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    2023年, 第28卷, 第5期
    刊出日期:2023-10-20
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    光纤应变传感器检测标定技术
    陈刚, 刘宏月, 高瑞翔
    2023 (5):  551-559.  doi: 10.1007/s12204-022-2406-9
    摘要 ( 210 )   PDF(1122KB) ( 98 )  
    作为现阶段传感技术的热点方向之一,光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、易于组网等特点,在复杂电磁环境下多物理场参数监测上发挥不可替代的作用。光纤应变传感器的精确标定对延长传感器存活率、提高测量准确性以及满足长期监测需求等方面具有重大的实践价值。通过综述应变传感器标定方法和光纤应变传感器标定方法的研究现状,从静、动态两个角度出发,分别举例分析其主要方法的优缺点,并对光纤应变传感器标定技术的发展前景进行了总结展望。
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    高曲率线结构光测量系统条纹轮廓提取算法
    孙昊, 杜宣, 吕娜, 崔斌, 赵辉
    2023 (5):  560-568.  doi: 10.1007/s12204-022-2476-8
    摘要 ( 112 )   PDF(1375KB) ( 79 )  
    在线结构光轮廓测量系统中,轮廓条纹的解析质量直接影响测量精度,尤其对于具有高反射率和高曲率的表面,轮廓条纹提取算法的解析能力显得尤为重要。本文研究了线结构光的成像原理、轮廓条纹的光强分布规律,并提出了一种基于实际光强分布的条纹轮廓提取方法。在算法中,对条纹图像进行了感兴趣区域快速提取、条纹宽度估计以及自适应滤波;在亚像素精度下提取了条纹的能量中心;在滤除低质量中心点后,利用上下文信息恢复了缺失中心点。使用基于线结构光成像原理生成的模拟图像以及真实实验图像评估了此方法的准确性和重复性。结果表明,该方法对高曲率条纹边缘的最大提取误差为1.6像素,是经典Steger算法的10倍;实验重复精度为8.8微米,是Steger方法的2.7倍。本文提出的方法提高了激光轮廓提取的准确性,适用于高曲率物体的激光轮廓检测。
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    核磁共振陀螺仪中基于单束激光的氙原子横向弛豫时间测量
    钟国宸1,刘华1,郭阳1,李绍良2,赵万良2,成宇翔2
    2023 (5):  569-576.  doi: 10.1007/s12204-022-2436-3
    摘要 ( 75 )   PDF(1757KB) ( 34 )  
    核磁共振陀螺仪(NMRG)具有高精度和小型化的特点,是量子技术在导航领域的主要应用之一。NMRG原子池中氙核自旋的横向弛豫时间(T2)直接影响陀螺的角度随机游走。准确、快速地测量T2有利于陀螺仪的进一步改进。对于T2的测量,目前通常采用抽运和探测正交激光器的这两种方案。通过施加两个快速切换正交静磁场和一束相应波长的圆偏振激光抽运原子池,产生氙核宏观磁矩拉莫尔进动。为了探测氙原子核自旋进动产生的自由感应衰变信号,在电池中形成铯原子参数磁强计。与传统的双激光器测量方法相比,单激光器测量T2简化了测量设备。实验结果表明,氙原子的T2大于10 s,并进行了温度影响的研究,这些为后续陀螺性能的提高奠定了基础。
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    近场准点光源照明下基于栅格变形的半标定光度立体法
    陈启恒1, 彭娜2 , 吕娜1, 陶卫1 ,赵辉1
    2023 (5):  577-586.  doi: 10.1007/s12204-022-2414-9
    摘要 ( 95 )   PDF(1585KB) ( 49 )  
    在近似点光源的近距离照明条件下,光源的非均匀性是导致光度立体法形貌恢复精度不佳的不可避免的误差因素之一。为了避免对光源进行重复、繁琐的光度校准,需要半校准的光度立体法。本文提出了两种简单有效的基于栅格的半校准光度立体算法。所提出的方法扩展了传统的基于栅格的光度立体法,通过交替迭代地更新法向量、深度图和光源强度,可同时进行法向量和非均匀的光源强度的联合准确估计。本文进行了大量实验证明所提出算法的有效性和鲁棒性。实验表明,即使在极其严重的非均匀照明下,所提出的方法仍然可以有效地抑制误差,以及在实际实验中将形貌恢复精度提高达65.6%。
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    基于角度谱信息熵的时域变化涡流分布定量评价
    陈国龙,王慷,曹政,靳伍银
    2023 (5):  587-595.  doi: 10.1007/s12204-022-2475-9
    摘要 ( 49 )   PDF(1330KB) ( 22 )  
    涡流传感器感应的涡流分布决定了检测试样中缺陷与涡流之间的相互作用,因此定量评估涡流分布对于设计涡流传感器至关重要。本研究提出了两个基于信息熵的指标来评估不同方向上分配的涡流能量。通过所提出方法评估了时域变化旋转场涡流传感器感应的涡流向量。然后,通过涡流检测原理对评估结果进行了分析。结果表明,这两个指标可以有效地定量评估时域变化的涡流分布,并将用于旋转涡流传感器参数的优化。
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    双线圈电涡流传感器参数优化及精度提高方法研究
    张振宁1,刘强2,吕春峰3,毛义梅1,陶卫1,赵辉1
    2023 (5):  596-603.  doi: 10.1007/s12204-022-2511-9
    摘要 ( 118 )   PDF(947KB) ( 64 )  
    为了提高涡流传感器在极端温度变化和航空航天有限空间等特殊环境下的测量精度,通过电磁场分析和有限元仿真建模,对传统双线圈涡流传感器探头的结构参数进行了优化,并进一步提出了确定双线圈探头最优线圈距离的准则。通过搭建实验平台对仿真结果进行了验证。在极端温度环境下,双线圈传感器在最佳距离下的全范围温度变化引起的位移测量误差小于单线圈传感器的21.0%。在此基础上,对结构优化后的双线圈涡流传感器的热稳定性进行了分析和验证。经过温度补偿后,双线圈涡流传感器位移测量精度要比单线圈传感器的精确14.9倍。提出的方法可为轴向双线圈涡流传感器探头的结构优化提供设计参考。
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    插装阀阀芯卡紧力特性
    韩贺永1,张建茹1,潘思意1,李玉贵2,马立峰1,刘实睿3
    2023 (5):  604-610.  doi: 10.1007/s12204-021-2402-5
    摘要 ( 58 )   PDF(977KB) ( 96 )  
    插装阀在工作过程中会形成偏心锥形缝隙流场,针对阀芯在此流场容易受到较大卡紧力,从而影响动态响应速度问题,提出一种新型插装阀芯结构。采用数值模拟方法分析了间隙流场在速度分布、压力分布、阀芯运动速度和泄漏量等方面的流动特性。流体动力学(CFD)计算结果表明,在插装阀芯表面设置导流槽,增加了阀芯的连接长度,使径向压力分布和速度分布更均匀,有效地减小了侧向力,同时保证了泄漏不会太大。此研究为优化插装阀以减少卡滞和提高响应频率提供了理论指导和依据。
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    基于CFD的气体超声流量计组合式整流器的研究
    袁亚琦1, 李世阳1 , 郑佳1, 李明睿2
    2023 (5):  611-620.  doi: 10.1007/s12204-021-2378-1
    摘要 ( 55 )   PDF(3396KB) ( 41 )  
    稳定、均匀的气体流场是实现气体超声流量计精确测量的关键。为了减小流场畸变,通常使用整流器。然而,传统的单一整流器只能部分改善流场分布。在复杂的管道条件下,流场畸变仍会严重影响超声波流量计时差的测量精度。为了进一步改善流场分布,本文研究了一种组合式整流器。该整流器由扇形截面部分、湍流混合腔和蜂窝状截面部分组成。通过计算流体力学计算流体动力学(CFD)仿真方法研究了DN50流量计风扇叶片角度和空腔长度对其流场的影响。仿真结果表明:与单一整流器相比,组合式整流器具有更好的性能,能有效减少涡流和湍流、提供更稳定和更好重复性的速度曲线。实验也验证了该组合式整流器的有效性。使用组合式整流器的流量计重复性小于0.2%,在相同条件下优于单一整流器。这项工作对气体超声流量计的精确测量,特别是对复杂管道条件下的测量具有重要意义。
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    基于绝对节点坐标法的柔性复合结构动力学分析与最优参数设计
    杨丹,余海东,林张鹏
    2023 (5):  621-629.  doi: 10.1007/s12204-022-2419-4
    摘要 ( 61 )   PDF(2375KB) ( 34 )  
    介电弹性体与柔性材料的复合结构是软体机器人驱动器的主要形式,但柔性驱动复合结构的材料非线性与大变形行为导致其理论模型难以获得。本文基于绝对节点坐标法推导了薄板接触界面处的协调变形条件,引入薄板的超弹性本构模型和介电弹性体本构模型,建立了考虑柔性大变形的介电弹性驱动柔性复合板结构的动力学模型。研究不同驱动电压和结构参数下的柔性驱动复合单元的动力学特性,结果表明柔性驱动复合结构在电压驱动下产生明显的非线性变形,且电压越高翘曲变形越明显;驱动单元的宽度和厚度影响整个结构的稳定性,宽度和厚度较小时结构末端变形更一致且具有稳定的周期性,控制性能更好。基于动态特性对柔性驱动复合结构进行结构参数优化从而提高控制性能;针对软体机器人的柔性驱动器,优选更小的宽度和厚度参数可以获得更优的性能。
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    基于频谱感知的锂电池直流系统电弧故障检测方法
    韩正谦1,罗利文1,姚伟2,尹邵文2,陈伟2,王营辉2
    2023 (5):  630-637.  doi: 10.1007/s12204-022-2482-x
    摘要 ( 76 )   PDF(1295KB) ( 38 )  
    本文主要研究锂电池储能电站直流系统中故障电弧的检测。锂电池直流系统被广泛应用,但传统的直流保护装置无法对设备和电路进行足够的保护。本文建立了一个基于锂电池储能电站的实验平台。在多种条件下完成了正常电流和电弧故障电流的数据采集,接着展示了电弧发生时明显和微弱信号的波形。分析了几种基于频谱感知的常见方法的原理和应用范围,并研究将它们应用于弧故障检测领域的可行性。最后,选择基于协方差绝对值的检测算法,并通过滤除电流的平均值使算法能够应用在电弧故障检测领域。结果显示:在500组实验数据中,检测准确率达到了98%。
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    数据集偏差情况下滚动轴承的故障诊断
    侯良生,张均东
    2023 (5):  638-651.  doi: 10.1007/s12204-021-2320-6
    摘要 ( 46 )   PDF(1574KB) ( 89 )  
    近年来,基于数据驱动的方法,特别是深度学习方法在滚动轴承故障诊断方面的表现优于其他方法。然而,大多数研究工作都假设滚动轴承故障数据集是无偏差的。在实际工业应用中,由于工作条件的变化和外部噪声的干扰,导致滚动轴承故障数据集存在偏差。对抗判别域自适应方法是一种解决数据集偏差问题的流行方法。然而,该方法主要实现领域对齐,而忽略了类级对齐,会导致分类性能的下降。本研究提出了一种基于改进的对抗判别域自适应的滚动轴承故障诊断模型,该模型实现了数据集偏差的域级和类级对齐。由两个特征提取器、一个域判别器和两个标签分类器组成。以对抗的方式训练特征提取器和域判别器,最小化特征提取器的域差异,通过最小化相关对齐损失来减少标签分类器中的域差异。在凯斯西储大学滚动轴承数据集和帕德博恩大学滚动轴承数据集上对所提模型进行了模型性能评估。实验结果表明所提模型性能优于其他方法,具有良好的工业应用前景。
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    基于Self-Attention-LSTM神经网络的设备剩余寿命预测方法
    曹现刚1, 2,雷卓1,李彦川1,张梦园1,段欣宇1
    2023 (5):  652-664.  doi: 10.1007/s12204-022-2506-6
    摘要 ( 51 )   PDF(1771KB) ( 18 )  
    针对机械设备剩余寿命预测中部件间相关性影响考虑不充分的问题,提出一种结合自注意力机制(Self-Attention)与长短期记忆神经网络(LSTM-NN)的剩余寿命预测方法,Self-Attention-LSTM。首先,利用自编码器获取部件级状态信息;其次,将各部件状态信息输入自注意力机制进行部件间关联度学习;然后,多部件关联性矩阵加入LSTM输入门中,运用长短期记忆神经网络进行寿命预测。最后,结合航空发动机系统仿真数据集(C-MAPSS)展开试验并与已有方法进行对比分析,研究结果表明提出方法能够达到较好的预测精度,验证了方法的可行性。
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    利用非氢化和氢化类金刚石碳表面涂层提升金刚石薄膜的摩擦学性能
    雷学林,严莹,张航,李子璇,何云
    2023 (5):  665-675.  doi: 10.1007/s12204-021-2399-9
    摘要 ( 51 )   PDF(2266KB) ( 31 )  
    高性能金刚石薄膜被广泛应用于拉拔和机械密封行业的工具表面涂层。本研究旨在通过在金刚石薄膜表面沉积不含氢和含氢类金刚石碳(DLC和DLC-H)来增强化学气相沉积金刚石薄膜在水润滑条件下的摩擦学性能。对于微米金刚石(MCD)与 纳米金刚石(NCD),本文评估了MCD/DLC、MCD/DLC-H、NCD/DLC和NCD/DLC-H双层复合薄膜的摩擦性能,包括最大和稳定摩擦系数(COF)、C—C键转化、磨损表面形态以及单位磨损率。结果表明在金刚石薄膜表面沉积DLC或DLC-H涂层可显著降低复合薄膜的初始最大COF峰值和配对球的磨损。同时,与NCD相比,MCD薄膜表面存在更严重的规则排列的sp2 C—C键转化;而相反,NCD/DLC双层薄膜显示出比MCD/DLC更严重的C—C键转化效应。进一步发现,作为顶层薄膜时, DLC-H由于其出色的自润滑性能,较DLC薄膜显示出更大的COF和配对球的磨损率降幅。在所有测试的薄膜中,NCD/DLC-H双层薄膜表现出最优化的摩擦学性能。
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    基础油运动粘度对磁流变润滑脂的影响
    王文超,张广,汪辉兴,叶绪丹,王炅
    2023 (5):  676-685.  doi: 10.1007/s12204-022-2438-1
    摘要 ( 45 )   PDF(1124KB) ( 25 )  
    为了获得低零场黏度且抗沉降性能优异的磁流变脂,制备了羰基铁粉质量分数为70%,基础油运动黏度分别为10 mm2/s、100 mm2/s、350 mm2/s和500 mm2/s的复合锂基磁流变脂(MR grease)。研究了基础油运动黏度对MR grease沉降稳定性的影响,并在稳态剪切和振荡剪切的模式下测试分析了MR grease的流变特性。结果表明,基础油的运动黏度对MR grease的沉降稳定性有明显影响,即基础油的运动黏度越大,所制备的MR grease的零场黏度越大,沉降稳定性越好。此外,MR grease的剪切应力随磁感应强度的增强而增大;当剪切速率小于10 s-1,MR grease的剪切应力随剪切速率的增加而迅速增大,进一步增大剪切速率时,剪切应力趋于一稳定值。由于MR grease中稠化剂纤维受到层流间剪切应力的作用,发生解纠缠使得MR grease表现出剪切稀化现象,其流变特性符合赫谢尔-巴尔克莱本构模型。制备过程中部分羰基铁粉会嵌入到稠化剂纤维中,在稳态剪切和振荡剪切状态下由于剪切稀化的作用显示出不同的磁饱和现象。
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    基于灰狼优化算法改进支持向量回归的充填体强度预测研究
    张博, 李克庆, 胡亚飞, 吉坤, 韩斌
    2023 (5):  686-694.  doi: 10.1007/s12204-022-2408-7
    摘要 ( 46 )   PDF(881KB) ( 17 )  
    为了高精度快速预测矿山充填体强度并为矿山数字化、智能化提供新技术支持,本文建立基于灰狼优化算法改进的支持向量回归(GWO-SVR)模型。首先,基于充填体单轴抗压强度实验数据,利用灰狼优化算法(GWO)对支持向量回归(SVR)中的惩罚系数c和核函数参数g进行高精度优化。然后以料浆浓度、水泥掺量、人工砂尾砂比和养护龄期为输入变量,以充填体单轴抗压强度为输出变量,建立了使用最佳两个最优参数best_c 和 best_g的预测模型。该GWO-SVR模型预测充填体强度的均方根误差为 0.143,可决系数为 0.983,说明该模型的预测效果准确可靠。与未经 GWO 优化的原始 SVR 模型和 PSO-SVR 模型相比,GWO-SVR 模型的性能得到了极大的提升。GWO-SVR 模型的建立为科学预测矿山充填体强度提供了新的工具。
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