仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第12期

• 遥感航天器在轨结构微变形光纤监测技术发展综述

  孙广开，李 红，吴 越，张 旭，何彦霖，祝连庆

  对地、对天观测航天器在深空和极地探测、军事侦查、国土资源测绘、地质与农业灾害监测、海洋观测、气象观测和环境监测等系关国民经济社会发展的重要领域都发挥着关键作用。遥感航天器在轨结构受空间极端温度变化、重力、碎片冲击和疲劳等因素作用会产生微变形,在轨微变形监测对保障遥感航天器功能指标实现和系统可靠性及寿命有重要作用。光纤监测技术被视为最具潜力的遥感航天器在轨监测技术之一,经过近30年来的研究发展,正在从实验室研究向工程应用演进,但是目前存在若干问题限制了该技术的应用发展,亟待探讨解决方法。为此,梳理了遥感航天器结构微变形监测的主要技术,分析了光纤监测的主要技术类型、技术优缺点、微变形场重建算法、在轨适用性和典型应用案例,指出了需要研究解决的关键问题和未来发展方向。

• 油气管道柔性测径传感器设计及其结构优化

  张 行，唐步云，刘 彤，董绍华

  油气管道测径技术是检测管内通径变化、保障管道安全的重要手段。针对传统薄铝盘测径板无法检测多处缺陷且不可重复使用等问题,本文设计了一种柔性测径传感器,其通过置于聚氨酯柔性测径盘中的电阻应变片测量遇阻时的应变变化,实现管内缺陷量化检测。结合ABAQUS软件建立应变片和聚氨酯密封盘的耦合模型,分析产生拉压变形时的应变输出特性,并基于敏感栅应变趋势,寻找应变片最优放置位置。通过柔性测径传感器性能检测实验台,对柔性测径传感器的功能进行测试。最后结合BP神经网络与遗传算法得出使传感器检测性能最佳的结构参数。研究结果表明,对于DN200的管道,当测径盘外径为97.5%的管道内径,测径盘厚度19mm,测径盘瓣间距8mm时,柔性测径传感器能较好表征凹陷的几何尺寸,对于油气管道变形检测作业具有一定的工程应用价值。

• 一种石油生产永置式地面井口持水率动静态测量装置研究

  郝 虎，孔德明，陈晓玉，陈基亮，孔令富

  为满足采油地面井口多相流持水率测量的实际要求,本文结合电导动态测量与筒状电容静态测量技术,研制了一种永置式石油生产地面井口多相流持水率动静态测量装置(PDSWHMD_SM)。具体地,文中采用有限元方法(FEM)构建了电导-电容一体式传感器(CCIS)数值模型,在此基础上对CCIS管道内流体处于流动及静止状态下分相介质的分布特性、CCIS结构参数、CCIS电学分布特性、不同多相流工况下的响应特性等进行了深入研究,最终确定了CCIS最优结构参数:He=90mm、ID=30mm、Ihe=3mm、Hc=375mm、IR1=26mm、Tc=1mm、Hm=56mm,证明了其测量误差在5%以内。另外,本文以总流量5~70m3/d,持水率50%~90%等多相流工况为例进行了实验研究,实验结果表明:研制的装置PDSWHMD_SM持水率测量误差同样在5%以内。仿真和实验均证明了PDSWHMD_SM具有良好的持水率测量性能。

• 用于铝电解电流精确测量的手持式光纤电流传感器研究

  李建光，肖 浩，刘东伟，李 芳，刘育梁

  电流强度是电解铝工艺的基本参数,精确测量电解槽分布电流可提高铝电解生产效率和工作稳定性。本文分析了光纤电流传感器相比于传统电流测量技术在电解槽电流测量中的原理性优势,针对目前光纤电流传感器在现场应用中存在的重复拆装和大电流条件下温度误差问题,创新提出了基于柔性封装的传感光纤插接方案和温度误差与非线性误差二维补偿技术,首次设计研制了手持式光纤电流传感器,测试结果表明:传感器的重复拆装误差小于0.12%,在-40℃~70℃温度范围内测量0.5~30kA电流时的误差小于0.2%,在某电解槽现场测量立柱母线电流时与控制室显示值的误差小于0.4%,并通过对阴极钢棒分布电流的连续监测和分析,实现了电解槽破损的提前预警。

• 基于梳状式电容传感器的滑油磨粒检测方法

  贾宝惠，丁梓航，肖海建，耿亚南

  航空发动机旋转部件的磨损是影响其寿命的重要因素,而滑油内磨粒的参数能直接反映部件的磨损状态,磨粒监测已是发动机智能诊断的关键技术。提出一种梳状式电容传感器,采用内置多平行板电极结构,分析磨粒检测机理,通过数值模拟分析结构优化方向,确定最佳参数。搭建实验平台进行试验,结果表明,当铁磨粒直径从0.3mm增至0.9mm时,电容差值从3Ff增至17Ff;当磨粒个数从1增至4时,差值与数量近似成正线性关系,最大增幅在200%~350%左右;电源频率从10kHz增至100kHz时,差值降幅在36%~67%。研究表明梳状电容传感器内部电场均匀度较好,利于提高结果一致性与磨粒检出率,可在10mm管路中检测200μm以上的磨粒,具有较好的区分度,可为航空发动机滑油磨粒监测研究提供技术支持。

• 基于正交双行波磁场的平面二维时栅位移传感器

  武 亮，阿岩琛，吴玉龙，苏 瑞，鲁 进

  针对半导体行业、航空航天等领域对于精密二维位移测量的迫切需求,提出了一种基于正交双行波磁场的平面二维时栅位移传感器。传感器由定尺和动尺组成,定尺由导磁基体和沿x、y方向排列的两励磁线圈组成,动尺由导磁基体和沿x、y方向排列的两层感应线圈组成。当励磁线圈通入正余弦励磁信号时,在定尺上方产生分别沿x和y方向运动的正交双行波磁场。通过对感应线圈输出的感应电信号进行解算得到x和y方向的位移值。首先介绍了传感器的结构和工作原理,对传感器模型进行了电磁场仿真;然后对仿真误差进行溯源分析,并优化传感器结构;最后采用印刷电路板技术制作了传感器样机,并设计相应的电气系统进行实验验证。实验结果表明该传感器在160mm×160mm测量范围内能够实现平面二维位移测量,x方向节距内位移误差峰峰值为32.8μm,y方向节距内位移误差峰峰值为34.5μm。

• 基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器

  向柳静，姜昌兴，刘显明，雷小华，章 鹏

  针对体内介入式医疗应用需求,提出一种基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器设计与制作方法。通过理论分析建立了适合超弹性体硅橡胶材料的Mooney-Rivlin力学仿真模型,对不同组分、厚度感压材料的受压变形状态进行了理论分析,并获得优化的传感器材料及结构参数。进一步提出微型光纤法珀压力传感器的制作方法,通过感压性能测试、温度影响测试和体外血液压力测试,对比验证了不同参数传感器的感压性能。结果表明,在感压材料直径180μm、厚度250μm时,测压范围0~40kPa内传感器的压力灵敏度达到154.56nm/kPa,20℃~50℃大温度范围内引起的压力测量相对误差仅为0.36%,温度对压力测量的影响完全可忽略。相比传统膜片式光纤压力传感器,基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器不仅尺寸小、灵敏度高,还具有成本低、方便制作的技术优势。

• 圆光栅角度传感器偏心误差的分析与补偿

  宋宇飞，毛庆洲，周 昊，胡雪晴

  偏心误差是圆光栅角度传感器测角误差的主要来源之一。通过推导偏心误差的表达式及其三角级数展开,提出了使用对径双读头可以测量偏心参数并补偿偏心误差,因此设计了利用改进的粒子群算法从双读头计数值中拟合得到偏心参数的流程和一种基于区间转换和两级查找表的现场可编程门阵列(FPGA)偏心误差实时补偿模块,使得在标定得到偏心参数后,在设备中仅使用单个读头就能实现与双读头几乎相同的测角精度,节省了成本。实验分析表明,对于实验中用到的单圈320000计数值的编码器,在误差补偿前,单读头计数值与双读头计数均值之间最大相差109,即偏心误差最大可达0.06°,显著影响测角精度;而在误差补偿后,二者最大相差6,平均仅相差1.46,这验证了提出的误差补偿方法可以有效代替双读头的使用。

• 水平对抛式原子干涉陀螺物理系统研制

  王先华，贾 森，王一丁

  水平对抛式原子干涉陀螺以物质波和Sagnac效应为基础,能够对其载体在运动过程中水平方向上产生的角速度及角加速度进行高精度测量。陀螺的物理系统为原子的冷却、囚禁、干涉提供超高真空环境和特定磁场环境,并为激光操控和探测原子态提供光学通路,是陀螺的核心部分。为了实现原子干涉测量并满足高精度测量的需求,在分析原子干涉陀螺运行原理的基础上明确了陀螺物理系统的功能及基本结构,理论分析了物理系统的真空度、磁场等关键指标,然后根据分析和设计结果研制了一套水平对抛式原子干涉陀螺物理系统,测量结果显示真空度可稳定维持在10-8Pa量级,利用这套系统获得的冷原子团直径约6mm、原子数量约8×109个、原子温度为12.8μK,满足后续原子干涉测量需求。

• 基于单测头误差相位偏移法的嵌入式角位移传感器自校准研究

  孙世政，张俊明，韩 宇，陶平安，何泽银

  针对嵌入式角位移传感器长期使用出现精度损失问题,结合传感器结构特点提出一种基于单测头误差相位偏移法的自校准方法。首先,依据圆周空间封闭性原则,基于傅里叶变换分析传感器误差特性;然后,以起始测量值序列作为误差偏移起始基准,根据误差特性等间隔变换误差序列并解算误差与起始基准的函数关系,构建传感器误差模型;最后,搭建在线校准实验平台进行验证实验。实验结果表明,单个对极内误差结果与测量误差特性一致,整周测量误差大幅度降低,误差峰峰值由127.80″降低至5.90″;该方法校准效率相比于比较校准法提升了80.69%,校准后误差分布集中,同时具有良好的测量稳定性。本文所述自校准方法在不依赖高精度基准器具前提下,有效解决了传感器精度损失问题,对实现嵌入式角位移传感器自校准具有重要的应用意义。

• 环境温度对双滚轮-导轨式渐开线测量仪的影响

  凌 明，凌四营，张 衡，王奉涛，王立鼎

  双滚轮-导轨式渐开线测量仪是一种无阿贝误差、误差源少、测量精度高的渐开线测量仪器,常用来测量高精度标准齿轮和齿轮渐开线样板。本文研究了环境温度对双滚轮-导轨式渐开线测量仪及齿轮渐开线样板的影响,发现当双滚轮-导轨式渐开线测量仪的滚轮与待测齿轮渐开线样板的热膨胀系数相同时,环境温度的变化不会带来齿廓倾斜偏差,而滚轮与齿轮渐开线样板的热膨胀系数不同时,在20℃±5℃范围内环境温度的变化带来的齿廓倾斜偏差是随环境温度线性变化的,而且上述两种情况环境温度的变化均只带来纳米量级的齿廓形状偏差,可以忽略。通过ANSYS进行了渐开线样板、滚轮和导轨的热膨胀仿真验证,并通过GCr15钢和SiC陶瓷材料的滚轮对材料为GCr15钢的渐开线样板的同一齿面进行了不同环境温度下的齿廓偏差测量实验,环境温度变化时,GCr15钢材料滚轮测得的齿廓倾斜偏差未发生明显改变,SiC陶瓷材料滚轮测得的齿廓倾斜偏差的变化量为0.71μm/℃,与理论值0.73μm/℃基本一致,两种材料滚轮测得的齿廓形状偏差均未发生明显改变。

• 一种转台测角系统动态比对的信号同步方法

  徐兴晨，朱维斌，黄 垚，邹 伟，孔 明

  针对转台测角系统和环形激光测角仪进行动态比对时的数据同步问题开展研究。首先分析了转台测角系统与环形激光测角仪之间的同步问题,阐述了转台测角系统和环形激光测角仪之间因各自系统延时不同引入的同步角偏差;针对同步角偏差进行分析,提出延迟补偿方案以实现转台测角系统和环形激光测角仪相同时刻测量输出值对应同一转台角位置;开发基于现场可编程门阵列(FPGA)的同步角偏差实时补偿电路,重点说明了角速率解算和延时触发关键环节。搭建动态角度测量实验平台验证同步角偏差补偿效果,实验结果表明,在不同转速下补偿方法均能够实现良好的补偿效果,且各个转速下的补偿效果差异小于0.5″。

• 一种基于新灵敏度指标的五轴数控机床关键几何误差辨识方法

  陶浩浩，陈 丰，李同杰，范晋伟

  精度设计是提升机床加工精度的有效途径,而准确辨识关键几何误差并为其合理分配权重是实现精度设计的前提条件,因此,提出了一种识别关键几何误差的灵敏度分析方法。首先基于多体系统理论建立了机床加工误差模型,并基于该模型构建了灵敏度分析模型,同时定义了一种新的灵敏度指标。然后,通过仿真分析明确了第10、17、22、24和37项几何误差为关键几何误差,同时实现了对各项几何误差分配权重。最后,通过补偿关键几何误差和全部几何误差的方式对“S”形检测试件进行加工并对比其轮廓度误差,对比结果显示通过两种补偿方式获得的平均轮廓度误差在3条检测线上的差值很小,分别为0.005、0.004和0.006mm,因此证明了提出的灵敏度分析方法的正确性。

• 一种新的机床位置误差灵敏度分析方法

  王培桐，范晋伟，任行飞，李 状

  本文提出一种新的机床位置误差灵敏度分析方法。首先基于多体理论和齐次变换矩阵建立了五轴龙门机床位置误差模型。其次通过截断傅里叶技术来表征与位置有关的几何误差参数,每个误差参数对位置误差的灵敏度值可表示为其傅里叶幅值平方。然后归一化处理,关键的几何误差参数为第2,3,8,15和26项误差。通过与传统的Sobol法对比,仿真结果表明两种灵敏度分析方法辨识的关键几何误差相同且灵敏度值相近。此外,本文提出的灵敏度分析计算效率优于传统Sobol法。最后为了验证关键几何误差的有效性,提出了一个关于机床关键几何误差的补偿实验。实验结果表明,补偿关键几何误差后机床的加工精度提升了48%。因此,本文提出的机床位置误差灵敏度分析方法是可行的和有效的。

• 动态场景下基于光流的语义 RGBD-SLAM 算法

  刘钰嵩，何 丽，袁 亮，齐继超

  为解决传统的同时定位与建图算法在复杂动态环境下容易受到动态目标干扰而导致定位精度差和建图错误的问题,提出了一种动态场景下基于光流的语义RGBD-SLAM算法。首先,通过优化的二维相邻帧透视矫正方法,对当前帧进行透视矫正以补偿相机运动;然后,将矫正后的图像输入RAFT-S网络中,在获得低分辨率的稠密光流场后提取动态目标的掩码,并根据上一帧掩码中动态目标的位置和速度信息,对当前掩码中的动态区域进行跟踪和优化,从而提取动态目标在每一帧中的精确区域;最后,分离静态和动态特征点,通过最小化静态特征点的重投影误差,得到优化后的相机位姿,并结合轻量级语义分割网络BiSeNetv2提供的语义信息和相机提供的深度信息,构建无人的静态语义八叉树地图。公开数据集TUM上的测试结果表明,本文算法的绝对轨迹误差相对于ORB-SLAM2减少了90%以上,并能获取精确的动态区域掩码以及准确的语义地图,验证了该算法在复杂动态场景中具有良好的定位精度和鲁棒性。

• 使用多尺度递归图和视觉转换器的心律失常分类

  韩 亮，罗统军，蒲秀娟，刘浩伟

  心电(ECG)信号反映心脏电生理活动状态,其准确分类对于心脏疾病的自动诊断非常重要,为此,提出一种使用多尺度递归图和视觉转换器的心律失常自动分类方法。首先使用小波变换将心电信号分解为低频分量和若干个高频分量,并采用递归图方法将其分别变换为二维纹理图像;然后针对样本不平衡问题,采用多分类Focalloss替代交叉熵损失函数,对视觉转换器模型进行改进;最后基于心电信号的多尺度递归图表示,使用改进的视觉转换器进行心律失常分类。采用MIT-BIH心律失常数据库中的数据进行实验,所提出的心律失常分类方法的平均准确率为97.38%。实验结果表明,提出的方法能有效识别心律失常类型,且其性能明显优于传统的心律失常自动分类方法。

• 一种毫米波雷达快速高分辨三维点云成像方法

  晋良念，朱 皓，王 燃

  针对现有毫米波雷达三维点云成像方法难以兼顾高分辨性能和运算速度的问题,提出一种结合自适应网格进化和稀疏渐近最小方差(SAMV)的快速高分辨三维点云成像方法。该方法首先在快速傅里叶变换(FFT)获得距离像的基础上利用恒虚警率(CFAR)检测目标的距离单元,以此估计目标的距离,然后对有目标的各距离单元使用“划分粗网格-功率谱估计-检测-网格细化”的自适应网格进化方法,得到感兴趣的方位-俯仰角细化网格,对这些细化网格估计功率谱后再次进行检测以快速得到目标的三维点云像。上述过程中,网格分裂前后的功率谱估计均使用2DSAMV方法,以提高点云像中的角度信息的精确度、分辨率。实验结果表明,该方法在保持4°的角度分辨率的同时,将生成三维点云的速度提升至2DSAMV方法的10倍左右。

• 基于改进 RANSAC 特征提取的掘进装备视觉定位方法研究

  张旭辉，杨红强，白琳娜，张 超，杨文娟

  为解决煤矿井下低照度、高粉尘、多杂光环境中掘进装备位姿测量不易的问题,提出了一种基于改进随机抽样一致性(RANSAC)特征提取的掘进装备视觉定位方法。首先,对矿用防爆相机采集的三激光标靶图像进行预处理,分别建立形状模型与线框模型;其次,根据形状模型以坐标极值为椭圆模型初始点,将前后两次内点差值比值作为最优迭代次数,迭代求取椭圆模型最优参数获得点特征;然后,根据线框模型以像素坐标模为直线模型初始点,利用自适应条件阈值、抽样次数获得线特征;最后,将点线特征作为三点三线位姿解算模型输入,通过空间坐标变换求得掘进装备位姿信息。实验结果表明,在掘进装备距三激光标靶80m范围内,所述视觉定位方法的相对误差为±45mm,可基本满足煤矿井下掘进装备定位需求,为煤矿井下恶劣环境中掘进装备的位姿测量提供一种新的思路。

• 复合扫描计算机分层成像研究

  周鹏伍，席雅睿，朱国荣，袁 伟，刘丰林

  针对薄板类工件成像,计算机分层成像(CL)技术因无损、直观而应用广泛。CL成像方法主要分为直线扫描和圆周扫描,直线扫描效率高,圆周扫描数据均匀性好。然而,由于两者的投影数据均不完备,均存在分层图像混叠及图像边缘不清晰的问题。基于此,提出了一种复合扫描CL(HyCL)成像方法,由直线扫描和圆周扫描组成。建立了几何模型,采用同时迭代重建图像(SIRT)算法进行了仿真及成像实验,分析了成像效果及层间混叠表现。实验结果表明,相比于相对平行直线移动扫描CL(PTCL)、正交直线移动扫描CL(OTCL)及圆周扫描CL(RCL),HyCL的重建结果能够有效减少混叠伪影,图像特征轮廓信息能够保留得较为清晰且均匀,对比度更好。

• 基于轻量化智能的多机协同 SLAM 系统

  陈昌川，全锐杨，张 谦，夏佩敏，乔 飞

  视觉多机协同即时定位与地图构建(SLAM)主要以相机作为传感器,并通过多机器人合作实现定位与建图。然而,在面对复杂环境时前端计算量过大,易导致整体系统精度不理想。启发于REVO和SVO算法的轻量化特点,提出一种基于轻量化智能的多机协同SLAM系统,旨在降低前端计算资源的同时提升系统可扩展性。提出改进REVO算法—L-REVO,通过轻量化改进实现前端实时运行;将L-REVO融合CCMSLAM系统后端,提出一种完整的多机协同SLAM架构;调整前端传感器和算法,分别验证前端为同构或异构时对系统性能的影响。在公开数据集TUM上,相比CCMSLAM系统,该系统两种模式下定位精度分别提高了59.4%和31.6%,能效比提升了8倍。最后,将该系统用于室内场景实验,前端功耗仅1.43W,验证了所提系统的可行性和有效性。

• 基于自适应标签和稀疏学习相关滤波的红外目标跟踪算法研究

  黄月平，李小锋，卢瑞涛，齐乃新，张胜修

  针对背景杂乱、遮挡、热交叉以及目标形变等复杂跟踪场景下目标跟踪算法出现性能严重退化问题,提出一种基于自适应标签和稀疏学习相关滤波的实时红外单目标跟踪算法。首先,根据目标响应情况自适应地构造样本标签,通过自适应标签训练提升相关滤波器的分类能力,抑制干扰区域对跟踪模型的污染。其次,加入稀疏学习策略,通过目标响应L1范数抑制复杂跟踪场景下目标响应多峰分布,提高跟踪算法的鲁棒性;与基线算法相比,该算法精度和AUC分别提升了19.3%和39.8%。在数据集GTOT、RGBT234和VOT-2016TIR上的实验结果表明,该算法对上述复杂跟踪场景具有良好的应对能力,运行速度超过35fps,综合性能优于对比跟踪算法。

• 基于置信传播的多运动平台随机组网协同导航

  陈红梅，王海锋，姜 伟，许朋举，叶 文

  在协同网络中,随着导航个体数目的增加,如何确定参与组网的导航平台并获取其状态与观测量的数据关联性是实现小型规模的多运动平台协同导航的关键。本文提出一种基于置信传播的多运动平台随机组网协同导航方法,采用随机有限集对状态和量测量进行建模并附加标签,构造带有标签的多伯努利粒子滤波器,采用基于置信传播的多运动平台随机组网协同导航方法,并利用运动目标平台与基站的绝对观测、运动目标平台与临近平台相对观测融合,通过粒子滤波器和置信传播对系统中的量测信息进行处理,相比较于非参数置信传播算法扩展因子结构作为置信度算法的逼近,该算法实现概率数据关联进行导航系统状态估计。仿真和物理实验结果表明:非参数置信传播算法在不同基站和不同粒子数的解算结果性能较差;本文提出的算法受基站个数和粒子个数的影响较小鲁棒性好,收敛性好,均方根误差不高于0.3cm,精度高于前者一个数量级,该算法能够有效获取导航平台的位置信息。

• 基于激光雷达与改进 AMCL 的爬壁机器人定位方法

  王子润，燕必希，董明利，王 君，孙 鹏

  锅炉爬壁机器人在实际应用中存在轮式编码器与惯性测量单元(IMU)使用受限,车轮与金属水冷壁之间容易打滑等问题。针对以上因素导致机器人全局定位与位姿跟踪性能下降,提出一种基于激光里程计与改进自适应蒙特卡洛(AMCL)的全局定位方法。首先,使用基于PL-ICP方法的激光里程计替代传统轮式、惯性里程计;然后将遗传学中DNA交叉变异的思路引入AMCL的粒子迭代过程中,提出一种遗传算法改进的自适应蒙特卡洛定位方法,缓解AMCL粒子贫化导致位姿跟踪性能下降和恢复定位速度慢的问题。经实验验证,该方法的绝对定位误差控制在12.7cm,精度较普通AMCL方法提升32.4%;该方法在机器人发生轻微打滑时定位结果几乎不受影响,发生较大滑动时恢复定位的速度较普通AMCL方法提升35%。

• 基于直流电流二倍频分量抑制的电流源型 PWM 整流器控制策略

  黄勇军，郭 强，李海啸

  电流源型脉宽调制整流器在电网电压不平衡工况下运行时,电网电压中负序分量的影响将导致直流侧引起低频脉动,网侧电流出现低次谐波。为了解决此问题,在含有源阻尼的传统双闭环控制基础上,利用直流侧电流内环谐振控制直接抑制直流侧输出低频脉动,同时使网侧电流正弦化;在网侧电流参考指令中加入滤波电容电流补偿项,实现系统网侧电流和电网电压同相位运行。为进一步提升系统在高不平衡度工况下运行性能,在调制环节中引入陷波器消除低次谐波分量,提高了网侧电流波形质量。最后利用MATLAB/Simulink进行仿真测试,并搭建了一台3kW实验样机,仿真与实验结果表明在电网不平衡度为6.7%和20%时,文中所提出控制策略均能将直流侧电压波动限制在1.2V以内,同时网侧电流总谐波畸变率小于4%。

• 单时频谱非负矩阵编码与解调的特征提取

  张 焱，蔡有鑫，王 平，韩 延，黄庆卿

  非负矩阵分解(NMF)作为一种矩阵分解以及非线性维数约简工具,被广泛用于多样本振动时频谱的分解编码以及特征提取,但单样本振动时频谱的NMF编码、尤其NMF分解向量与振动时频谱分量间关联关系尚缺乏探讨。阐述了单时频谱编码与解调的特征提取原理,重点分析了NMF对单时频谱基于部分的特征表示能力、单时频谱NMF基向量的带通滤波幅频特性(BFAC)、以及NMF编码向量与时频谱分量的同步变化特性。提出单时频谱NMF编码与解调的两种特征提取新方法,即基于NMF基向量的滤波解调和NMF编码向量直接解调,定义一种BFAC指数指标和基向量归一化的NMF编码优化迭代规则分别用于NMF低维参数自适应选取和优化求解过程。将所提方法用于仿真信号以及齿轮箱振动信号分析,6.4k长度数据在给定因子分解秩和NMF最大迭代300次终止条件设定下的特征提取用时约3.5s,同时实现了对信噪比为-10dB仿真信号以及多故障齿轮箱振动信号中故障特征的提取。

• 基于深度学习的射频电路空间辐射测试系统

  全 智，顾一帆

  针对射频电路及天线的辐射性能测试需求,提出一种基于机器学习的射频电路空间辐射OTA测试系统。系统引入深度学习方法,利用三维空间有限测量数据训练一个全连接深度神经网络(FCDNN)模型,从而估计被测射频电路系统在三维空间各个方向上的辐射性能。为了权衡训练FCDNN模型所需的测试点数量与模型预测结果的准确度,进一步提出动态检验模型准确度,逐步提升训练测试点数量,直到模型精度达到预设要求的解决办法。实验结果表明,相比于现有OTA测试系统,所提出的基于深度学习的测试系统只需约60%的测试点,就能精准重构被测射频电路的空间辐射性能,验证了该方案的准确性与高效性,为行业提供了一种精确却低成本的空间辐射测试技术解决方案。

• 噪声激振下的油井动液面测量方法研究

  罗久飞，郑明轩，冉 超，李 锐，杨平安

  油井动液面深度是原油开采中的关键工作参数,也是油田合理安排开采计划的重要依据。针对目前声共振法存在测量范围不足和测量精度较低的问题,论文提出了噪声激振下的油井动液面测量优化方法。本文首先探究了激励频带变化对测量结果的影响,并建立了强噪声激励下系统输出响应信号的数学模型。然后,根据建立的数学模型提出了共振信号的提取算法,通过功率谱估计和自适应同态滤波有效抑制了强噪声对共振信号的干扰。最后,研究了基于双线性插值的离散频谱校正算法,实现了共振特征参数的精确估计。实验结果表明,该方法能在强噪声干扰下提取出共振信号,实现了超过1700m的动液面稳定测量,且波动小于2m。

• 适用于镁海水电池的能量变换系统设计

  陈继开，逯成龙，李浩茹，钟 诚，张利伟

  本文设计了一种适用于镁海水电池供电的能量变换系统,针对镁海水电池输出特性软、电压低的问题,对传统非隔离型三端口变换器进行优化,使电压增益得到进一步提高。基于此变换器拓扑,考虑镁海水电池输出特性和变换器载荷特性,提出一种适用于载荷突变的DC/DC变换系统能量管理策略,通过控制能量在系统内任意两个端口间的流动,实现源、荷间功率动态平衡;同时,根据镁海水电池的输出特性,在系统能量管理中引入一种基于改进灰狼算法的最大功率点追踪方法,进一步提高了镁海水电池的能量转换效率。最后通过仿真和实验证明,载荷功率在0.36和1.2W跳变时,变换器能相应完成模式间的切换,在保证输出电压稳定在12V的前提下,实现了对输出电流30和100mA的灵活控制,验证了该能量变换系统软硬件设计合理性。

• 管壳式热交换器结垢故障虚拟感知方法

  王金江，孙佳正，高 逸，张凤丽，张来斌

  随着核电、石油化工等行业需求的增长以及工艺复杂程度的提升,其关键设备状态的安全监测缺少直接、实时、在线的监测手段,难以实现故障的准确诊断与预警。本文选取石化和核电行业关键设备管壳式热交换器作为研究对象,通过分析热交换器换热管外结垢机理及对换热性能影响,应用总传热系数建立换热效率、传热平均温差与结垢厚度间的表征关系,提出了一种管壳式热交换器结垢故障虚拟感知方法,利用热交换器的温度、压力、流量等高精度、易获取运行数据,实现热交换器结垢厚度在线准确感知。最后,通过在热态功能试验台架回路上采用高压容器试验件开展了测试验证。结果表明,基于总传热系数的热交换器结垢虚拟感知模型能够在30%误差范围内实现在管径2.2%以上的垢层厚度监测。