湖南师范大学物理与电子科学学院成果推介
项目名称：高精度荧光型光纤温度传感器的研发
一、项目背景
传统温度测量技术在各个领域已经很成熟，如热电偶、热敏电阻等有源温度传感器。其敏感信号主要是以电子信号作为传感媒介。在电力能源、轨道交通牵引变绕组测温、微波热疗等易燃、易爆、高压、强电磁场等环境中，传统有源温度传感器受外界干扰影响大，无法保证正常工作。荧光式光纤温度传感器由于光纤、稀土荧光材料的本质电磁绝缘特性以及固有的带宽频带等优点，使得荧光式光纤温度传感器突破了电子温度传感器的限制。本项目研究方向属于光纤传感前沿技术，主要是实现新型的单光子探测器件、信号处理芯片、系统软硬件设计，实现一种高精度荧光型光纤温度传感器。
二、项目内容
荧光型光纤温度传感器由稀土荧光物质、光路、光电转换电路、光源调制电路、数据处理算法等模块组成。光源调制电路驱动LED发射脉冲激发光源，通过滤光片1滤光以及透镜耦合进入光纤，然后传输到荧光探头以激发稀土荧光材料。通过395nm的光源激发后稀土物质将产生620nm的强烈荧光信号。荧光通过相同光路返回滤光片1和滤光片2。荧光信号经过滤光片滤除激发光和杂散光后进入光电探测器。光电探测器将荧光信号转换为电信号，以进行后续信号处理。MCU采集荧光衰减曲线提取荧光寿命后得到最终的温度数值。激励光通过滤光片1反射到凸透镜上，但是荧光可以透过滤光片1。滤光片2的作用一是滤除透射过来的少量紫外激励光和一些杂散光，二是将荧光直接反射到光电探测器进行光电转换。
三、成果形式
1. 获得国家知识产权13项和在国内外期刊发表了相关研究论文20篇。
2.实物图、测试数据。
荧光型光纤探头 高精度荧光型光纤温度传感器
荧光寿命与温度关系 10-100℃温度测试标准偏差
四、经济与社会效益
项目名称：复杂工业过程智能化
一、项目背景
为实现工业4.0，响应国家战略性提出中国智能制造2025，针对复杂工业过程信息化集成度不高、生产效率低、能耗高及产品质量不稳定的问题，提出基于大数据分析的复杂工业过程智能化解决方案。建立工业过程物联网，采集底层数据形成原始数据中心，提炼后实现过程状态判断及工况识别；基于虚拟现实技术实现全生产流程的动画监控；采用工业大数据分析技术，挖掘生产记录中蕴含的大量专家经验，形成专家规则库，实现基于深度网络预测模型、智能控制及专家规则的复杂工业过程智能化方法；实现节能降耗、提高效率、降低生产事故及提高产品质量的综合目标。
二、项目内容
本项目方案已经在不同复杂工业过程产品化：
1、 钢卷库房智能管理系统（2015年）
基于信息扫描和位置跟踪物联网将钢卷库房所有钢卷信息以动画形式展示出来，大大降低钢卷搜索事件和故障率；钢卷智能入库推荐算法、倒剁算法及智能配车算法极大提高库房管理效率。
图1 钢卷库房智能管理界面
2、 圆形煤场三维展示及智能化管理系统（2015年）
通过三维扫描仪获取料场信息，采用三维展示技术将料场实际情况展示出来，
如图2所示；自动化管理系统实现入料分区管理及堆取料机智能管理。
图2 圆形料场智能管理系统
3、 炼钢生产物流管理系统（2016年）
图3是炼钢生产过程物联网拓扑图，实现容器、工位、运载设备及生产设备的实时状态数据获取。
图3 炼钢物联网
图4、5分别是两个不同工艺炼钢企业的物流跟踪系统动画监控图，实现天车、容器动态跟踪及生产状态的实时展示。
图4 炼钢全流程动画监控
图5 炼钢全流程动画监控
4、 炼钢生产智能调度系统（2017年）
为提高炼钢效率、提高生产节奏，需要根据现场设备情况编排生产炉次计划、
容器（钢包、铁包、废钢斗）计划及天车运载计划；当出现异常情况，原计划不能执行时，需要根据现场工况重新编排，图6、7为炉次计划甘特图。
图6 炼钢全流程动画监控
图7 炼钢全流程动画监控
5、 层冷辊道电机故障诊断系统（2020年）
热轧层冷辊道有300多台电机，电机故障频发导致大量的非停事故，为解决该问题宝钢有大量的现场巡检及维修人员，造成大量的人员浪费，同时人工维修时为防止故障非停对电机进行批量更换，导致大量的电机过度维修，成本较高。为实现从预防性批量维修到预测性定点维修的转变，基于大数据技术在线诊断电机故障，采用创新性的波形形态模式式挖掘算法，实现漏报率、误报率都满足现场需求的智能故障诊断专家系统。
图8 2050电机故障诊断专家系统
6、 水泥磨配方优化系统（2019年）
水泥由熟料、石膏、石灰石和矿粉四种原料混合而成，根据回转窑烧成的熟料质量调节熟料比例，根据烧失量调节石灰石比例，根据凝结时间及流动性调节石膏比例。熟料质量波动导致3天强度稳定控制难以人工实现。建立一套基于大数据分析，建立3天强度预测深度网络模型，基于模型预测结果采用模糊控制算法调节熟料比例，实现3天强度+-1.5Mpa占比达到85%，保证水泥标号稳定的前提下降低了数量用量。
图 9 水泥配方优化
7、 光纤预制棒质量预测及配方调节（2018年）
光纤预制棒pk测试结果有几个关键参数：GR、Delta、CV、Slope和BA，参数离线测试，反馈较慢，当发现问题时已经有1-2根棒子报废。基于大数据研究各配方跟关键参数的非线性关系，建立基于DNN网络的关键参数在线预测模型。做各配方的阶跃响应模型，建立不同配方变化时的参数变化模型，基于关键参数预测结果调节配方比例，实现预制棒质量稳定控制，在线实时调节。
三、成果形式
1. 在复杂工业过程智能化方面取得具有自主知产权的技术，获得14项软件著作权，6项国家发明专利进入实审，有4项参与的国家发明专利已经授权（参与企业专利），有一篇故障诊断论文已经以通讯作者形式被录用（sci二区）。
2. 在多个复杂工业过程运行获得良好效果
圆形料场系统已经跟中联合作在曹妃甸上线多套系统，钢卷库房系统已在曹妃甸上线运行，炼钢物流系统已在唐钢二钢、不锈钢厂和乐亭钢铁厂运行，水泥配方系统在盘固水泥厂盘景分厂上线试运行，电机故障诊断系统已经在上海宝钢上线运行并验收通过，光纤预制棒配方智能决策系统在武汉长飞光纤潜江分厂运行2年。
四、经济与社会效益
1、炼钢物流管理及智能调度系统4台转炉，每月可多生产12炉钢水，产生120万经济效益；
2、钢卷库房和圆形料场管理大大提高了场地利用率和出入库效率；
3、电机故障诊断系统350台电机，从人员到电机成本每年产生500万元的经济效益；
4、水泥智能配比系统，6台磨机每年节省熟料190万元左右；
5、光纤预制棒在线决策系统可降低报废率5%以上，9台设备，年创造500万元的经济效益。
成果名称：石墨烯等二维材料的新型光电器件设计与实现
成果简介：
该项目基于石墨烯研制新型二维材料获得可调谐的电导率、强非线性、快速响应和原子尺寸厚度的结构，研究新一代薄尺寸、快速响应、高灵敏度的光电子元件。该项目获得国家和湖南省自然科学基金资助，发表SCI论文10篇，已申请国家发明专利4项，获得发明专利1项。本项目针对信息社会对高性能光电器件的需求、开展设计微结构尺寸、快响应和电可调的滤波器、传感器和双稳态器件等新型光电子器件，有望将研制的光电器件应用于物联网和生物医疗领域。
技术水平：
已申请四项相关的国家发明专利，红外波段正负可调的光延时器、红外波段的SPR折射率传感器、基于光子晶体拓扑态的低阈值光学双稳态器件、一种基于石墨烯Tamm态的高灵敏度折射率生物传感器，可实现光延时正负可调，低阈值的光双稳态器和高灵敏度的生物传感器。
市场预测：
二维材料传感器可实现物联网在制造业、食品安全、医疗保健和核废料处理等敏感操作环境中的应用，由于其超薄的外形因素，可以很好地应用于物联网硬件平台，尤其适用于超薄和灵活/可伸缩的场合。除了使它们能够提供高性能计算（例如移动性，薄层电阻，化学稳定性，可扩展性等）的参数之外，二维材料可以满足柔性/所需的机械稳健性。
知识产权及获奖情况：国家发明专利申请4项，授权1项，计算机软件著作权证书4项。