DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 前言 VOCs (volatile organic compounds)为挥发性有机化合物，根据WTO定义，VOCs是指在常压下，沸点在50℃~260℃的各类有机化合物。VOCs的排放源主要有两个方面包括自然源排放 [ 1 ] ，以及由机动车、喷涂和工业过程等溶剂的使用和燃烧等人为造成的有机污染物排放 [ 2 ]。通常VOCs处理方法可分为两大类：一类是所谓非破坏性技术即回收法，一般通过改变一定工艺过程中温度、压力等物理条件使VOCs富集分离，此类方法包括活性炭吸附法、溶液吸收法、冷凝法及膜分离等常见技术；另一类是所谓破坏性技术，即通过化学或生物的技术使VOCs转化为二氧化碳、水以及氯化氢等无毒或毒性小的无机物，此类方法包括直接燃烧、催化燃烧、生物降解、等离子体氧化、光催化氧化法等常见技术 [ 3 ]。而催化燃烧可以在远低于直接燃烧温度条件下处理低浓度的VOCs气体，具有净化效率高、无二次污染、能耗低的特点 [ 4 ]。 目前负载型过渡金属催化剂成为国内外研究的热点。如MO x (M = Cr、Mn、Fe、Cu)等过渡金属催化剂的活性较高 [ 5 ] ，尤其是Mn/ZrO 2 [ 6 ] 和Cr/γ-Al 2 O 3 [ 7 ] 基催化剂的活性较佳，但现有研究多集中在某个负载型过渡金属催化剂的催化氧化行为研究，缺乏不同载体对于负载型过渡金属催化剂催化氧化VOCs的比较研究。 本研究比较了Mn/TiO 2 和Mn/CeO 2 催化剂对于甲苯的催化氧化行为。通过催化表征等手段分析了催化剂的活性与催化剂活性的构效关系。
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user: 2. 实验部分 2.1. 催化剂制备 2.1.1. CeO 2 和Mn/CeO 2 催化剂制备 利用磁力搅拌将1.39 g硝酸铈(国药集团化学试剂有限公司，纯度 ≥ 99%)和0.75 g NH 4 HCO 3 (国药集团化学试剂有限公司，纯度 ≥ 99%)分别溶于200 mL的去离子水中，待其完全溶解后，将NH 4 HCO 3 溶液迅速倒入Ce(NO 3 ) 3 溶液中，然后搅拌0.5 h，在25℃下静置15 h，过滤并用去离子水洗涤后，在80℃下干燥12 h，样品在马弗炉中以10℃/min的升温速率从室温升温到450℃，并在450℃下煅烧4 h得到CeO 2 。 将得到的CeO 2 浸渍于适量的Mn(NO 3 ) 2 (国药集团化学试剂有限公司，纯度 ≥ 99%)水溶液中，室温下磁力搅拌12 h后，在60℃下干燥12 h，最后在450℃下煅烧4 h。制备出5% Mn/CeO 2 催化剂。 2.1.2. TiO 2 和MnTiO 2 催化剂制备 在40℃下，Ti[O(CH 2 ) 3 CH 3 ] 4 (国药集团化学试剂有限公司，纯度 ≥ 99%)乙醇(国药集团化学试剂有限公司，纯度 ≥ 99%)溶液加入H 2 O后溶液缓慢凝胶。在110℃下凝胶干燥一个晚上，然后在500℃下煅烧4 h得到TiO 2 。 利用Mn(NO 3 ) 2 和草酸(C 2 O 4 H 2 ) (国药集团化学试剂有限公司，纯度 ≥ 99%)水溶液以1:2的摩尔比初始润湿性。制备出5%过渡金属氧化物的负载量的催化剂(负载物为TiO 2 )。硝酸盐浸渍后，磁力搅拌12 h，再在60℃下干燥一夜，然后在450℃空气中煅烧4 h制备出5% Mn/TiO 2 催化剂。 2.2. 催化表征 采用美国麦克公司ASAP2020物理吸附仪，在液氮温度(−196℃)下采用氮气吸附法来测定样品孔结构的数据。样品测定前在200℃下抽真空14 h。 XRD衍射用阶梯扫描的方式，在Rigaku D/MaxIIIB全自动X射线粉末衍射仪上采集，Cu/Kα辐射源，功率40 kV × 40 mA，衍射束置石墨单色器除去Kβ辐射，入射波长为0.15405 nm，阶宽0.02˚， 2θ为5˚~80˚，每步计数时间4 s。 采用X射线光电子能谱(X-Ray Photoelectron Spectrometer， XPS)分析样品表面的各元素相对含量比例，仪器为美国PHI公司的PHI 5000C ESCA System，采用条件为铝/镁靶，高压14.0 kV，功率259 W，真空优于1.33 × 10 −6 Pa。采用美国RBD公司的RBD147数据采集卡和AugerScan3.21软件分别采集样品的0~1200 (1000) eV的全扫描谱(通能为93.9 eV)，而后采集各元素相关轨道的窄扫描谱(通能为23.5 eV或46.95 eV)。以C1S = 284.8 eV为基准进行结合能校正。 2.3. 催化剂活性评价 将催化剂粉末进行压片筛分，选取40~60目大小的颗粒。称取0.3 g装入内径为6 mm的石英玻璃反应管。模拟气的组分为φ(C 7 H 8 ) = 5 × 10 −4 、φ(O 2 ) = 20%、N 2 为载气，气体流量为100 mL/min，催化反应温度为150℃~400℃。甲苯的浓度采用气相色谱仪(FID检测器，捷岛GC1620)测量，操作条件为柱温100℃、检测器温度150℃。
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user: 4. 结论 4种催化剂活性为Mn/CeO 2 > Mn/TiO 2 > TiO 2 > CeO 2 。Mn/CeO 2 具有最强的催化活性，其T 50 = 180℃、T 80 = 215℃和T 90 = 220℃。Mn/TiO 2 次之，其T 50 、T 80 和T 90 分别为195℃、240℃和250℃。Mn/CeO 2 催化剂的比表面积为34.30 m 2 /g，孔体积为0.18 cm 3 /g，相较于Mn/TiO 2 ，Mn/CeO 2 具有较大的比表面积和孔体积，能够增大与甲苯的接触面积，提高催化剂活性。Mn/CeO 2 催化剂中的活性组分为Mn 3 O 4 ，其表面氧物种为晶格氧(O latt )和表面氧(O surf )。Mn/CeO 2 和Mn/TiO 2 催化剂的活性组分皆主要为Mn 3 O 4 。相较于Mn/TiO 2 ，Mn/CeO 2 催化剂表面具有较高含量的Mn 2+ 和O surf 。
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user: 摘 要 东北地区现有27个民航运输机场，其中空管系统机场均配备了多普勒天气雷达，目前，空管系统对于天气雷达基数据的使用仅限于雷达站本地，本文根据此现状，设计了东北地区机场天气雷达基数据的共享应用解决方案：针对民航通信网络带宽受限的情况，使用无损压缩技术，极大地提高了基数据的传输时效，解决了基数据传输难以满足使用需求的瓶颈；基于收集到的基数据，设计了基于Oracle的雷达数据管理系统，实现了用户对于数据的高效查询与下载；同时对收集到的各地基数据格式进行了分析与研究，实现了东北地区天气雷达组网拼图，并将拼图产品传输至各分局站，实现气象雷达资源的共享。 关键词 :天气雷达，数据压缩，基数据管理，组网拼图 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 1.1. 机场雷达数据使用现状 东北地区现有27个民航运输机场，其中空管系统机场(沈阳、哈尔滨、长春、大连)均配备了多普勒天气雷达，多普勒天气雷达以多普勒效应为基础，除了能够探测降水回波的位置、强度以外，还能通过测定回波信号与发射信号间的相位差异，得出降水粒子群相对于雷达的平均径向速度和速度谱宽，在一定条件下反演出大气风场 [ 1 ] 。随着多普勒天气雷达作用的提升，雷达基数据管理的问题也随之而来。由于数据量巨大，加之民航通信网络传输带宽受限，现行民航系统规定中只将雷达生成的图片产品传输至数据库 [ 2 ] ，大量的基数据采用就地存储的方式保存，这样基数据的应用就都限制在了本地，而雷达产生的海量基数据大多数情况下都没有长期保存在计算机中，而是通过刻录的方式保存在光盘中，这给以后资料的检索以及分析研究工作带来了诸多不便。 1.2. 雷达基数据组网共享方案的提出 针对空管系统雷达基数据的应用现状，本文在不影响现有业务的基础上，设计了一套天气雷达基数据组网共享方案，如图1所示，针对雷达基数据体积较大，传输带宽不足的情况，本方案采用先压缩，后上传的方式将东北地区空管系统所属天气雷达基数据汇聚至东北空管局气象中心，同时从辽宁省气象局引接了东北地区24部气象局天气雷达数据，实现了东北地区天气雷达基数据资料的统一管理，在此平台下，本文继续对雷达基数据进行解析，将不同厂商、不同格式的雷达数据组网拼图，实现了东北地区天气雷达的共享，此方案的实现不仅能够为短临预报天气以及气象科研等工作提供基础的数据保证，还能有效地弥补现有各雷达单独运行的缺陷，扩大预报员的决断范围。
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user: 2. 雷达基数据的压缩与上传 2.1. 雷达基数据压缩 雷达数据中数据量最大的是原始基数据。以桃仙机场CINRAD/CD多普勒天气雷达为例，雷达每一次体扫可产生12 MB左右的基数据，如果24小时不间断运行，每日就会产生3 GB左右的基数据文件，这就给数据的存储与归档带来了很大的压力，因此现空管系统各雷达站基数据均采用就地存储的方式保存，保存下来的基数据并没有长期保存在计算机中，而是通过刻录的方式保存在光盘中，给以后资料的检索与分析带来了不便。 图1. 东北地区天气雷达基数据共享平台设计方案 基数据是指天气雷达观测时采集到的所有经过整理加工的存档数据。原始数据文件由文件标识、文件头和数据记录块组成 [ 3 ] 。文件头记载雷达站名、站址、雷达型号、观测时间、扫描类型等内容。数据记录以极坐标方式顺序排列存储回波强度、径向速度以及速度谱宽，数值具有较强的相关性，采用无损压缩方式压缩，能够获得较好的压缩效果。本文选取东北空管局气象中心及各分局站气象台雷达基数据，分别采用下述4中常用压缩算法进行压缩测试，测试结果如下表1。 Table 1 Compression effect comparison of raw data from various region 站址 多普勒雷达 基数据 数据大小 (MB) LZ77 LZSS BZIP2 LZMA 压缩后 (MB) 压缩率(%) 压缩后 (MB) 压缩率 (%) 压缩后 (MB) 压缩率 (%) 压缩后 (MB) 压缩率 (%) 沈阳 2017050510110.05V 12.3 0.53 4.31 0.49 3.98 0.42 3.41 0.41 3.33 哈尔滨 QZYHBBVT 170411145957.014 25.7 2.42 9.42 2.11 8.21 1.73 6.73 1.96 7.62 长春 QZYCCBVT 170413014457.009 24.2 1.29 5.33 1.30 5.37 0.98 4.05 1.08 4.46 大连 2016112016.14A 9.35 0.52 5.56 0.51 5.45 0.46 4.81 0.49 5.20 表1. 各地区基数据压缩效果比较 由测试结果可以看出，雷达基数据压缩后体积为原大小的5%至10%，通过对同一基数据采用不同压缩算法的测试可以看出，Bzip2压缩算法的表现普遍优于其他三种算法，因此本文采用Bzip2压缩算法来对东北地区雷达基数据进行压缩处理，压缩后的基数据大小均小于2 M，传输效率可提高近20倍，可通过现有民航通信ATM网络将各分局站雷达基数据通过FTP方式传输至沈阳气象中心，由气象中心进行统一管理。 2.2. 雷达基数据重命名 民航气象数据库系统对雷达基数据的命名方式为 [ 4 ] ： QCCCCKX1X2YYYYMMDDHHMMSS.EEE 其中各字母的含义如下： Q：表示是雷达数据文件； K：雷达数据格式的种类(雷达基数据-B)； X1：观测扫描方式码(P-PPI，R-RHI，V-VOL)； X2：要素码(Z——单回波强度，V——单径向速度，W——单速度谱宽，T——三要素)； YYMMDD：生成数据的年、月、日； HHMMSS：生成数据的时、分、秒； EEE：根据观测扫描方式码X1分别表示天线仰角或所在的方位角或体扫层数。 东北空管局气象中心现雷达基数据格式为YYYYmmddhhmmss.EEE [ 5 ] ，要想对基数据进行统一存储管理，需对数据的命名进行规范化处理，因此本文设计了基数据的重命名功能，程序可以根据设定的目录自动完成相应基数据的重命名工作，为后期的入库奠定基础，下表2为气象中心基数据重命名实例。 Table 2 Rename of raw data in meteorological cente 归属地 雷达型号 原基数据 重命名后基数据 沈阳 CINRAD/CD 2017050510110.05V QZYTXBVT20170505101100.009 表2. 气象中心雷达基数据重命名示例
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user: 3. 雷达基数据的存储与归档 3.1. 雷达基数据的识别 在分析接收到的雷达基数据中发现，部分数据在生成或传输的过程中可能存在异常，导致雷达头或雷达数据信息不全，这些异常的数据无法正常使用，为避免对系统资源造成浪费，本文对传输至气象中心的所有雷达基数据进行识别解析，如果基数据信息完整，正常进行数据处理及存储，如数据无效则可以直接删除。 天气雷达基数据类型的判别可以通过判断基数据文件名和文件内容两种方式来实现，由于部分地区基数据文件名时间与基数据实际时间存在出入，因此判断基数据文件名的方式并不准确，为满足入库的需要，本文采用读取基数据文件内容的方式来判别数据类型。 天气雷达基数据文件都是采用二进制方式存储，具有一定的格式，且包含一些参数信息，例如雷达站信息、雷达性能参数、雷达观测参数等。通过判断文件内容中的参数信息，可以分辨出基数据文件类型。 天气雷达基数据文件中，参数信息按数值的特点分三类 [ 6 ] ： 1) 不变类。这类参数数值始终不变。例如，SA基数据文件中，雷达型号参数始终为“CINRAD/SA”。 2) 区间变化类。这类参数数值在一定范围内变化。例如，表示月份的参数变化范围始终为1到12。 3) 关联类。这类参数与其它参数有一定关联，在数值上可以用等式或不等式来表达。 例如，SA基数据文件中，文件长度一定是帧数据长度和径向数的乘积。 东北空管局所属天气雷达现由三个雷达厂家生产，除空管系统雷达外，气象中心还从辽宁省气象局引接了东北地区24部气象局雷达基数据，各站址基数据信息如表3所示。 Table 3 Format statistics of raw data in Northeas 生产厂家 雷达基数据格式 站址 北京敏视达雷达有限公司 CINRAD-SA 大连、营口 CINRAD-CB 哈尔滨、通辽、霍林郭勒、满洲里 中电锦江信息产业公司 CINRAD-CD 桃仙机场、延吉、白城、辽源、松原、白山、朝阳、海拉尔、赤峰 CINRAD-SC 沈阳 安徽四创电子股份有限公司 CINRAD-CC 龙嘉机场、太平机场、长春、九三分局、建三江、齐齐哈尔、 牡丹江、佳木斯、黑河、伊春、加格达奇 表3. 东北地区天气雷达基数据格式统计 由上表可知，本系统可收集到东北地区三个雷达厂商各型号共27部雷达的基数据，这些天气雷达的基数据格式大体分为5种，因各类型雷达基数据格式均不相同，因此可通过读取基数据内容的方式对雷达基数据信息进行判断并分类存储，各类型文件基数据的具体格式已由各雷达厂商给出，本文不再赘述。 以气象中心CINRAD-CD基数据为例，通过分析基数据中雷达文件头，可以得到该雷达的站址，经纬度信息，雷达型号，观测时间，扫描模式等信息，这些信息能够帮助系统完成对基数据的识别，分类及存储工作，如图2所示。 图2. 气象中心雷达基数据识别实例 3.2. 雷达基数据的存储 天气雷达数据以基数据为基础，随之产生标定文件和状态信息文件。这些信息数据都需要有效存储。由于基数据数据量较大，不适宜直接存储在数据库中，只需要保存其基础信息及文件存放位置，本文设计的雷达基数据信息表如下表4。 Table 4 Information sheet of raw dat 字段名 类型 长度 是否可以为空 序号 Int 4 否 站名 Nvarchar 20 否 经度 Float 8 否 纬度 Float 8 否 海拔高度 Float 8 否 日期 Datetime 8 否 时间 Datetime 8 否 雷达型号 Nvarchar 20 否 文件名 Nvarchar 20 否 扫描方式 Nvarchar 20 否 扫描层数 Nvarchar 20 否 存放位置 Nvarchar 50 否 表4. 雷达基数据信息表 本系统能够自动收集通过民航通信网传输至本地的雷达数据，打包压缩后长期存储，雷达数据传输至服务器后，可通过入库程序完成基数据的识别及入库，将东北地区各雷达基数据全部存储至数据库中，以方便日后的查询及使用。 3.3. 雷达基数据的整编 雷达数据整编是一个比较繁琐的过程 [ 7 ] ，以前主要是通过人工收集、整理、压缩、存储，由于之前的基数据大都采取刻盘或拷贝至移动硬盘的方式存储，给资料的查询、共享以及应用带来了不便。依托本系统所建立的基数据数据库，本系统设计了关于雷达基数据的整编方案，以取代现有的存储模式。本文的雷达资料整编主要记录天气过程的类型、发生的时段及地点等信息，具体基数据整编信息如下表所示：通过对雷达资料的整编，用户可以根据实际需求在数据库中完成对雷达基数据的查询及下载工作，提高了工作效率。本系统设计了时间检索及个例检索两种方式以实现基数据的查询及下载，如图3所示。 图3. 基数据下载示意图
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user: 4. 雷达基数据的组网共享 4.1. 雷达组网应用的意义 单部天气雷达有限的探测能力限制了雷达观测作用的进一步发挥，如果想要提高中尺度灾害性天气的预警能力，就要发挥多部雷达在联合监测天气中的作用 [ 8 ] ，即用探测范围相互重叠的多部天气雷达组成观测网。由多个雷达重复取样获得的天气信息要比由单部雷达取样更加精确，此外，雷达组网还可以很大程度上解决因单部雷达观测的波束几何学原因引起的很多问题 [ 9 ] (例如静锥区、波束展宽、波束高度、波束阻挡等)。天气雷达组网拼图对于在更大范围发挥天气雷达监视中小尺度灾害性天气的作用，提高灾害性天气的短时预报水平，进一步做好航空气象保障工作具有重要的科学意义和实用价值。 4.2. 基于反射率因子的组网共享 雷达基数据中包含基本反射率因子(强度Z)、径向速度(V)和谱宽(W)三个雷达回波基本量，根据这三个雷达回波基本量，可以反演出相应的天气系统 [ 9 ] ，特别是降水天气系统的某些内部特征和结构，综合使用反射率因子、径向速度以及谱宽数据，可以及时有效地监测和预警灾害性天气。反射率因子可以在雷达终端反演出当地实时的天气情况，是雷达估测降水量的基本数据之一，对雷达回波强度的分析是雷达观测中至关重要的工作，因此本系统基于反射率因子的雷达组网拼图。 雷达组网拼图中主要由雷达数据网格化、拼图处理以及投影三部分构成。 4.2.1 . 雷达数据网格化 由于雷达作体扫观测时，雷达波束是在各个仰角沿方位进行360˚的锥面扫描 [ 10 ] ，因此，原始雷达观测资料常用球坐标系来存储，而在综合分析雷达资料时，使用球坐标系存储的雷达资料十分不便。因此，必须把球坐标系下的雷达资料内插到笛卡尔坐标系下的网格点上。在雷达数据网格化过程中，常用的方法有最近邻居法(NN)，径向和方位上的最近邻居和垂直线性内插法(NVI)、垂直水平线性内插法(VHI)等方法，选用合适的插值方法进行网格化处理后，原雷达基数据即可转换为笛卡尔坐标系中的网格数据。 4.2.2 . 拼图处理 通过插值方法把来自各个雷达的反射率场插值到统一的笛卡尔网格上之后，需要把来自多个雷达的格点反射率场拼接起来形成拼图网格，在拼图网格的很多区域，特别是在对流层中高层，有来自多个雷达的资料重叠区，拼图技术的关键是重叠区域的处理，目前的雷达拼图技术中一般采用最大值方法、最近邻居法或权重函数法。本系统从航空用户角度考虑，为了能在用户使用过程中发挥必要的预警作用，在资料重叠区域系统选用回波强度较大的值作为拼图的采样强度值。 4.2.3 . 投影 在研究天气雷达组网时，由于雷达不再是单站，就必须考虑地球曲率对雷达网资料拼接图的影响，即最后的拼接图在平面上的显示问题。该问题类似地图投影问题，本系统采用兰伯特等角投影算法来解决该问题。 4.3. 拼图产品的使用与共享 把单部雷达联合起来进行使用要解决的首要问题是资料实时处理的时效性应得到满足。单部雷达资料处理时间以6分钟为1个周期(由雷达本身扫描方式决定)，因此，要同时使用本地区27部天气雷达的资料，就必须在6分钟内完成所有雷达资料的收集、处理以及资料转发工作，系统选取了2018年4月8日的各地基数据进行测试，资料处理各环节所需时间如表5所示，经统计，资料处理时间合计为75 s，即各地用户在基数据生成后两分钟内即可收到中心分发的拼图产品，时效性满足用户使用要求。 Table 5 Timing test of raw data proces 处理过程 基数据同步 数据解压缩 拼图处理 拼图产品压缩 资料分发 平均耗时(s) 34 2 20 2 17 合计 75 表5. 基数据处理时效性测试 拼图完成后，基数据格式转化为GRD格式的网格化数据，可由GrADs或Surfer等软件直接读取，如图4所示。 图4. 东北地区雷达拼图示例
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user: 5. 总结与展望 本文根据东北空管局气象中心及各分局气象台雷达基数据的应用现状，提出了一套雷达基数据处理及应用的可行性方案，设计了雷达基数据共享平台，雷达基数据经压缩传输、质量控制以及格式识别等步骤后能够自动入库存储，满足在实际工作中对雷达数据长期归档保存的需求，同时将收集到的基数据用于雷达的反演与拼图，并将拼图产品分发至各地，实现了气象雷达信息的共享，为短时临近预报天气工作的开展提供了保证。
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user: 摘 要 本文借助蒙特卡罗程序SRIM研究了氢氦离子的入射能量和离子数量对铍材料表面溅射行为的影响。分析结果表明，同一种类入射离子在铍中的射程随入射离子的能量增加而增加，铍材料表面的溅射率随入射能量的增加而减小。在相同入射能量下，氢离子在铍中的射程比氦离子更长，而氢离子辐照造成的铍表面溅射率比氦离子更小。在本文的模拟范围内，入射离子的数目对氢氦离子在铍中的射程没有造成显著影响。 关键词 :氢离子，氦离子，溅射，铍材料 Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着我国核电事业的发展，核电站的安全问题以及对环境的影响问题也越发受到人们关注，发掘并应用更好的材料是保障核电站安全、减小核电站对环境影响的重要环节。核技术的蓬勃发展，推动了对铍材料的研究。在核裂变反应堆中，铍材料可用作中子源材料和反应堆反射体材料。由于铍的密度与重水相似却不会像重水一样在100℃蒸发，并且铍的原子质量和氘接近，因此铍也被认为是较好的核反应堆中子减速剂。在聚变堆中，铍材料 [ 1 ] 被考虑为一种新型面向等离子的材料。核聚变主要依靠氘氚聚变反应，其反应式为 H 1 2 + H 1 3 = n 0 1 + H 2 4 e + Δ E ( 17.6 MeV ) 。因此，铍在聚变堆服役过程中，不仅会遭受聚变中子的辐照影响，而且还会遭受背景等离子体氢氦离子的影响，研究铍在氢氦离子辐照条件下的溅射行为对于其在聚变堆服役有重要意义。 对于材料的溅射行为，国内外学者已经开展过一些相应的模拟研究。借助分子动力学模拟方法，李洋 [ 2 ] [ 3 ] 等人研究了碳化硅和石墨等潜在的面向等离子材料在氢氦离子辐照条件下的溅射行为，化敏雪 [ 4 ] ，杨涛 [ 5 ] 研究了面向等离子体材料钨表面的溅射问题。借助蒙特卡罗模拟软件SRIM [ 6 ] ，雒哲廷 [ 7 ] 等人研究了永磁材料NdFeB的溅射行为，张德根 [ 8 ] 等人研究了合金靶的择优溅射问题，朱岳 [ 9 ] 等人模拟了半导体材料碲锌镉在质子辐照下的损伤行为。这些研究表明，SRIM模拟在研究材料的辐照损伤和溅射行为时有重要作用。然而，当前关于面向等离子体材料铍在氢氦离子辐照下的溅射行为的研究还鲜有报道。 本文利用SRIM软件，建立了铍材料在不同入射能量和不同数目的氢氦离子辐照条件下的模拟模型，系统地研究了铍材料表面的溅射率和氢氦离子在铍材料中的射程与入射离子能量间的相互关系，同时也研究了氢氦离子在铍材料中的分布与离子入射数量间的相互关系。本文的相关研究可为将来实验研究和工程实践提供有益参考。
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user: 2. 研究模型与方法 2.1. SRIM介绍 SRIM是模拟粒子10 eV到2 GeV在固体中受到的阻止及射程分布的软件，它应用级联碰撞理论建立模型，把靶看作无序结构，离子和靶原子的碰撞采用两体碰撞近似，离子在两次碰撞之间进行随机跳跃，跳跃距离由其平均自由程决定，离子与原子之间的相互作用势能采用了屏蔽库仑势，离子在固体中的电荷态采用有效电荷近似。SRIM包括几个部分，模拟溅射过程时，离子既可以是相同能量，以相同角度和位置入射，又可以是不同能量以不同角度和位置入射。 2.2. 模型的建立 关于铍材料在氢氦离子辐照条件下的溅射行为的模拟研究，本文中建立模型的具体情况如下：1) 铍材料靶厚度为20，000 Å，密度为1.85 g/cm 3 ；2) 氢氦离子的入射角度设置为零度，垂直于铍材料表面入射；3) 氢氦离子的入射能量设置为10 keV~200 keV；4) 氢氦离子的入射数量为5万~500万。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. 入射能量与溅射率 图1和图2分别展示了不同入射能量的氢离子和氦离子辐照条件下铍材料表面溅射率的模拟结果。横坐标表示离子入射能量，本文中氢离子和氦离子的入射能量设为10 keV~200 keV，纵坐标表示铍材料表面的溅射率。对于每种离子在同一入射能量时，本文模拟了入射离子数量为50万时铍材料的溅射。结果显示，铍材料表面上的溅射率随着氢离子的入射能量增加逐渐降低，并且溅射率降低的速率也逐渐变慢。铍材料在氦离子辐照条件下也显示出了类似的结果，铍材料表面的溅射率也随氦离子入射能量的增加逐渐降低，溅射率下降速率逐渐变慢。这是因为随着离子入射能量的增加，离子的穿透能力也随之增加，高能的离子入射后更容易的进入到靶材料内部，而不易引发铍材料表面上的溅射。相同入射能量条件下，铍材料在氦离子辐照的溅射率比氢离子辐照时的溅射率更大，这是由于氦离子质量数更高，与铍原子的质量更加接近，所以铍材料在氦离子辐照条件下更加容易发生溅射。 图1. 铍材料表面溅射率与氢离子入射能量间相互关系 图2. 铍材料表面溅射率与氦离子入射能量间相互关系 3.2. 入射能量与射程 图3展示了氢离子和氦离子在铍材料中的射程随离子入射能量变化的模拟结果。横坐标表示离子入射能量，氢离子和氦离子的入射能量仍然设置为10 keV~200 keV，纵坐标表示氢离子和氦离子在铍材料中的射程，对于同一种离子入射能量本文均模拟了50万个离子的辐照情况。结果显示，氢离子在铍材料中的射程随着的入射能量增加而逐渐增加。同样，氦离子在铍材料中的射程也显示了类似的结果，其射程随着离子入射能量的增加而逐渐增加。这是因为入射离子在靶材料铍中发生碰撞消耗能量，入射离子的入射能量越大，其在铍中的穿透能力也越强。相同入射能量条件下，氢离子比氦离子射程更长，二者射程之间的差距也随能量的增加而增加，这是因为氦离子半径更大且质量更与铍原子接近，所以氦离子的能量更加容易传递给铍原子。 图3. 氢氦离子在铍中射程与离子入射能量间的关系 3.3. 入射离子数量与射程 由于铍材料在大量氢氦离子辐照下可能会被击穿，本文研究了铍材料在氢氦离子辐照下是否会出现类似于“滴水穿石”这种现象。本文研究了氢氦离子在铍材料中的射程与入射粒子数目间的相互关系，对于同一入射能量离子的入射数目设置为5万、10万、50万、100万、200万、500万。图4和图5分别展示了氢离子和氦离子在铍材料中的入射射程随离子的入射数量的变化关系，横坐标为氢氦离子的入射数量，纵坐标为氢氦离子在铍材料中的射程。结果显示，在同一种能量下，氢氦离子在铍材料中的射程并没有随入射粒子的数量发生明显变化，说明在本文模拟的离子辐照条件下，铍材料没有显示出“滴水穿石”这种现象。出现这种结果有可能是文中模拟的离子入射数量太少，以致于没有出现“滴水穿石”这种现象。 图4. 氢离子在铍中的射程与离子入射数目的关系 图5. 氦离子在铍中的射程与离子入射数目间的关系
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user: 4. 结论 为了研究面向等离子体材料铍在氢氦离子辐照条件下的溅射行为，本文借助SRIM模拟程序研究了铍材料表面的溅射率以及氢氦离子在铍中的射程与离子入射能量间的相互关系，同时本文也研究了离子入射数目与其在铍材料中的射程间的相互关系。本文得到的具体结果如下： 1) 铍材料表面的溅射率随氢氦离子入射能量的增加而降低。在相同入射能量下，氦离子引起的铍材料表面的溅射率比氢离子更高。 2) 氢氦离子在铍材料中的射程随离子入射能量的增加而增加。相同入射能量条件下，氢离子在铍中的射程比氦离子更长。 3) 入射粒子的数量没有对氢氦离子在铍材料中的射程产生明显影响，在本文的模拟条件下铍材料没有出现“滴水穿石”现象。
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user: 摘 要 甘薯是世界上重要的粮食、蔬菜、饲料、工业原料和生物能源作物。苯丙烷代谢是植物体内次生代谢物合成的重要途径。本文论述了甘薯苯丙烷类代谢物及其酶基因的研究进展。 关键词 :甘薯，苯丙烷代谢物，基因 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 甘薯(Ipomoea batatas (L.) Lam.)，是世界上重要的粮食、蔬菜、饲料、工业原料和生物能源作物 [ 1 ]。我国的栽培面积和产量均居世界首位，总产量仅次于水稻、小麦和玉米。长期以来，因甘薯具有投入低、产量大、适应性广、抗逆性强等特点，在我国一直充当着抗灾救荒、保命粮的角色，是我国粮食安全的底线作物 [ 2 ]。近年来，因富含类黄酮等酚类抗氧化成分，其保健功能也日益引起人们的关注，更成为现代生活中新兴的营养保健食品，具有保健作用的功能性新型甘薯品种已极大地改变了传统食用甘薯的概念。世界卫生组织(WHO)、美国公共利益科学中心(CSPI)研究认为甘薯营养指数最高，推荐其为最佳食品榜首 [ 3 ] [ 4 ]。 苯丙烷代谢是植物体内次生代谢物合成的重要途径。含苯丙烷骨架的所有物质都是直接或间接由这一途径产生的。以莽草酸途径来源的苯丙氨酸为最初原料 [ 5 ] ，进入苯丙烷类代谢途径，经反式肉桂酸、香豆酸、阿魏酸、芥子酸等中间产物，进一步转化为香豆素、绿原酸，也可以形成乙酰CoA，再进一步转化为木质素、酚类物质、异黄酮类、植保素等终产物 [ 6 ]。 甘薯中，苯丙烷类代谢途径主要包括花青素、绿原酸、木质素等重要物质的代谢通路。本文主要对甘薯苯丙烷类代谢及其相关酶基因的研究进展做一概述。
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user: 4. 展望 我国是甘薯种植大国，随着现代人们生活水平的不断提高，人们对于健康饮食越来重视。甘薯作为重要的粮食作物，富含蛋白质、淀粉、果胶、氨基酸、维生素及多种矿物元素，研究甘薯苯丙烷代谢途径，于甘薯具有提高产量和完善其基因组的意义，此类研究成果可用于农业生产，提高经济效益。紫甘薯富含花青素，而花青素具有抗癌、防衰老、美容养颜等作用，甘薯叶中含较多的绿原酸，绿原酸具有抗氧化、抑菌、免疫调节、抗肿瘤、保护肝脏等作用，因此，此类研究又可运用于医药保健、食品开发等领域。苯丙烷代谢产物花青素、绿原酸等在人们健康保健方面具有重要作用，而木质素对于甘薯在抗病虫害方面具有重要作用。于人类而言，运用基因工程等高科技技术手段的同时，也促进了生物领域的发展，带来巨大的经济效益，进一步满足人们追求绿色健康营养食品的需求。因此，对甘薯苯丙烷代谢途径的研究，具有广阔的前景。
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user: 摘 要 本文利用NCEP再分析资料，对冷涡背景下有飑线和无飑线进行对比分析，得出以下结论：1) 有飑线发生的冷涡各层系统的配置有利于引发对流天气。2) 飑线发生前6 h各层的水汽条件比较好。3) 飑线发生前6 h，对应地区上空气流在中低层气旋性旋转，在高层反气旋性旋转，低层辐合高层辐散，这种配置非常利于强对流的形成。无飑线发生日对应地区则为低层辐散高层辐合，不利于对流发生。 关键词 :冷涡，飑线，对比 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 白人海 [ 1 ] 利用常规高空、地面观测资料等，对冷涡过程中的飑线从天气学尺度等进行了分析，研究指出天气尺度条件包括层结不稳定等。杨国祥等 [ 2 ] 对高空冷涡飑线群进行了中尺度分析。郑媛媛 [ 3 ] 对冷涡背景下飑线个例进行了分析，指出飑线生成时850 hPa、925 hPa和地面有辐合线或干线存在。 本章对冷涡背景下发生的飑线过程的个例进行了详细分析，并和无飑线的情况进行了以下几个方面的对比分析：首先是大尺度环流特征，有飑线发生的冷涡各层系统的配置有利于引发对流天气，其次是水汽条件，有飑线发生的水浇条件明显较好，在动力方面也进行了对比分析，从而得出冷涡背景下飑线过程的特征，为此类预报提供一定的理论依据。
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user: 2. 资料和方法 本章所选用的资料是FNL资料，在冷涡背景下选取有飑线发生的个例和无飑线发生的个例进行对比分析。分析两者的天气尺度环流特征，水汽条件，热力条件，动力条件，对流参数等，从而得出冷涡背景下飑线发生前的特征。
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user: 4. 结论 1) 有飑线发生的冷涡各层系统的配置有利于引发对流天气。低层由南向北的偏南风将洋面的暖湿气流源源不断的输送向我国大陆地区，高空西风急流将干冷空气输送到我国北方地区，上干下湿提供了层结不稳定条件。低层有切变线存在，易触发飑线的形成。 2) 飑线发生前6 h各层的水汽条件比较好，两路水汽分别为西伯利亚冷空气经蒙古高原输送至我国北方大陆和从孟加拉湾南海地区而来的水汽和从西太平洋洋面而来的水汽回合再经山东半岛输送至飑线对应地区，飑线对应地区有很强的水汽输送，配合上水汽的辐合，为对流的发生创造了有利条件，当低层潮湿暖空气和高层干冷空气汇集，有利于中尺度对流系统的发生。 3) 飑线发生前6 h，对应地区上空气流在中低层气旋性旋转，在高层反气旋性旋转，低层辐合高层辐散，这种配置非常利于强对流的形成。无飑线发生日对应地区则为低层辐散高层辐合，不利于对流发生。
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user: 摘 要 全球变暖已成为毫无争议的事实，近年来全球变暖归因与停滞问题引起了国际社会广泛关注。政府间国际气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC)第五次评估报告(IPCC Fifth Assessment Report， AR5)指出，由人类活动产生的二氧化碳(CO 2 )、甲烷(CH 4 )和氧化亚氮(N 2 O)等温室气体浓度增加是导致全球变暖的主要原因，人类活动和自然因素对全球变暖影响的相对贡献难以量化。1998~2012年全球平均地面增温速率明显趋缓，其产生机制包括气候系统外部强迫(太阳活动、火山爆发、地球自身周期性运转、热盐洋流、气溶胶及平流层水汽等)和自然变率(太平洋、大西洋、印度洋和南大洋的自然变率及热量再分配过程)，自然变率是影响全球变暖停滞的主要机制。受数据资料和模拟精度影响，全球变暖趋势尚存在较大不确定性。南极和北极地面温度观测数据极度缺乏，全球平均温度变化趋势的分析应将近年来升温剧烈的南极和北极地区包括进来，全球变暖升温速率降低但总体上升并未停滞。 关键词 :全球变暖，驱动机制，人类活动，碳排放，气候谈判，全球变暖停滞 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 全球变化是指由自然因素和人文因素引起的地球系统功能全球尺度的变化，包括大气与海洋环流、生物地球化学循环、水循环、碳循环以及资源、土地利用、城市化和经济发展等变化 [ 1 ] 。全球变暖问题是全球变化的突出标志，人类活动大量排放温室气体产生的温室效应是引发全球变暖并加剧变暖的主要原因 [ 2 ]，大气中的水蒸气(H 2 O)、二氧化碳(CO 2 )、氧化亚氮(N 2 O)、甲烷(CH 4 )和臭氧(O 3 )等由自然或人为产生的气体成分，被称为“温室气体”。温室效应是指太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的温室气体吸收，从而产生大气变暖的效应。过去20多年来，国际科学界逐步形成了人类活动产生的温室气体排放是全球变暖的重要驱动力的共识，全球变暖已经成为国际社会广泛关注的问题。 为了应对气候变化，世界气象组织和联合国环境规划署在1988年成立了政府间气候变化专门委员会，1990~2014年每隔5~7年发布一次报告，全面评估全球气候变化的观测事实、原因以及对自然和社会系统的潜在影响以及人类可能采取的应对措施。IPCC第五次评估报告指出 [ 2 ]，1880至2012年，全球平均温升达到0.85 (0.65~1.06)℃，人类活动极可能是造成20世纪中叶以来全球变暖的主要原因，该结论的可信度从50%增加到99%。然而，地球是一个极其复杂的系统，全球变暖因果关系之间存在较大的不确定性 [ 3 ] [ 4 ] 。2008年非政府间国际气候变化专门委员会(Nongovernmental International Panel on Climate Change， NIPCC)则认为是自然因素，而不是人类活动造成了全球变暖，特别强调太阳的紫外线辐射及太阳风和其磁场对地表温度的影响；同时，厄尔尼诺(ENSO)、火山作用和热盐环流等对全球变暖也有影响 [ 5 ] [ 6 ] 。究竟人类活动还是自然因素是造成全球变暖的主控因子存在较大争议，如何全面认识自然因素和人类活动对全球变暖的贡献，是制定减缓气候变化政策的重要前提和保障。 全球变暖停滞(Global Warming Hiatus)是指1998~2012年全球平均二氧化碳等温室气体浓度继续攀升，全球地表平均温度却未出现明显上升趋势，甚至出现了停滞。根据IPCC (2014) [ 2 ] 第五次评估报告，近十五年间(1998~2012年)升温速率有“停滞”的趋势；1998~2012年每十年温度升高0.05℃，明显低于1951年以来每十年温度升高0.12℃的升温速率。在1998~2012年全球表面温度出现一个放缓停滞的现象，这一现象引起国内外学者对全球气候变化讨论的热潮 [ 7 ] 。全球变暖是否停滞，以及人类活动和自然因素如何影响全球变暖趋势，这些问题直接影响着全球气候谈判以及国际社会应对、适应和减缓气候变化的行动取向和政策走向。本文基于IPCC AR5最新评估报告结果及发表文献研究进展，综合分析了全球变暖事实与变化趋势、全球变暖停滞问题及形成机制，旨在为气候变化政策制定与国际气候谈判提供重要参考。
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user: 4. 结论 本文回顾了近年来关于全球变暖归因与停滞问题的研究进展，从自然因素和人为角度讨论了全球变暖主要是人类活动产生排放的温室气体导致的，二者共同影响全球变暖的相对贡献尚难以量化。同时，本文对1998~2012年全球变暖停滞的国际热点前沿问题进行了讨论，从自然变率与外部强迫角度论述了全球变暖停滞的主要机制，外部强迫包括太阳活动、火山爆发、人类活动与平流层水汽强迫，自然变率认为全球变暖停滞主要来自海洋的影响，温室气体排放导致的多余热量进入了海洋深处，尤其是700米以下的海域。人类活动产生排放的温室气体是造成全球变暖的主要原因，自然变率是产生全球变暖停滞的主要机制，相对之前的迅速增温，全球变暖速率变缓，从长时间尺度来看全球气温还将继续升高。加强数据资料和模拟精度，将南极和北极观测资料囊括到全球变暖停滞问题分析中来，大大减少全球变暖停滞问题的不确定性。
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user: 摘 要 本文基于光敏三极管设计、制作了指端动态血压监测仪，该监测仪包括光信号发射/采集单元、信号处理电路和指尖固定装置。光信号发射/采集单元包括一个红色LED和两个光敏三极管，根据指端流动的血液对光吸收情况不同，该光敏三极管用于采集流经指端血液吸收后的光信号。基于光电效应，当接收到不同的光信号时，光敏三极管的基极电流将发生相应变化，引起电路输出电压变化，实现对脉搏信号的监测。信号处理电路部分完成两个光敏三极管构成的差分结构输出信号放大、滤波、A/D转换等，根据血压与脉搏波的关系，利用单片机对数据进行处理，分析给出血压动态变化情况并进行显示。结果表明该测试系统可实现血压测量，具有实时性和便携性的特点。 关键词 :光敏三极管，实时血压测量，脉搏信号处理电路 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 血压是衡量人体健康和进行临床诊断的重要依据。测量人体血压的方法可分为两种，即压力式和光电式。目前市场上的血压计多为基于压力传感器的间歇测量式血压计，无法进行血压的实时监测，而临床上采用的动脉插管法虽可得到准确连续的血压值，但会对人体造成创伤。因此，无创连续测量血压成为了国内外临床医学研究的一个普遍趋势，尤其是基于脉搏波传导的血压测量 [ 1 ]。根据流动的血液对光的吸收程度随血压波动而改变的现象，本文给出了一种基于光敏三极管的指端动态血压监测仪，并分析了该监测仪的基本结构与工作原理，在此基础上完成了动态血压监测仪的制作与特性测试，最终对测试结果进行了分析和讨论。
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user: 2. 指端动态血压监测仪结构和原理 2.1. 光敏三极管的结构和原理 图1(a)给出光敏三极管的基本结构，其基区作为感光区，通常不引出，而是裸露出来作为感光面，因此它的引出电极一般只有两个。为了提高光电转换效率，入射光应主要被基区吸收，因此在设计制作时通常将基区面积做得较大。图1(b)给出了光敏三极管的外部封装图，光敏三极管顶部为用于聚焦光线的玻璃透镜，当光敏三极管受到光线照射时，光线在透镜的作用下将聚焦在三极管的芯片上。 当光敏三级管接收到光照时，基区将产生电子–空穴对，少数载流子浓度增大，形成集电结反向饱和电流，即光生电流，该电流经过发射结放大形成集电极与发射极之间的电流，即光电流。当光通过光敏三极管的玻璃透镜照射到芯片上时，集电结的空间电荷区和一个扩散长度范围内将产生电子–空穴对，电子和空穴均对集电结反向电流作出贡献。没有光照时，流过光敏三极管的电流称作暗电流I CEO ，其大小为: I CEO = ( 1 + β ) I CBO (1) 图1. 光敏三极管基本结构：(a) 内部结构；(b) 外部封装 式中I CBO 为集电极与基极之间的饱和电流，β为共发射极直流放大系数。 根据上述公式可知，光敏三极管将光电流放大了(1 + β)倍，具有高灵敏度，适用于本文制作的指端动态血压监测仪。 采用参数分析仪(Keithley4200A-SCS)测得光敏三极管(3DU5C)输入–输出特性曲线，如图2所示。光照一定时，V CE 增加，I C 增大；V CE 一定时，光敏三极管集电极电流与基区受到的光照强度成正相关，可实现照度的测量。 图2. 光敏三极管输入–输出特性曲线 目前有许多类型的光敏三极管放大电路，运用较为广泛的为共发射极放大电路。当基极与发射极之间输入弱电压信号U I 时，在集电极与发射极之间可获得放大的输出电压U O ，输出功率大于输入功率。光敏三极管属于有源器件的一种，其输出功率通过直流电源转换获得。在直流电源下，光敏三极管将直流电能V CC 转换为交流电能U O ，而输入的信号U I 则决定了输出电压U O 的波形 [ 2 ]。 在电路中，为了让光敏三极管工作在放大区，发射极连接到负电位，集电极接到正电位，即发射结正偏，集电结反偏。以硅为基底的PN结导通电压为0.7 V，以锗为基底的PN结在0.3 V下导通，目前硅三极管较为常用。因此当U BE > 0.7 V时，三极管工作在放大状态，否则为截止状态，而当U CE > U BE 时，三极管则会进入饱和状态 [ 3 ]。 2.2. 指端动态血压监测仪的结构和原理 图3给出指端动态血压监测仪的基本结构，置于遮光指套内部上方的红色LED为发光源，置于遮光指套内部下方的感光光敏三极管T 1 为光信号采集端，遮光光敏三极管T 2 置于遮光指套暗处。测量时，被测者将手指置于指套内，LED发射的光线经过指尖血液吸收后被光敏三极管T 1 吸收，得到微弱的交流电压值。将两个光敏三极管的输出信号引出，并连接接口电路完成对采集信号的处理。 图3. 指端动态血压检测仪基本结构示意图 由于光在组织中的透过率远大于在血液中的透过率 [ 4 ]，因此通过测量透过指尖的光信号可间接得到血液对光的吸收情况。根据Lambert Beer定律，物质的浓度和厚度越大，对特定波长的光的吸收能力越强 [ 5 ]。血液透明度较低，浓度较高，对光线具有较高的吸收能力 [ 6 ]，相比于一般人体组织，光照在血液中的穿透性更低，且指尖相对人体其它组织更薄，光电容积脉搏波描记法是利用光的反射原理和透射原理，通过向手指发射光照，由光敏三极管接收通过指端反射或透射后的光照强度，从而监测血压值。 光敏三极管采集穿过手指微血管后随脉搏改变的光信号并将其转换为电信号，得到指端脉搏波形图，该波形图的幅值大小依赖于当前血压值，因此通过对波形图分析即可实现对血压的监测。研究表明，脉搏波的特征点可用于血压值的测量 [ 7 ]。血液在流动时会对血管壁产生压力作用，即血压 [ 8 ]。心脏收缩时，血液冲入主动脉，此时动脉管壁所受的压力称为收缩压，此时指端血液对光吸收程度最高，即透过指端的光线为最弱。在本文设计的电路中，差分输出电压值理论上应达到最小值；心脏扩张时，动脉管壁弹性收缩，此时动脉管壁上的压力称为舒张压，此时指端血液对光吸收程度最低，即透过指端的光线为最强，在本文设计的电路中，差分输出电压值理论上应达到最大值。 通过理论分析，本文采用提取多个输出信号最大值与最小值的方法 [ 9 ]，同时通过现有血压计测得当时的血压值，分别建立与舒张压和收缩压的回归方程，以供单片机进行数字信号的处理。
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user: 3. 指端动态血压监测仪的设计与制作 3.1. 系统总设计方案 图4给出了指端动态血压监测系统框图，利用光敏三极管采集脉搏波并将其转换为电压信号输出，传感器输出的电压信号较小，因此必须通过信号放大电路将其放大，再将放大后的信号进行滤波处理，A/D转换为单片机易于处理的数字信号，最后通过对单片机编程来实现血压值的测量，并在LCD上显示测量结果。 图4. 信号处理电路设计框图 3.2. 指端动态血压监测仪硬件电路 通过查阅相关文献可知，血液中血红蛋白对红光吸收效果最为显著，因此本文选用红色LED为主要光源。LED的发光强度取决于通过它的电流大小，其工作电流为5 mA~15 mA。在本文中，LM317用于构建10 mA恒流源电路作为红色LED的供电电源。光信号发生/接收电路的仿真由电路仿真软件Multisim14.0完成。本文选用光敏三极管(3DU5C)为信号采集端，为消除温度漂移及传感器自身的零点漂移 [ 10 ]，通过采用两个相同型号的光敏三极管构建互补差分电路结构，其中一只作遮光处理，另一只采集经指端动脉血液吸收后随脉搏变化的光信号。如图5所示，V O1 、V O2 为差分结构中的两个输出电压信号，差分输出电压V O 为： V O = V O 2 − V O 1 (2) 两个光敏三极管构成的互补差分结构可采集经人体指端血液吸收后的光照，并随吸收程度变化而产生不同的输出。由于光敏三极管对光照极为敏感，电路输出信号易受环境光干扰，为确保实验数据的可靠性与准确性，须保证光敏三极管采集到的光信号全部来自经人体指端血液吸收后的红光，因此将光信号发生/采集单元密封在黑色模具中作遮光处理。 图5. 光信号发生/采集单元 本文采用电路设计软件Altium Designer18.1.9设计信号处理电路原理图，如图6，电路主要包括信号放大电路、滤波电路、单片机处理电路和LCD显示电路。根据该电路原理图完成焊接后的实物图如图7。 3.3. 信号处理电路软件设计 本文选用Arduino UNO单片机开发板为调试平台，AVR单片机ATmega328P作为主控制器。单片机时钟频率为16 MHz，具备14路数字IO口，最大电流为40 mA，6路模拟输入为A0~A5，10位的分辨率，默认输入信号为0到5 V，EEPROM内存大小为1 K，ROM内存大小为2 K，Flash内存大小为32 KB集成开发环境为Arduino IDE。 图6. 脉搏波信号处理电路图 图7. 指端动态血压监测仪实物照片 在脉搏波信号处理电路中，通过单片机处理后得到的信息最后还要在LCD上直观地显示出来。本文选用型号为MSP3521的3.5寸TFT液晶屏，其分辨率为480 × 320，采用SPI串行总线，可大大减少IO口的使用。 图8给出了系统程序流程图。上电后，程序进行初始化处理。当有脉冲信号输入时，开始采集特征点，在采集特征点的同时，LCD屏上同步显示当前脉搏波波形图。本文设计LCD每刷新一次便将采集到的波峰值与波谷值代入方程中，通过计算得出血压值并实时显示，依此方式一直循环运行。 图8. 系统程序流程图 图9给出了单片机采集波峰波谷值原理，对A/D转换后的数字信号，脉搏波波形的波峰及波谷值。将每次采集到的数值存入浮点数max，将下一次采集到的数值y与之比较，若y大于max，则将y的值记为max，以此类推，LCD完成一次后将可得到该时间段内的最大值，即波峰值。同理，将每次采集到的数值存入浮点数min，将下一次采集到数值y与之比较，若y小于min，则将y的值记为min，以此类推，LCD完成一次显示后将可得到该时间段内的最小值，即波谷值。最终将波峰值与波谷值代入预先在程序中设定好的回归方程，分别计算得出舒张压和收缩压。 图9. 特征点提取流程图
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user: 4. 实验结果与分析 4.1. 信号处理电路测试结果及分析 本文选用220 V交流转±9.0 V直流恒压源模块(WA5-220D09D3)作为供电电源，测试时采用数字示波器(DS1102E)分别测试每一部分的电路输出情况，从而验证电路可行性。 将光信号采集电路输出端与脉搏波信号处理电路连接后，采用搭建好的测试系统对光信号采集电路输出的差分信号和信号放大电路进行测试，将数字示波器接在接光信号采集电路的输出端，得到如图10(a)的电压输出信号，由图可见电压信号幅值在±0.5 V以内，且其中掺杂着许多噪声，无法辨别出其中的有用信号。再将示波器的探头连接信号放大电路的输出，测得脉搏波信号放大5倍后的输出信号，由图10(b)可知，电压信号峰–峰值增大到5.0 V左右，验证了信号放大电路对信号的放大功能。继续将数字示波器接在一级低通滤波电路的输出端，得到如图10(c)的电压输出信号，二级低通滤波电路的输出如图10(d)。由图可见，由于已经在一定程度上滤除了10 Hz以上的噪声信号，采集到的电压信号已隐约出现了脉搏波波形轮廓。接下来将信号输入高通滤波电路，目的是将直流信号去除。将示波器的探头连接高通滤波电路的输出，如图10(e)，输出电压信号幅值回归到−2.0 V~2.0 V之间，验证了高通滤波电路对直流信号的滤除功能，然而该信号中仍50 Hz工频干扰信号。本文采用专门的50 Hz陷波电路模块将该电路滤除，并抬高电压，由图10(f)可知，陷波效果良好，且电压大小满足单片机A/D转换的要求。但通过测试发现，信号峰-峰值可从200 mV左右变化到4.0 V左右，这是由于测量时人体的姿态、生理状况等各种原因造成的，这种误差导致后续建立脉搏波特征值和血压值之间回归方程时存在着较大的难度。 4.2. 血压测量结果与讨论 采用指尖式血压计(HM10)、数字万用表(Agilent34461A)和本设计的指端动态血压监测仪构成整个测试系统。以指尖式血压计作为标准，通过采集被测者一天内不同时刻的血压值以及同一时刻测得的指端脉搏波波峰值Vmax和波谷值Vmin，经多次测量、记录，得到测量结果如表1。 Table 1 Measurement results of blood pressure， peak and trough of pulse wav 次数 V min (V) V max (V) SBP (mmHg) DBP (mmHg) 1 1.28 3.76 115 71 2 0.88 4.16 112 69 3 1.04 3.60 116 71 4 0.64 3.60 116 71 5 2.00 3.12 121 74 6 0.88 4.16 109 67 7 0.88 4.16 117 72 8 0.80 3.52 116 71 9 0.96 3.36 112 69 10 1.16 3.68 115 70 11 1.44 3.32 116 71 12 1.84 3.24 110 68 13 1.48 4.12 120 73 14 2.24 4.12 120 73 15 1.68 4.36 117 72 表1. 血压值与脉搏波波峰波谷值测量结果 图10. 电路输出结果：(a) 差分输出电压；(b) 放大输出；(c) 一级低通滤波输出电压；(d) 二级低通滤波输出电压；(e) 高通滤波输出电压；(f) 陷波输出电压 整理数据，利用Origin2017绘制波谷值与舒张压关系曲线、波峰值与收缩压的关系曲线，并对波谷值与舒张压关系曲线进行三阶多项式拟合，对波峰值与收缩压的关系曲线进行二阶多项式拟合。图11(a)给出波谷值与舒张压关系曲线及拟合结果，波谷值与舒张压拟合相关系数R 2 = 0.69232，图11(b)给出波峰值与收缩压的关系曲线及拟合结果，拟合相关系数R 2 = 0.82261。 图11. 测量结果：(a) 波谷值与舒张压的关系曲线；(b) 波峰值与收缩压的关系曲线 结果表明，本文设计制作的指端动态血压监测仪实现了连续血压测量，但仍存在一定误差，误差产生原因主要有两点：一是由于元件自身带有误差，无法得到实验恰好所需的元件值，因此在电路的各环节中都难以得到理想的效果；二是由于人体是一个复杂且开放的生理系统，在测量过程中，脉搏波信号会受测量时的人体姿态、生理状态、环境因素等影响 [ 11 ]，因此通过测试得到的血压值与脉搏波特征值之间的回归方程会存在误差，最终系统的测量结果也会存在一定的误差。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 本文基于光敏三极管设计制作了指端动态血压监测系统，采集、处理人体指尖脉搏波信号，利用单片机提取脉搏波特征参数，并通过大量数据测量与统计建立了脉搏波特征参数与血压之间的回归方程，最终实现了血压值的测量与显示。实验结果表明，相比目前市场上的电子血压计，本文设计的指端动态血压监测仪可实现长时间血压的连续测量，并具有更高的便携性，为家用医疗设备、智能穿戴设备及临床医疗设备测量实时血压提供一定的参考。