高通量单分散纳升 /皮升液滴的制备在数字 PCR、质谱分析、细胞筛选等生物医学领域至关重要, 而现有的技术制备速率只能达到 1 000/s。本文提出了一种离心力与微喷嘴阵列相结合的微流控芯片, 实现了超高通量液滴的制备。首先, 对离心液滴微流控芯片进行设计, 通过有限元仿真详细分析了微喷嘴尺寸、离心加速度和流量等参数对液滴尺寸的影响, 获得了纳升级液滴芯片的设计参数, 使用微纳加工方法制作离心式液滴生成芯片, 并进行了液滴的高通量生成实验。实验与仿真结果表明: 液滴尺寸与离心加速度成反向关系, 与微喷嘴尺寸成正向关系, 并在很大的流量范围内液滴尺寸基本不变, 表现出优异的鲁棒性。本液滴生成芯片在离心加速度 250g~500g下, 可制备液滴直径为 105~145 μm, 制备速率达 27 000个/s, 且直径一致性良好( CV<3%), 证明本液滴生成芯片具有超高通量的特点。

基于数字微滴图像检测法的数字聚合酶链式反应(PCR)在检测时获取的荧光微滴图像呈密集分布、具有低亮度、低对比度等特点, 导致其识别正确率较低。为了实现对密集分布的荧光微滴的正确识别, 本文提出一种基于改进的分水岭分割算法的荧光微滴识别方法, 首先利用直方图均衡化和高斯滤波对图像进行预处理, 然后使用局部自适应阈值分割从背景中提取目标, 降低对图像灰度信息的依赖, 最后结合微滴形状类圆、尺寸较均匀的特点定义微滴黏连度函数, 降低了分水岭分割中的错误分割比例。对比实验表明, 与传统的基于距离变换分水岭分割法相比较, 本文算法的正确率为9734%, 高于对照方法的859%, 验证了本文算法的优越性。

数字PCR检测过程中, 确定微滴是否为阳性直接影响最终浓度, 也是影响仪器准确度的重要因素之一。目前的自动分类方法并未考虑到数字PCR技术中浓度对结果误差的影响, 导致在低浓度下自动设置的方法与实际结果偏差较大。本文设计了一种基于广义帕累托分布的荧光微滴分类方法, 讨论了不同浓度下误分类对结果可能的影响, 据此确定了分布模型参数, 并在自行研制的微滴式数字PCR仪上进行验证。实验结果显示：经本文方法分类后, 样品中目标拷贝数在5~5 000的范围内线性回归的r2=0.995 6, 这意味着广义帕累托分布较好地拟合了微滴荧光强度边界分布, 本文提出的荧光微滴自动分类方法在低浓度下取得了较好的效果。

设计了一种校正算法用于校正双光子荧光显微镜等高速扫描成像系统中共振振镜扫描导致的图像畸变。首先对共振振镜的扫描运动建立模型，推导出非线性扫描的运动公式，进而得到图像畸变公式; 然后对一块朗奇光栅样品扫描成像，设计了多峰高斯拟合算法得到光栅所有条纹的宽度变化并通过最小二乘法将条纹宽度数据拟合成一条畸变曲线; 最后利用畸变曲线对图像进行校正。结果表明: 采用提出的校正算法可使系统最大畸变减小到传统正弦校正方法的1/3，相对畸变减小到1/5，校正效果比传统的正弦校正法提高了2倍。由于提出的曲线拟合校正算法不用增加额外的光路，且不需要切割边缘图像，故显示了极好的图像使用效率和校正效果。

开发了一种多孔分子印迹膜修饰的表面等离子体共振(SPR)传感器,用于快速检测水中微囊藻毒素LR.研究了利用该传感器检测微囊藻毒素LR的方法.首先,通过原位聚合法在SPR传感芯片的裸金表面合成了微囊藻毒素LR的多孔分子印迹膜,制备出可以特异性捕获微囊藻毒素LR的SPR传感芯片.然后,利用Kretschmann棱镜耦合结构,构建了基于Kretschmann结构的波长调制型表面等离子体共振传感器.最后,通过检测不同浓度的微囊藻毒素LR溶液以及干扰物质微囊藻毒素RR溶液,研究了该传感器的测量范围、特异性等参数.结果表明,该传感器对于微囊藻毒素LR的检测灵敏度很高,可实现微囊藻毒素LR的定量检测,动态测量达2.1×10-9~1×10-6 mol/L.另外,传感器对于干扰物质微囊藻毒素RR无明显信号响应,表明传感器对于微囊藻毒素LR具有很好的特异性检测能力.

采用MEMS技术，研制了一种基于微硅狭缝的紫外-可见光谱仪。介绍了该光谱仪的系统组成，分析了其杂散光的产生原因，着重讨论了光谱仪的关键部件-微硅狭缝的直线度、厚度与杂散光之间的关系，并对狭缝直线度产生的杂散光进行了实验验证。针对以卤钨灯为光源的紫外-可见光谱仪进行测量时，紫外部分能量低，杂散光严重的问题，提出一种组合滤光片法，通过在入射狭缝前和探测器前增加双重滤光片，平衡紫外-可见光范围内各谱段的光波强度，抑制紫外波长处杂散光的影响。实验结果表明：采用组合滤光片法抑制杂散光后，杂散光降低为抑制前的23%。

为解决反作用飞轮用永磁无刷直流电机的电磁设计问题，提出了一种采用有限元法与磁路法相结合方式进行电机电磁设计的目标设计法。根据飞轮电机有效电磁气隙宽、径长比大的结构特点，推导了电枢尺寸与机械特性、有效电磁气隙、径长比等参数间的关系表达式，得到新的电枢尺寸计算公式；利用磁场逆问题求解策略结合等效气隙磁通密度方法，给出磁钢尺寸的计算模型；最后描述了整个电磁设计过程。与一台最高转速为6 000 r/min、角动量为5 Nms的反作用飞轮驱动电机的对比验证表明，该方法最大设计误差为2.89%，精度较高。该方法不受传统方法取值思想的限制，目标明确，速度快，适用于大的有效电磁气隙，大径长比结构的飞轮电机的电磁设计。

为了兼顾飞轮控制系统的响应速度和稳态精度，在分析常值切换变结构控制和变速积分控制特性的基础上，将具有开关特性，响应快，但存在抖振缺点的常值切换变结构控制与能改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，稳态精度高的变速积分控制相结合,利用变速积分控制稳态精度高的优点弥补常值切换控制的开关特性带来的缺点,提出了变结构变速积分控制。根据飞轮的本体模型和运动方程建立了控制模型，分析了控制模型的性能，进行了转速跟踪实验。实验结果显示：变结构变速积分控制使系统的动态性能和稳态性能都得到很大提高。控制指令为偏移量1 000 r/min，幅值100 r/min, 周期0.01 Hz正弦信号时，跟踪误差为2 r/min。结果表明，提出的方法抑制了超出切换带范围的超调量，提高了进入切换带内的稳态精度，防止了抖振，基本达到了加快响应速度和提高稳态精度的要求。

研制出了一种采用后分光技术, 微硅片多狭缝进行像元分割, 硅光电二极管阵列为探测器的微型分光光度计。 分析了光谱带宽对测试得到的溶液吸光度线性相关性的影响, 讨论了分光前后狭缝宽度与分光光度计光谱带宽之间的关系, 为分光光度计前后狭缝的设计提供了理论依据。 采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、 精度高、 厚度薄的一体式微硅片狭缝, 并将其应用于分光光度计中。 采用此分光光度计对线性吸光度溶液进行测试, 结果表明线性相关系数大于0.999, 说明所研制的采用微硅片狭缝的分光光度计具有高度线性相关性。

为了缩短姿控飞轮控制系统的设计周期和快速验证设计方案的可行性及有效性,在分析姿控飞轮电机本体数学模型的基础上,结合该姿控飞轮控制系统所采用的加速控制、制动控制、换相控制,建立了姿控飞轮控制系统模型。针对姿控飞轮的共性问题:飞轮过零响应问题,以速度模式下的指令响应为例分析了调压调速控制方式与调压调速结合反接制动方式下的飞轮速度、电流、端电压以及力矩响应。分析结果表明:在0.025 Hz的速度指令下,调压调速结合反接制动方式具有更好的过零响应。