶粒径分布的研究涉及核科学、环境科学等学科,作为辐射环境的防护与治理、肺部组织区域的剂量沉积计算、氡子体测量仪器的开发等领域的基础研究。氡子体气溶胶在环境中对人体健康造成了危害,因此本文开展了测量其粒径分布特征的研究工作。
  目前测量粒径分布的国内外方法中,很多都测量不到超精细纳米级气溶胶的粒径,并且针对放射性气溶胶粒径测量的方法和仪器更少。使用级联丝网组的测量方法解决了这些问题,尤其能够给出未结合态氡子体气溶胶的活度粒径分布情况。本文依据风扇模型丝网收集理论,为级联丝网组系统选择了不同于其他研究的采样流速和丝网目数,结合期望最大值算法反推粒径分布公式并迭代计算氡子体气溶胶各粒径段对应的活度份额极大值。本文提出了划分3个粒径区间分别计算收集效率的方法,能够突出不同粒径的氡子体气溶胶被丝网收集的机理,并且简化了收集效率的计算过程。本文在α谱仪只有单通道的情况下使用三段法测量了标准氡室内氡子体的平衡比,在此基础上设计实验,测量并计算级联丝网组采样器收集的氡子体活度浓度。
  本文使用级联丝网组方法测量氡室内氡子体气溶胶的活度粒径分布的结果显示为双峰结构,其中未结合态活度中值粒径为0.82nm,结合态活度中值粒径为463.45nm。通过对比验证,发现未结合态活度中值粒径与其他研究机构的成果基本相同,而结合态活度中值粒径与本文中扫描电迁移率粒径谱仪的测量结果及其他文献结果都有一定的差距。本文的结果体现了级联丝网组在测量未结合态氡子体粒径分布的优势,而出现结合态活度中值粒径偏差较大的原因是本文与其他研究结果的测量环境、气溶胶类型和测量原理不同。
[硕士论文] 王茂林
电子与通信工程 山东工商学院 2017(学位年度)
摘要:土壤有机物污染特别是重非水相液体(Densenon Aqueousphase Liquids,缩写为 DNAPLs)污染是当前我国土壤和地下水污染控制的难题之一,探索地球物理动态数据检测新方法与新技术迫在眉睫。为治理 DNAPLs土壤污染问题,首先要明确污染的程度和范围,建立有效的污染监测和评价方法十分必要。传统的检测如钻探取样加化学分析,不仅浪费了大量的人力物力和财力,还容易对土壤造成二次污染,且仅为静态检测,不能准确确定污染范围和实时监测,而复电阻率作为物理探测的一种新方法,可以很好的解决上述问题,但在土壤污染检测方面研究还很少,且目前复电阻率污染检测装置尚未成熟,因此迫切需要对复电阻率检测装置进行深入研究。本文研究以解决实际问题为出发点,针对 DNAPLs污染土壤,研究复电阻率检测新方法,并设计开发复电阻率监测装置,将地球物理学、环境化学以及计算机与信息科学的相关理论与方法结合在一起,探索适用于DNAPLs污染土壤监测的新途径。
  本文在分析土壤电性机理和极化机理的基础上,对土壤复电阻率法测量的原理进行分析,设计开发了一套基于LabVIEW的实验系统。该系统实现了复电阻率的实时测量和图形化显示,对采集信号进行频谱分析、相频分析,并实时显示和记录采集波形,实时保存复电阻率数据。利用设计开发的复电阻率测量装置,对DNAPLs污染土壤进行室内实验,实验样品采用细砂和5%膨润土均匀混合来模拟实际土壤,测量在低频下进行,频率范围为2-4--25Hz,结果表明,随着DNAPLs含量的增加,复电阻率幅值明显增大,复电阻率相位得到明显压制,但随着频率的变化其相位变化十分明显,且当污染到达一定程度时,其复电阻率参数到达一稳定值,可以很好的区分污染和未污染土壤。又通过可溶性金属盐溶液污染土壤实验,与 DNAPLs污染实验数据分析得到,土壤孔隙中填充物发生改变,其表现出来的极化效应不同,进而使测量得到的复电阻率幅值和相位发生变化,产生差异。说明可以通过污染物性质的不同来检测土壤污染。
  通过本文研究的复电阻率监测装置能够很好地在室内实验下区分 DNAPLs污染与未污染土壤,为野外复电阻率监测提供了基础性资料,同时也为复电阻率监测装置的研究提供了一定的参考和推动作用。
[硕士论文] 顾亚辉
仪器仪表工程 桂林电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当前我国水环境面临的挑战日益严峻,人均资源量较少且分布不均,污染区域逐年增加,并且由地表水污染蔓延至地下水污染。由于人工监测方式具有费时费力的缺点;自动监测站点数量有限且位置比较固定,难以应对突发性污染事故和实时追踪污染情况。现有的移动监测方式主要是人工驾驶大型的监测船或车、无人遥控监测船,均存在着成本高昂且体积较大的缺点和难以在复杂区域进行工作的局限性。针对目前这些监测方式存在的缺点,本文在现有监测技术的基础上,设计和开发了一套小型化、操作灵活的移动式水质污染监测系统。
  首先,通过调研了解目前国内外水质监测系统发展现状,以及水质监测技术的发展水平。对评价水域水质主要指标的监测原理和监测方法进行了研究,特别在利用光学方法测量水体化学需氧量方面。通过查阅国内外文献资料,总结目前在光学方面利用较多的方法主要包括近红外、可见光、紫外-可见光谱法等。在实际定量预测分析中,测量背景的变化使这些方法在仪器化过程中增加了许多不确定因素,基于该原因我们在利用LIBS技术定量化分析方面进行了深入的研究,并通过实验验证了该方法的可行性。
  在研究了水质监测原理和方法的基础上,总结了当前监测方式存在的缺点,我们设计了基于多参数监测的移动水质污染监测系统,该系统主要由移动巡游监测设备、手持设备两大部分构成。监测设备上的水质检测模块可以实现水质的快速检测,系统设计包括无线数据传输、存储、曲线图和分布图的绘制以及GPS定位等功能。
  其次,对样机系统的各个功能进行了一系列测试和评估,通过现场试验验证了本系统能有效进行区域水质监测和数据分析。系统具有体积小、操作灵活的优点,丰富了现有的水质监测方式,具有实际的应用价值,并对未来移动式水质污染监测系统进一步的研究方向进行了展望和规划。
[硕士论文] 纪刚
地图学与地理信息系统 兰州交通大学 2017(学位年度)
摘要:本文针对当今城市水质热点问题—黑臭水体的水质监测这一问题,研究了基于遥感方法下对黑臭水体监测的可行性。对典型遥感水质因子叶绿素a、总悬浮物浓度和水体浊度在黑臭水体和一般水体两种环境下的反演效果进行了对比分析,同时对这三类典型水质因子能否作为黑臭水体判断标准进行了验证;以GF-1 PMS(2/8m)和GF-2PMS(1/4m)影像数据作为数据源,通过对遥感反射率特征曲线规律的分析,选用多种波段组合建立起黑臭水体判别模型组,最终由模型分类精度得到最适合的黑臭水体判别模型;并对黑臭水体判别模型的阈值做了筛选,找到可用来判别黑臭水体的普适性阈值,经实测分类结果和多期影像验证,均达到满足分类精度的要求;利用相关性分析方法,定量的分析了黑臭水体评价标准中各个水质参数与黑臭水体指数之间的相关关系,找到了水质黑臭程度与黑臭指数之前的线性关系;利用如上结论,对北京市通州区和朝阳区2013-2017年黑臭水体空间分布和变化趋势做了分析,并对典型河段黑臭水体产生原因及其变化做了分析。
  本文选用南四湖和沙河水库作为研究区的验证区,对典型遥感水质因子叶绿素a、总悬浮物浓度和水体浊度在表征黑臭水体效果做了分析,证明叶绿素a和总悬浮物浓度量值上与黑臭水体没有相关性,同时遥感反演效果较差;水体浊度在量值上可以很好的区分黑臭水体与一般水体,但遥感反演效果不佳。因此叶绿素a和总悬浮物浓度不满足遥感监测黑臭水体条件,水体浊度可以作为黑臭水体监测指标。
  对高分影像典型黑臭水体和一般水体光谱曲线特征分析的基础上,利用相关波段组合增大黑臭水体与一般水体的差异,构建了黑臭水体判别模型。利用准同步野外实测水质数据对模型分类结果加以验证,分类精度达90%以上。
  为验证判别模型的可推广性,利用多期影像对研究区内水体类别进行分类,并以野外实测数据验证,在满足分类精度的要求下,对模型阈值选取范围做了相关研究,发现黑臭水体与一般水体的分割阈值为0.8左右。
  利用相关性分析方法,对黑臭水体判别指数分别与氨氮、氧化还原电位、溶解氧做了相关性分析,均在0.01水平上显著相关,相关系数分别为-0.82635、0.720542和-0.63394,说明随着黑臭水体指数的增大,黑臭水体的黑臭程度也越来越高。
  利用黑臭水体判别模型对北京市2013至2017年朝阳区和通州区的黑臭水体的空间分布和变化趋势发现:通州区水质污染程度要大于朝阳区;研究区内黑臭水体面积2013年到2016年逐年增加,到2016年达到最大,2016年后期随着清淤治理、铺设截流管线、封堵排污口等工作的开展,黑臭水体分布有所好转;2017年研究区内黑臭水体面积有所减少,部分河段水质达到还清。
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