仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第1期

• 基于粒子群解耦算法的 FBG 流量温度复合传感研究

  孙世政，向 洋，党晓圆，张 辉，何盛港

  针对光纤布拉格光栅流量温度复合传感解耦困难的问题,提出了一种基于粒子群解耦算法的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器。首先,结合光纤布拉格光栅传感理论和流量温度复合传感理论,研究了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感机理。然后,设计了悬臂梁为空心圆柱的一体靶式结构的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器,搭建了流量温度实验系统平台,进行了温度和流量复合传感实验。最后,提出了一种基于粒子群算法的FBG流量温度复合传感解耦方法,并运用所设计的粒子群算法对实验数据进行流量与温度解耦研究。研究结果表明,解耦后传感器在3~8m3/h的范围内其流量最大误差为0.014m3/h,温度最大误差为0.021℃,流量测量误差为0.28%,温度测量误差为1.5%,流量均方误差为1.16×10-4m3/h,温度均方误差为1.53×10-4℃,与神经网络算法进行性能比较后,结果表明所采用的粒子群算法解耦效果良好,有效地提高了传感器的测量精度。

• 基于 C 4 D 技术的非满管液体流速测量方法研究

  高鹤明，宋晓文，周弘林，库帅超，赵 恒

  为满足目前小型化设备中液体流速测量的需求,通过将空间滤波测速与电容耦合非接触电导测量(C4D)技术相结合,提出了一种适用于非满管液体流速测量的新方法。设计了一种轴向两电极结构的C4D传感器,采用COMSOL仿真软件建立了传感器的三维仿真模型,并对其空间灵敏度分布特性进行了分析,然后基于该传感器的空间滤波效应对液体流速测量原理进行了理论推导,并采用等效峰值频率的方法得到了速度测量的数学表达式;在此基础上,设计了一套可适用于空间滤波的C4D液体流速测量系统,并通过该测量系统验证了C4D传感器具有良好的空间滤波效应,且实验结果表明,该测量方法具有良好的可行性,在1.39~2.35m/s的速度范围内,测量速度的绝对误差均在5%以内。

• 孔口流量计正压测试夹具和可膨胀系数的研究

  宋述古，刘伟光，张 强，李 忠，张晓妮

  孔口流量计是标准孔板流量计的特殊使用形式,为环境监测领域中常用流量测量元件。孔口流量计在校准时按上游入口压力的不同,其校准方法分为微正压和微负压两种校准工况。两种工况均为国家标准和规范推荐方法,但校准出的流量系数差距达10%。夹具引入的附加差压和仪表流量系数线性度误差是导致两种校准工况流量系数偏差的原因。通过CFD仿真研究,设计对被校准孔口流量计上游压力影响较小的夹具形式和结构参数。在仿真数据的基础上计算得到适用于常用管径和雷诺数范围的孔口流量计的可膨胀修正系数公式。运用上述成果并进行试验验证,正压和负压校准流量系数的差距减小至±0.5%以内。校准流量范围内孔口流量计流量系数线性度也有0.1%左右的提升。

• 气体涡轮流量计性能优化的模拟与实验研究

  王智威，严微微，肖云巩，林景殿，章圣意

  以TRZ80气体涡轮流量计为研究对象,采用数值模拟与实验测试相结合的方法,提出了前整流器和后导流体的结构优化方案。通过对结构优化前后流量内部流场特征的分析,揭示了流量计结构与性能优化背后确切的流体力学机制。研究结果表明:前整流器和后导流体区域的压降突变与后导流体尾部的涡旋结构和回流现象是影响流量计计量性能的主要机制。优化的流量计结构可以明显减弱压降突变、涡旋结构与回流现象。优化的流量计结构既可以显著降低流量计的压力损失,又可以明显提高流量计的测量精度与稳定性,其压力损失和线性度误差分别降低了约48.58%和32.43%。研究结果有助于为今后开发与量产计量性能更好的气体涡轮流量计提供理论指导和技术支持。

• 双管型科氏质量流量传感器非线性影响抑制研究

  李中翔，郑德智，胡 纯，樊尚春

  双管型科氏质量流量传感器输出信号中存在以倍频信号为主的非线性现象,已从数值分析角度进行溯源,本文借助ANSYS有限元分析软件构建全参数化模型,通过仿真实验进一步验证数值模型的可靠性;并通过分析耦合系统中测量管质量、定距板厚度、激励力大小对非线性振动的影响,证明测量管刚度和约束刚度对非线性的抑制有重要影响;进而采用附加质量法改善耦合系统局部刚度来抑制非线性倍频现象,结果显示改善局部刚度可以有效抑制和消除非线性现象;并且开展非线性抑制实验,结果符合仿真分析,验证了理论研究的正确性。为进一步细化非线性抑制方案、开展非线性抑制实验提供了理论支撑和技术指导,并可结合具体测量环境和测量需求,针对性的抑制或消除非线性现象,作为下一步CMF优化设计依据。

• 气体涡轮流量计后导流体结构优化设计

  邵家存，严微微，林景殿，章圣意

  通过数值模拟和实验测试相结合的方法,研究了LWQ80气体涡轮流量计后导流体的结构优化及其计量性能的变化规律。基于流量计内部流场特征及其流动机理的探究,分析得出造成后导流体压损的主要原因是后导流体区域的壁面边界层分离和流体流向偏转。由此提出了缩小分离区和提升导流片导流效果的优化思路,通过延长后导流体的长度和延后导流片的位置,设计了一种改进型的后导流体结构。研究结果表明:后导流体结构经过改进后,气体涡轮流量计的计量性能得到了明显提升。在流量为250m3/h时流量计的压损降低了20.5%左右,仪表系数的恒定性显著提高,最大示值误差降低了近2.5倍,且能有效延长流量计的使用寿命。研究结果有助于为气体涡轮流量计的结构与性能优化提供理论指导和技术支持。

• 基于爆破阀的微流体引流控制芯片研究

  杨明鹏，刘 佳，李言杰，葛 静

  微量流体的收集与控制是微流控领域的关键技术,微流体引流控制不仅需要对流速、时间等参数进行精确控制,而且要避免流体在多个检测区的交叉混染。本文设计一种基于爆破阀的微流体引流控制芯片。首先,对爆破阀机理进行分析,并采用MEMS工艺制备微流控芯片;然后,对影响爆发阀特性的材料亲水性进行跟踪测量,对微流控芯片的引流特性进行宏观和微观观测;更进一步地,对爆破阀的爆破压力进行理论计算和实验实测,3种爆破阀的实测爆破压力分别为90、690、2440Pa;最后,对不同进样速率下爆破阀的爆破特性进行测试。实验结果表明,通过爆破阀的合理设计,可实现微流体的引流控制,使其按预定次序、预定时间流入检测区,进而有效避免流体的交叉混染。

• 高温液态金属流量在线测量方法与技术综述

  李雪菁，姚新红，张进明

  高温液态金属流量在线准确测量对于设备的安全运行,工业过程控制,优化测量及校准装置等均具有非常重要的意义。根据测量仪表在结构中是否存在阻碍件,将现有技术进行分类分析,从测量技术原理、应用环境、特点等方面论述了现有测量技术的优势及应用限制等。为了保证测量的准确性和可靠性,高温液态金属流量测量的仪器仪表在线校准是关键技术之一。对现有技术进行分析,目前能够在600℃以上的环境下长时间连续工作的高温液态金属流量测量仪表技术很少,且在线校准误差在6%(或以上)。在总结现有测量技术的基础上,展望了高温液态金属在线测量及校准技术的未来发展要求及方向。旨在为核工业及其他特种工业生产及控制过程中的流量参数检测、校准提供一定的参考。

• 柱锥段结构对旋风切割器性能的影响研究

  邹亚雄，任晓庆，刘伟光，刘 巍，杨金凤

  针对旋风切割器设计过程中,缺少有效的切割粒径预测方法问题,本文提出了影响切割粒径变化的两个关键指标。采用CFD方法研究30L/min流量下的旋风式切割器流场特性,通过分析圆柱段和圆锥段结构尺寸引起的切割效率、中位粒径和压降等性能的变化,并结合离心效应ψ和结构高度-旋风长度比Y/l两个关键指标,得出切割粒径受不同结构尺寸影响时的变化规律,结果与文献中的实验趋势吻合。研究表明:当结构的Y/l≤70%时,增加Y/l值可以提高切割性能;增加圆锥段占总高度的比值,可以在减小结构阻力的同时改善切割性能;增大旋风切割器内表面积可以起到降低结构阻力的作用。本文从两个关键指标变化的角度出发,为切割器结构设计与切割粒径的精准控制提供参考。

• 基于光纤光栅的高速气流总温测量方法

  周 震，刘显明，韩国庆，陈昱如，周 峰

  针对航空发动机高速气流总温测量的需求,结合光纤光栅尺寸小、无需回路的结构特点,本文提出一种采用光纤光栅作为感温元的滞止罩式微型总温探针设计与测量方法。通过数值模拟方法对光纤光栅总温探针进行了气动结构设计,分析了探针结构参数对总温测量结果的影响;在此基础上,制作了光纤光栅总温探针,搭建了总温测量数据处理系统,并通过亚音速风洞试验测试了光纤光栅总温探针的工作性能。结果表明,在马赫数为0.3~0.8亚音速气流冲击下,光纤光栅总温探针具有良好的滞止效果和稳定性,马赫数大于0.5时其复温系数达到0.8以上,在马赫数为0.8时达0.99。所制作的微型光纤光栅总温探针直径低至0.8mm,结构尺寸远低于热电偶探针,在满足总温精准测量的同时,可有效降低对流场的干扰。

• BIM 校正累计误差的激光里程计求解方法

  刘今越，陈小伟，贾晓辉，李铁军

  建筑机器人室内作业过程中,如何实现里程计精确求解对后续的定位建图及精准作业有着至关重要的影响。针对传统同步定位与地图构建(SLAM)方法由于回环检测导致的准确性问题,提出了一种以建筑信息模型(BIM)数据校正激光里程计累计误差实现精准定位的方法。首先求解机器人初始时刻在BIM中的全局初始定位,其次提取三维点云关键点并转换其为二维点云,然后以轮式里程计数据为预测值求解帧间运动,最后结合BIM数据消除累计误差得到高精度里程计定位。实验表明:本方法在机器人初始定位、激光点云处理和消除累计误差的运动求解上具有良好的稳定性和准确性,初始定位误差小于2mm,里程计偏移量误差控制在0.09%内,为建筑机器人精确建图提供了有力保障。

• 磁光阱异面空间角度测量及测量不确定度评定

  朱 进，黄 垚，朱维斌，薛 梓，邹 伟

  随着空间几何量精密测量技术在装备制造工业的制造与装配过程中应用越来越广泛,角度计量正在从平面角度向空间角度发展。针对磁光阱的异面空间角度进行测量,使用平行平晶作为标准平面引出待测面法向量,并将其空间角度有效的划分成水平投影角和竖直投影角两个平面角度进行测量,保证了空间角度的可溯源性,得到磁光阱各待测面法向量间的空间角度偏差最大值为0.2860mrad;然后通过蒙特卡洛法评定该方法的测量不确定度为0.0959mrad;最后与三坐标测量机法比对结果中偏差最大值为0.1842mrad,在考虑待测面平面度指标为±0.1454mrad时,二者的一致性良好。目前该方法已在NIM5铯原子喷泉钟物理真空子系统的研制中进行了应用,证明了该方法能够满足测量的准确度要求。

• 基于多目标遗传算法的高频磁致伸缩换能器优化设计

  黄文美，郭万里，郭萍萍，夏志玉

  磁致伸缩换能器在高频激励下存在铁心涡流损耗大、磁场分布不均匀、电磁转化效率低等问题,需要从换能器本体优化设计方面寻求解决。首先对换能器的线圈高度和磁轭回路结构进行仿真分析以初步确定磁路结构;然后基于非支配排序遗传算法对换能器提出了一个整体的多目标优化设计模型,该模型以增大磁致伸缩棒内磁场强度、提高棒内的磁场分布均匀度和减少换能器高频损耗为优化目标,引入规范化排序和熵权法对该优化方法得到的Pareto前沿解进行决策支持,筛选一组最优设计方案;最后对该最优解进行仿真分析,磁场分布和数值计算结果验证了该优化方法的有效性,根据优化结果制作了一台换能器样机,样机输出特性的测试结果表明了优化设计方法的可行性。

• 波浪驱动式海洋高频次精细化观测剖面仪的设计

  杨 杰，王 焱，金萍萍，马纯永，陈 戈

  波浪驱动式海洋剖面观测平台具有自主升降、快速剖面、高时空分辨、长期连续的综合优势,对当前海洋中小尺度动力过程、浮游植物生理昼夜变化、生物地球化学循环等快变过程研究具有重要意义。自主设计并研制了一种完全由波浪驱动的海洋剖面仪样机系统,于2021年8月8日~8月31日在青岛胶州湾海域以锚泊方式连续开展了23天海试,获取总剖面数2367个,平均每天102个,剖面平均周期8.19min。结果进一步表明,在1级左右的低海况下,系统工作受潮流影响较大;而在2级以上的较高海况下,基本可以实现全天时连续工作,证明了自研波浪驱动式剖面仪样机具有良好的工作灵敏性、状态稳定性和机械耐受性,且设计成本只有国外同类产品价格的20%左右,为实现新型剖面观测平台的国产化目标迈出了关键一步。

• 激光聚变靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法

  黄婧雯，马仙仙，刘子豪，赵维谦，邱丽荣

  针对激光聚变靶丸表面3D全形貌的高精度测量与评价难题,提出一种基于激光差动共焦原理的靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法。该方法采用经纬迹线划分方案提高形貌信息采样覆盖率,实现靶丸球面形貌高效高精度测量。首先,利用差动共焦测量系统对靶丸球面经纬迹线上二维圆周采样点进行精准定焦,获取二维轮廓信息;然后,利用精密三维位姿调整机构和正交回转轴系切换被测截面,获取覆盖靶丸全球面多条经纬迹线处的高度信息;最后依据建立的靶丸球面经纬迹线三维坐标转换模型,采用最小二乘算法对靶丸球度进行高精度评定,并对靶丸表面进行形貌重构。实验结果表明:测量57条迹线,被测靶丸的球度误差为1.946μm。该方法为靶丸表面全形貌高精度测量与评定以及定性观察提供了可行性方案。

• 基于迭代补偿的纳米粒子磁化信号检测方法研究

  祖婉妮，柯 丽，杜 强，温凯诚，武 明

  磁粒子成像是一种无创成像技术,通过检测磁粒子示踪剂磁化信号,表征其浓度分布图像。在实际检测中,检测线圈的感应信号包含激励磁场信号与磁性纳米粒子磁化信号。将激励信号从感应电压中去除,获取粒子信号是磁性粒子成像信号检测需要解决的关键问题。针对磁性纳米粒子成像信号检测中激励磁场耦合消除方法进行研究,设计平面梯度检测线圈,并提出迭代补偿控制方法,消除激励磁场耦合,实现磁性纳米粒子磁化信号检测。仿真计算与实验测量的结果表明,对于不同检测模型,所提出的检测方法均可以完成粒子信号检测。该方法获得的粒子信号的信噪比是原有信号消去检测方法的2.2倍,与滤波方法相比信噪比提高到1.3倍,激励磁场耦合衰减可达到34dB。

• 光纤传感技术在航空发动机温度测试中的应用

  韩国庆，刘显明，雷小华，章 鹏，周 峰

  温度测试对于航空发动机设计与研制具有极其重要的意义。航空发动机的测温环境具有高温、高压、高速气流冲击、高转速、安装空间狭小等特点,还要求测温系统具有大量程、高精度和高稳定性的工作性能,可供选择的测温方法非常有限。光纤温度传感器具有体积小、抗电磁干扰、极端环境下的安全可靠和使用灵活等优点,并具有串联复用的准分布式传感能力,在航空发动机温度测试中有很好的应用前景。本文对比总结了基于光纤布拉格光栅、光纤法布里-珀罗、光纤超声和光纤辐射等几类典型的光纤温度传感器的传感原理、制造工艺和技术特点,分析了航空发动机研制中不同对象和场景的温度测试需求,对光纤温度传感技术在航发测温领域中的应用研究现状进行了分类整理和发展水平综述,对其在未来实际应用中存在的不足进行了分析,最后对其在未来研究及应用的发展方向进行了展望,为后续航发测温领域研究及应用提供参考。

• 新型固体电解质基氮氧化物传感器的制备与性能研究

  王远西，王 岭，孟维薇

  氮氧化物(NOx,NO+NO2)是我国首要的气体污染源之一,其对自然环境和人类健康均造成了严重的威胁,因此开发原位检测NOx的高效检测设备势在必行。NOx的排放源主要为工业废气和汽车尾气,其气体温度较高、成分比较复杂,而固体电解质基气体传感器可以实现在高温下对NOx的高选择性、高灵敏度检测。本研究以Co3O4/Cr2O3/YSZ的复合材料为敏感电极,以YSZ为固体电解质构建了阻抗型NOx传感器。采用XRD、SEM和EDX对传感器进行了表征,并系统研究了传感器在高温下对NO的敏感特性。结果表明:Co3O4/Cr2O3/YSZ敏感电极材料呈颗粒状,粒径约为200nm,并且敏感电极以疏松多孔的状态覆盖在电解质表面,有利于气体的扩散和传质。传感器对NOx具有良好的响应-恢复特性,并且O2浓度对传感器的影响较小。此外,传感器具有较好的重现性、稳定性、选择性。为了进一步将传感器应用于在高温下原位检测NOx,制备了自加热型的新型传感器。该传感器表现出良好的敏感特性,其检测浓度范围为10×10-6~1500×10-6。此外,该自加热型传感器具有较好的重现性。本研究将为原位检测高温下的NOx气体提供新思路。

• 一种基于阶梯型磁致伸缩复合材料的 聚磁式光纤电流传感器

  许少毅，孙俊雯，彭 强，邢方方

  本文提出了一种基于阶梯型磁致伸缩复合材料的聚磁式光纤电流传感器,解决了常规磁致伸缩复合材料上待测电流诱导磁场“两端高、中间低”的分布问题。首先运用安培环路定律,构建传感器的磁场分布模型,由理论分析可知,材料中心磁场与材料厚度l1、桥面高度l2和桥面长度h1成反比关系;其次,针对传感器的关键参数开展有限元仿真分析,仿真结果表明,材料厚度l1、桥面高度l2和桥面长度h1是材料中心磁场的主要影响因素,磁场会随着材料厚度l1、桥面高度l2和桥面长度h1的增大而减小,与理论分析一致。最后制作材料并开展性能测试,结果表明,随着电流的增大,材料中间位置与两端位置的应变逐渐增大,传感器的线性工作范围为0~1000A,灵敏度为0.136με/A。

• 基于储能电感的超声波发射电路本安化方法研究

  王飞宇，雷志鹏，李 杰，向学艺，石 港

  针对煤矿千米定向钻机钻进过程中应用超声波换能器对钻孔状态监测时存在需要高电压驱动和本质安全化无法兼备的问题,提出了一种基于储能电感的本安型超声波发射电路。介绍了发射电路的基本原理,理论研究了换能器等效阻抗和稳压管动态电阻对激励脉宽的影响;分析了发射电路内部和输出本质安全特性,据此给出了本质安全参数的判断标准和一种高电压本安型超声波发射电路参数计算方法。实验结果表明:在设计参数范围内,200V幅值的激励脉冲宽度能够可达2~3μs,大于设计值1.5μs;测量储能电感电流为0.9A,换能器等效电容为1.05μF,分别小于本安条件下的电流1A、电容100μF。因此,本文所提方法得到的电路参数能够在输出高电压激励脉冲下,满足本质安全要求。

• 基于改进 EMD 方法的 FBG 传感网络光谱基线校正研究

  吕 峥，庄 炜，吴 越，张 旭，祝连庆

  针对光纤布拉格光栅(FBG)传感网络中,由于环境条件导致的光谱信号基线漂移问题,本文提出一种基于改进经验模态分解(EMD)的光谱信号校正方法。用该方法对仿真数据处理,处理后光谱可通过设置阈值划分出各FBG反射峰区,验证了改进EMD方法的可行性。通过实验采集在光纤通路损耗及端面反射影响下、产生基线漂移情况的FBG传感网络光谱信号,并使用改进EMD法、小波软阈值法和惩罚最小二乘法进行实时的光谱校正处理,运用高斯非线性拟合法计算正常和校正后光谱的各FBG中心波长。结果显示,运用改进EMD法校正后计算的各FBG中心波长,传感信号存活率分别提高48.9%和61.6%,平均偏差和偏差标准差最小,分别为4.33、6.28和6.01、6.58pm。该方法校正后的光谱信号能为物理量检测提供可靠信息。

• 基于机器视觉的表面缺陷检测方法研究进展

  赵朗月，吴一全

  在半导体、PCB、汽车装配、液晶屏、3C、光伏电池、纺织等行业中,产品外观与产品性能有着千丝万缕的联系。表面缺陷检测是阻止残次品流入市场的重要手段。利用机器视觉的技术进行检测效率高、成本低,是未来发展的主要方向。本文综述了近十年来基于机器视觉的表面缺陷检测方法的研究进展。首先给出了缺陷的定义、分类以及缺陷检测的一般步骤;然后重点阐述了使用传统图像处理方式、机器学习、深度学习进行缺陷检测的原理,并比较和分析了优缺点,其中传统图像处理方式分为分割与特征提取两个部分,机器学习包含无监督学习和有监督学习两大类,深度学习主要囊括了检测、分割及分类的大部分主流网络;随后介绍了30种工业缺陷数据集以及性能评价指标;最后指出缺陷检测方法目前存在的问题,对进一步的工作进行了展望。

• 基于多维度选择性搜索的小样本缺陷识别方法

  卢森骧，徐 行，张润江，刘金海，赵可天

  超声内检测是油气管道缺陷的主要检测方式之一,目前超声内检测在工业小样本的情况下存在缺陷识别边界定位不准的问题。本文提出了一种基于多维度选择性搜索的小样本缺陷识别方法,该方法首先对超声回波进行特征提取,其中包含使用基于孤立森林的回波特征点提取,和基于自然断点法的特征点聚类;其次提出了风险相似性度量方法,并使用梯度提升树建立波形特征和风险程度的回归模型;然后将多维度缺陷相似性信息融合在选择性搜索算法中,实现小样本缺陷识别;最后使用异常分数等区域风险度量指标实现缺陷边界的精准定位。实验结果表明,本文设计的基于多维度选择性搜索的小样本缺陷识别方法的查全率和查准率分别高达95.08%和85.46%,能有效解决超声信号缺陷识别边界定位不准的问题。

• 基于短时脉冲放电与电化学阻抗谱的退役动力 电池快速分选与重组方法

  骆 凡，黄海宏，王海欣

  针对现阶段退役动力电池筛选效率低、能耗大和成组率低等问题,提出了一种基于短时脉冲放电与电化学阻抗谱(EIS)相结合的退役动力电池快速分选与重组方法。通过对200节同类型不同批次的退役磷酸铁锂动力电池进行短时脉冲放电与阻抗谱测试和分析后,将获取的脉冲电压差、直流内阻、EIS曲线形状特征以及EIS等效电路模型参数作为筛选指标并建立数学模型,实现了对退役动力电池快速有效的分选与重组。验证实验结果表明:该方法能有效地降低能耗,且单节电芯的平均测试时间短至20min以内,同时成组后的模组一致性指标较好,在工程上具有较大的实用价值。

• 石油生产光纤-电导组合探针阵列多分相测井仪研究

  陈基亮，孔德明，郝 虎，刘国权，仲美玉

  为解决石油生产多分相测量问题,基于课题组研制的创新型光纤-电导组合探针设计研制一种用于石油生产多参数测量的高精度、高灵敏度探测仪器。采用ZEMAX光线追迹方法和FEM数值分析方法对光纤-电导组合探针阵列多分相测井仪电场分布、响应特性进行了理论分析,且验证了其在流量为5、10、20、30m3/d,持气率为10%、20%、30%、40%,持水率为90%、80%、70%、60%等工况下良好的测量效果。为进一步证明其优良性能,以液相流量30m3/d,液相持水率25%、45%、65%及85%,气流量6、12、24m3/d等多相流工况为例进行动态实验分析,其持气率测量误差在5%以内,持水率误差在10%以内。实际动态实验与仿真模拟结果保持相同。充分表明光纤-电导组合探针阵列多分相测井仪的良好的性能。

• 胶囊机器人磁驱动力建模与测量

  郭志明，梁 亮，蔺代永，陈相位，李 凯

  可吞式无线磁驱胶囊机器人在胃肠道内的诊疗效果与机器人受到的外部磁驱动力密切相关。本文建立了外部磁驱动力的理论模型,基于等效磁荷模型推导了两径向充磁环形永磁体相互作用的数学表达式,采用自适应递归式计算方法开展了数值计算。此外,发展了环形永磁体间磁力实时测量方法,并开发了磁力-间距同步测量仪器开展实验研究,且建立了3D环形永磁体有限元仿真模型。实验测量磁力-间距关系曲线与理论计算和有限元仿真结果吻合较好,误差小于4%,验证了理论模型和有限元仿真模型的准确性和可靠性。通过参数分析,揭示了胶囊机器人内置永磁体长度、厚度和体积对磁力的影响规律。研究结果为精准驱动胶囊机器人在胃肠道内运动奠定了理论基础。

• 载荷作用下管道漏磁内检测信号定量化研究

  刘 桐，刘 斌，冯 刚，廉 正，杨理践

  管道漏磁内检测技术是国际公认的长输油气管道安全维护的最有效方法。为解决载荷作用下长输油气管道漏磁内检测信号定量化问题,本文基于J-A理论建立了改进的三维磁荷数学模型,分析了管道缺陷在内压作用下的磁力学效应对漏磁信号的影响规律,研究了外部载荷作用下缺陷尺寸对漏磁信号影响规律,并通过系统的实验验证了理论模型的正确性。研究结果表明:管道内压增加,材料磁化强度减小,漏磁信号径向分量和轴向分量呈指数函数下降规律;漏磁信号径向分量峰值和轴向分量极大值随着缺陷深度增加而增加,增长率逐渐降低,特征值分别变化6.5%和14.7%;径向分量峰值增长率随长度增加而逐渐降低,轴向极大值线性减小,特征值分别变化21.0%和36.8%,轴向分量对缺陷深度和长度变化更敏感。

• 基于 ICEEMDAN-MSE 的左室舒张功能 障碍心音信号的识别研究

  杨 洋，郭兴明，郑伊能，王 慧

  左室舒张功能障碍(LVDD)加重会导致左室重构、室壁僵硬、顺应性降低,从而走向不可逆阶段并进展为射血分数保留型心力衰竭。为早期诊断LVDD,本文提出一种基于改进的自适应噪声完全集合经验模式分解(ICEEMDAN)多尺度样本熵(MSE)的心音特征结合逻辑回归模型的无创检测方法。首先,采用改进的小波去噪方法对心音信号进行预处理。其次,通过ICEEMDAN方法将非平稳的心音信号分解为多个反映心音本体特征的平稳的固有模态函数(IMF),再利用互相关系数准则筛选IMF,并提取所筛选IMF的MSE,以构成特征向量作为分类器的输入。最后,通过与其他3种分类模型的性能比较,将逻辑回归应用于LVDD识别。结果表明,该方法能有效提取心音特征,其准确率为89.85%,灵敏度为92.17%,特异度为87.63%,证明了采用心音信号对LVDD进行早期诊断的有效性。

• 电感电压部分补偿交流功率法测量磁心损耗研究

  汪晶慧，肖俊涛，陈 为

  磁性元件作为功率变换器的重要组成部分,其磁心损耗的精确测量对磁性元件的优化具有重要意义。为了提高传统双绕组交流功率法测量高频激磁磁心损耗的测量精度,本文详细分析电感电压补偿交流功率法的测量原理及其误差来源,基于电感电压补偿交流功率法在非完全补偿的情况下测量高阻抗角磁性元件磁心损耗时误差仍很大的问题,本文提出了电感电压部分补偿交流功率法精确测量任意波形激励下的磁性元件磁心损耗。最后建立测量平台,在非完全补偿条件下,该方法测量50kHz正弦波激磁的金属磁粉芯磁心损耗的最大相对误差为13.54%,50kHz矩形波激磁的金属磁粉芯磁心损耗的最大相对误差为9.8%,实验验证该方法可精确测量正弦波激磁和方波激磁的高阻抗角金属磁粉芯的磁心损耗。