2.光电检测与传感

       光电检测与传感技术具有非接触、响应快、性能可靠等特点，而且可测参数多，传感系统结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制中应非常广泛。

2.1光电检测系统电路设计

       研究方向是基于单片机的各种智能控制、检测电路系统设计。例如高速数据采集与处理模块，激光器与探测器驱动模块，高精度控温模块等。所使用的单片机类型主要包括PIC、DSP、ARM等。
2.1.1 驱动模块电路系统设计

       大功率LED驱动采用PWM波控制场效应管的导通，实现对大功率LED的恒流驱动。输出电流0~1.5A可调，调节精度1.5mA。各种工作模式与工作参数可以通过RS-232通信接口远程设置。

大功率LED驱动

便携式激光光源

       该光源可以工作在连续光模式和2KHz调制模式，配合光功率计，可以在野外方便地实现对光纤链路的损耗测量。本设计的特色是采用了microchip公司的纳瓦级别低功耗单片机作为控制核心，可以实现电池供电下的长时间工作。2节3A电池的理论待机时间为15年。

便携式激光光源

脉冲信号发生器

       在传感应用中，经常需要生成多路脉冲宽度为数个纳秒的高功率脉冲信号。并且要求各路脉冲间的延迟时间可调，时间边沿抖动不超过100个皮秒。本设计采用FPGA/CPLD为核心器件，配合功率放大电路与延迟发生芯片，可以实现多路高功率窄脉冲的生成。

脉冲信号发生器

高精度半导体激光器驱动

       激光器在通信、测量、传感等领域均有广泛应用。本设计针对高端激光器，以microchip中档单片机为核心，可以实现对通用的蝶形封装激光器的恒温、恒流或恒功率驱动。恒温器件驱动电路2.5A，控温精度高于0.001K。恒流驱动范围0-2A，可调步进1mA。

高精度半导体激光器驱动

2.1.2 控制系统设计

基于负载特性的控温模块

       传统的温度控制器需要采用热敏电阻等测温元件测量被控温物体的温度，从而实现对温度的反馈控制。本设计则直接检测被控物体本身阻抗特性的变化，实现控温。特别适合那些无法安装传统温度传感器的应用场合。

基于负载特性的控温模块

电光调制器工作点锁定装置

       基于光时域反射(OTDR)技术的分布式光纤传感系统通过向传感光纤注入探测光脉冲并检测其背向散射信号，可以同时获得被测量在时间和空间上的分布状况。通常探测光脉冲由电光调制器（EOM）产生，但是EOM的工作点在长期工作时易发生漂移现象，从而引起探测光脉冲消光比的波动，降低传感系统的信噪比。因此需要采用自动控制装置对EOM工作点进行锁定。传统上常使用光耦合器对施加扰动的光信号进行分光反馈并根据反馈结果补偿EOM工作点的漂移。然而这种反馈结构难以同时保证光脉冲的消光比与稳定性。本设计针对传统方法的局限性，利用与探测光脉冲同步工作的光开关代替传统方法中的光耦合器，提出了一种改进型的EOM工作点锁定方法。对比实验结果显示本方案所获得的探测光脉冲动态消光比更高且更稳定，特别适合基于分布式光纤传感系统的应用。

电光调制器工作点锁定装置系统框图

电光调制器工作点锁定装置实物图

2.1.3采集与处理系统设计

高速数据采集板卡

       高速数据采集板卡在传感、测量等领域均具有广泛的应用。本设计针对分布式光纤传感的各种具体应用场景，实现了100MHz采样率，14bit量化位数的高速数据采集板卡。该板卡的存储深度为8M，采用USB2.0接口上传数据。

高速数据采集板卡

1. 董寅，张益昕，王顺，张旭苹.2007.布里渊光时域反射传感系统数据采集模块的研制[J]，光电子技术，2007,27（2）：88-91

高速信号采集与处理板卡

       高速数据采集与处理板卡除了可以实现数据采集功能，还可以依托板载的FPGA芯片对采集得到的数据进行实时的信号处理，在长距离光纤传感的应用中尤其具有重要地位。可进行的数据处理操作包括：数字滤波、功率检波、对数变换、数字下变频、周期累加等。

高速信号采集与处理板卡

2.2基于机器视觉的检测技术及其应用

       在人类从外界环境获取的信息中，70%来自于视觉。人通过眼睛从周围的环境中获取图像信息，由大脑对信息进行处理，从而识别、理解周围的环境。计算机视觉的目的，是建立以计算机为中心的视觉系统，通过图像传感器获取图像，使用计算机实现信息处理，从而实现对三维世界的理解，在一定条件下替代人类的部分视觉工作。

       研究基于机器视觉的检测技术，通过计算机分析数字图像实现对被测对象某些特性的检测。具体应用包括光纤端面检测与自动熔接，集成电路晶圆质量检测等。

2.2.1便携式光纤熔接系统

       单模光纤巨大的带宽容量使其较之传统的多模光纤更适合通信系统的搭建。随着光纤通信尤其是光纤到户（FTTH）的发展，对于便携式单模光纤熔接机的需求日益增长。为了满足这一要求，熔接机的元件必须精简和集成。本设计给出了一种便携式光纤熔接机图像系统的软硬件实现方案。通过改变照明方式并重新设计镜头，缩短了光路的尺寸。同时使用具有数字接口的 CMOS 图像传感器和高性能的微处理减小了电路主板的尺寸。改进后的熔接机尺寸为 120mm×90mm×105mm，不安装电池时的总重量为 1.2Kg。熔接机通过该图像系统获取光纤的坐标参数，从而自动完成光纤的对齐和熔接工作。实验显示该熔接机具有很好的稳定性，平均接续损耗小于0.2dB。

便携式光纤熔接机

1. 王顺，张益昕，郭亚敏，张旭苹，路元刚，便携式单模光纤熔接机图像系统的研制[J]，仪器仪表学报， 2009，30(6):234-237

2. Shun Wang, Yixin Zhang, A Robust Alignment Algorithm for Microprocessor Based Fiber Fusion Splicer[C]，Image and Signal Processing, 2009: 1-4

2.2.2基于嵌入式系统的金丝球焊线系统

       金丝球焊线机是 LED 芯片封装中的关键设备，通过安装图像识别系统可以对手动式的金丝球焊线机进行自动化改造。现有的芯片定位算法运算量大，鲁棒性较差，对应用环境有很强的要求。本设计提出了一种基于金字塔分解和色彩分析的图像匹配算法。该算法首先通过金字塔分解对目标图像进行分层搜索，使得匹配运算量呈几何级地减少。再通过对图像的红、绿、蓝三路颜色通道分别进行匹配和分析，提升定位的精度和鲁棒性。该设计已经在嵌入式系统上得到了实现，并在工业上得到应用。

基于嵌入式系统的金丝球焊线机

1. Yixin Zhang, Shun Wang, Xuping Zhang, Xuejun Lu, Motion blurred image restoration algorithm for IC wire bonder[C], Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,  2009, V7513

2. 张益昕，王顺，张旭苹，基于嵌入式系统的全自动LED金丝球焊线机[C]，中国光学大会，2010.8

2.2.3基于机器视觉反馈的全自动微纳光纤器件加工平台

       微纳光纤能够将光限制在亚波长尺度内实现长距离微损耗的传输，这为光学器件微型化以及微芯片间的光互连提供了可能。同时由于微纳光纤具有亚波长的几何尺寸，使其具有大倏逝场和高光功率密度等特点，能够实现高灵敏度的光传感和非线性光学器件，有望应用于声光转换器、光学放大器、微腔器件、光子晶体耦合以及传感器等领域。这些特点使得微纳光纤成为今年来微纳光子学研究的一个新热点。获得微纳光纤的途径主要通过熔融拉锥。目前国内的光纤熔融拉锥设备基本依赖进口。少数的国产设备主要基于火焰熔融技术，加工精度有限。本设计针对微纳光纤器件加工的实际需要，实现了一种基于机器视觉反馈的全自动微纳光纤器件加工装置。

       该装置通过图像采集设备，实时观测加工中的光纤。使用红外波段的CO₂激光器配合扫描振镜和聚焦透镜作为加热装置对光纤进行熔融处理。由于激光波长在可见光范围之外，可以减小加热对图像采集设备的影响。通过专门的校准，可以确定图像与激光器焦平面之间的对应关系，从而实现激光光束对待加工光纤的精确瞄准。光纤的拉伸使用程控的精密电机平台实现。使用计算机对图像采集设备获取的图像进行分析，通过对图像数据的处理获取当前光纤锥体的形状参数，根据相应的算法，计算机会自动修正激光器和电机平台的工作参数，从而构成闭环控制回路，使得加工得到的器件形状尽可能逼近设计值。整个加工过程完全实现自动化控制，无需人工干预。

光纤微纳结构加工平台基于机器视觉反馈的全自动微纳光纤器件加工平台

2.2.4货运列车限界测量仪

       铁路是国民经济的大动脉，其运输的安全不仅直接影响铁路系统的效益，还将影响社会生产和安定。而货运列车运输作为铁路运输的重要组成部分，其装载状态是保证行车运输安全的关键环节。在铁路货运列车运输中有一类特殊的运输项目，称为超限货物运输。它的运量在铁路总运量中所占比重不高，但其运输对象大部分是国家重点工程项目的关键设备，对国民经济的发展，特别是对国家基础建设和国防建设具有特别重要的意义。但是目前在铁路货物的装载、编组运输过程中，对于车辆是否超限的检测主要是通过人工测量完成的。检测人员只能在车辆停稳后使用标杆、水平尺以及铅垂线等工具简单地测量货物的高度和宽度，甚至在一些条件简陋的货运站仅凭经验目测，准确性差、效率低、劳动强度高、漏检率大。

       我们提出了基于计算机视觉测量的便携式货运列车超限检测系统方案，可以实现对货运列车车体及货物三维几何尺寸的非接触式测量，并自动进行超限判断。其测量精度高、速度快，对于测量场地无特殊要求且不需要对现有场地的设备进行改造。测量过程中，使用支架搭载测量装置。支架的高度可以自由伸缩和固定，测量装置的俯仰可以调节。操作人员一旦架设好测量装置，则整个测量过程由计算机控制完成，实现了自动化测量。

货运列车限界测量仪结构示意图

货运列车限界测量仪

1. Fei Xie, Yixin Zhang, Shun Wang, Xuping Zhang, Li Qi, A Robust extrication method for structured light stripe[J], International Journal for Light and Electron Optics, Accepted

2. Li Qi, Yixin Zhang, Xuping Zhang, Shun Wang, and Fei Xie, Statistical behavior analysis and precision optimization for the laser stripe center detector based on Steger's algorithm[J], Optics Express, 2013, 21(11): 13442-13449.

3. Yixin Zhang, Shun Wang, Xuping Zhang, Fei Xie and Jiaqi Wang, Freight train gauge-exceeding detection based on three-dimensional stereo vision[J], Machine Vision and Applications, 2013, 24(3): 461-475

4. 张益昕，王顺，张旭苹，大尺度三维视觉测量中的离焦模糊图像恢复[J]，仪器仪表学报，2010，31（12）:2748-2753.  

5. 张益昕，汪家其，王顺，张旭苹，俞乾，基于大尺度三维几何视觉的货运列车超限检测方法研究[J]，仪器仪表学报，33（1）：181-187，2012

6. 张旭苹，汪家其，张益昕，王顺，谢飞，大尺度三维几何尺寸立体视觉测量系统实现[J]，光学学报，33（1）：41-47，2012

7. 张旭苹，刘振乾，王顺，张益昕，基于双处理器架构的列车超限检测系统研究[J]，仪器仪表学报，33（1）：91-96， 2012

8. 王顺，徐静珠，张益昕，张旭苹，谢飞，结构光光条中心点信度评价方法与应用[J]，光学学报，2011 31（11）：1115001

9. 俞乾、张旭苹、张益昕、王顺、戚力, 一种新型三维视觉测量结构光平面标定方法，中国激光，2012 31（1）：S108006

10. 谢飞，张旭苹，张益昕，王顺，徐静珠，基于机器视觉的货运列车超限检测中基准面获取方法[J]， 铁道学报，2012,34（10）：72-78

2.2.5石英晶片质量检测系统

       近年来，石英晶体振荡器因为其无可取代的频率温度稳定性、低成本、成熟性，已经成为稳定频率来源的最佳、通常也是唯一选择。晶片在大批量生产过程中，会产生缺边、掉角、裂纹、划伤和形状尺寸不规则等质量问题，需要对产品外观进行实时检查，筛选。这种重复性的工作通常由人工在显微镜下观测完成。检测时由操作人员使用夹具手动将待检测石英晶片放置到显微镜的观测区，操作人员通过显微镜目测晶片的外貌并做出是否存在缺陷的判断，再使用夹具夹取晶片并进行分类。为了解决操作人员长时间工作视觉疲劳、身心疲劳带来的产品检验标准不统一、检验精度低等问题，本设计对当前石英晶片质量检测技术的不足，尝试提出一套新的测量方方案，可以对晶片的各种缺陷进行准确识别，并获取其特征参数。根据该检测方案研发样机，填补国内在基于机器视觉的石英晶片质量自动光学检测设备的空白。

石英晶片质量检测仪

1. Xie Fei，Zhang Yixin, Wang Shun, Zhang Xupin, Xu Jingzhu, A Phase Congruency Based Corner Detector for Images Under Different Illuminations[C], Symposium on Photonics and Optoelectronics ，2011，5.

2.2.6激光羽毛加工系统

       基于机器视觉的激光羽毛加工系统用于替代传统手工羽毛切割机生产羽毛球用羽毛。系统采用两个摄像头识别原始羽毛的空间位置和三维形状信息，由控制中心解算图像信息后针对不同的原始羽毛匹配不同的羽毛目标模板，按生成的切割路径控制大功率二氧化碳激光器光束经振镜系统聚焦在待切割的羽毛之上完成羽毛切割。系统的优点在于实现了羽毛切割的自动控制、可以兼容不同质量的原始羽毛、能对切割后的羽毛产品进行分类。这将是对传统羽毛球产业的一次巨大冲击。

激光羽毛加工系统

2.2.7敞车车门闭锁图像检测系统

       为保证火车敞棚车及货物运输途中的安全性，敞车在出货场前，要用铁丝对关闭的车门实施绞锁。目前，车门关闭、绞锁及车门闭锁状态的检查工作皆由人工完成，由于人工检查绞锁状态的效率低下，为此，开发了基于实时抓拍图像和数字图像处理的敞车车门绞锁检测系统。

车门闭锁检测系统结构示意图

       敞车车门闭锁检测系统的构成如上图所示，相机架设于车门两侧，其架设高度和与铁轨之间距离均固定。铁轨下放置传感磁钢，将磁钢产生的信号作为相机抓拍的触发信号，这样，保证相机可准确抓拍到车门图像。

敞车车门及其区域划分

区域A为车门，区域B、C为车门绞锁位置

       上图为待检测的敞车车门，由于被检货车在运动中，所以在CCD中获取到的车门位置图像随车速而变化，故首先需对抓拍图像中的车门进行定位。车门定位采用Harris角点检测算法，先确定车门横梁位置，进而通过锁与横梁的相对位置，获取锁的坐标区域。上位PC机在得到绞锁区域坐标后，对绞锁区域图像进行膨胀运算，增强铁丝的灰度信息。再根据膨胀过后图像的大津法阈值，判断车门绞锁与否。

2.2.8二维相位展开技术及可靠质量图的生成技术研究

       利用移相干涉术获得的多幅光学干涉图像，获得被测物体形貌对应的包裹相位图像，根据包裹相位图像的相位信息构建可靠的相位数据质量图，利用质量图指导二维相位展开的进程，可克服光学干涉图像中的噪声、遮挡、欠采样等不利因素，获得误差最小的物体三维原始形貌。

       精密微光学器件表面图像的复原             螺旋剪切图像的复原

      Y. Lu,et.al, Optics and Lasers in Engineering, 50:1397, 2012

2.3 微流控芯片及平台技术研究

      微流控芯片技术(Microfluidics)又被称作“芯片实验室”（lab-on-a-chip）或者“微整合分析芯片”（micro total analytical systems，μTAS）其是把生物、化学、医学的整个反应和分析过程集成到一块芯片上，自动完成整个以前在实验室完成的复杂的实验全过程。这其中包括样品制备、反应、分离、检测等基本操作流程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微液滴芯片技术是在传统的单相微流控芯片技术的基础上发展而来的，其是基于油和水液滴的不互溶特性的两相系统。与单相微流控系统相比有更多的优点,如液滴可以更小达到微升以下量级，消耗样品和试剂量更少，样品量不会损耗,混合速度更快,不易造成交叉污染,易于操控，可以让系统具有数字化特征并易于检测等。

       本研究中，新型微流控芯片系统平台的开发，包括离心力微流控平台及电湿润微流控平台。研究目标是使系统具有可反馈可扩展特性，提高芯片在功能层面的集成度。前期在基于液滴的离心力微流控平台及DNA扩增实验前期的研究中，对离心力平台做了理论及应用上的拓展。

2.3.1离心力平台的供电及芯片局部加热和控制技术研究

       在传统的离心力旋转的平台上，不易实现局域加热，然而这在很多反应中需要。本研究中，如下图，通过分离磁芯变压器来给旋转的平台供电。从而可以在平台上实现加热、温度测量，无线通信控制、微阀的控制等等。为实现多功能的芯片平台（如DNA扩增的PCR实验）提供了必要的基础。另一方面，局域加热的加热器的设计也是本项目一个极为关键的问题。

离心力微流控平台及分核磁芯供电方式

Guanghui Wang,  et.al, Lab Chip, 2013, DOI: 10.1039/C3LC50545F

2.3.2 转动平台实时荧光检测技术研究

       在离心力平台上，实时的检测是一个难题。本研究通过高速采样及数字锁相的方式，实现了旋转中的实时荧光检测。如下图，在激励光的照射下，转动平台的响应光通过光电倍增管后输入数据采样设备，进行高速采样。采样到的数字信号导入数据处理单元。同时通过电机的控制单元提供的转动信息来锁定荧光探测系统。从而该系统实现了高速转动平台上的实时荧光检测。该工作将开启一系列全新的微流控的研究领域。

离心力平台的实时荧光检测系统

2.3.3 基于密度差驱动的芯片驱动方式研究

       在转动平台中，通过水和油的密度差所产生的离心力来驱动微液滴在静止的油中游弋。相对于普通的微液滴芯片，该方式主要有以下几个优点：精确的位置控制；气泡和液滴的分离容易；装置操作简单,无需复杂的微量注射泵；所有液滴并行地进行各自独立的操作。相比于基于介质的电润湿法相比，不需要多点高压电源设备，不需要复杂的驱动系统，可扩展性不需要硬件的支持。 基于离心力平台上的droplet in oil 配置，可以实现很多新的生物芯片。

基于密度差驱动的离心力平台

2.3.4 离心力双态平台的研究

        在普通的离心力平台上，离心力只能驱动液滴从内向外运动，系统结构是单向性的。在前期的研究中，我们通过弹簧的弹力来平衡离心力，通过控制转动速度来控制管道倾斜的方向，从而实现了液流的双向控制。如下图分别为低速转动和高速转动时候的芯片状态图，其中的液滴流动的方向是双向的。基于双态平台，本研究将开发逻辑操控功能，实现多功能高集成度的微流控芯片。

转动速度驱动的双态系统设计

2.4微流体光电检测技术及生物传感检测技术

       本研究方向通过微纳光子学的手段及微谐振腔的手段，研究用于检测芯片内部的微流体的光电检测技术。并把这些技术应用于生物检测、化学检测等。前期的研究中，基于双态离心力平台及实时荧光检测技术，通过PCR扩增方式，实现了金黄葡萄球菌基因片段的快速实时检测。在每个周期的荧光检测中，可以观测到随着DNA数目的扩增，荧光信号逐步增强。每个周期的荧光光谱如下图。

每个周期的PCR荧光光谱检测

       如下图，系统最终实现了30分钟内荧光信号的8倍放大。并明显的观测到了阴性和阳性样品的差别。实现了基于DNA扩增的快速分子诊断。

基于快速采样的RT-PCR荧光信号及PCR检测结果

2.5 气体传感

       气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等气体探测领域有着广泛的应用。

2.5.1 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体传感

       TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectrum，可调谐半导体激光吸收光谱）技术通过使用波长可调谐窄线宽（~MHz）激光扫描目标分子吸收线并检测激光的衰减比例得到待测气体的浓度，具有高灵敏度、极佳的气体选择能力、非接触测量以及快速响应等显著优点。同时，由于分子吸收线对温度存在依赖关系，该技术也可被用于恶劣环境下温度的非接触式测量。目前，TDLAS技术已被广泛运用于分子光谱学、工业过程监测控制、燃烧过程诊断分析、发动机效率和机动车尾气测量、大气中痕量污染气体监测与气体温度与压力的测量等领域。

使用波长调制技术的TDLAS系统结构图

在该方向上的研究内容主要集中于常压下CO的测量中的系统噪声分析与稳定性的分析。

采用平衡光路对气体测量稳定性的改进结果