仪器仪表学报

传感器技术

  • 基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究

    孙世政;廖超;李洁;蒙志强;向洋;

    针对目前多维力传感器难以同时兼顾电磁干扰、接线复杂、维间耦合较大及灵敏度较低的问题,设计了一种基于光纤布拉格光栅的二维力传感器。首先,基于光纤布拉格光栅传感理论和简支梁弯曲变形理论,设计了十字横梁结构的传感器弹性体,并揭示光纤光栅传感器波长漂移量与力的映射关系;其次,采用有限元分析方法研究弹性体的应变分布特性,确定光纤布拉格光栅最佳封装位置;最后,搭建了实验标定平台,对传感器的灵敏度、线性度、维间耦合误差以及重复性误差进行实验研究。实验结果表明,该传感器x、y方向的波长灵敏度分别约为7.464、7.520 pm/N,线性度分别约为3%、2%,维间耦合误差分别约为1.01%、0.218%,重复性误差分别约为4.898%、5.828%。该传感器可应用于机器人腕部二维力测量,对提高机器人关节的高精度控制反馈具有重要意义。

    2020年02期 v.41 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 3638K]
  • 基于结构解耦的新型电容式力矩传感器设计

    蒲明辉;冯向楠;罗国树;梁旭斌;潘海鸿;

    为解决力矩传感器中由于倾覆力矩、轴向力和径向力等所造成的力耦合效应和测量误差问题,基于结构解耦原理设计了一种新型电容式力矩传感器。该新型电容式力矩传感器利用内置十字交叉滚子轴承实现结构解耦,从而消除力耦合效应对测量准确性的影响。测量部分采用垂直极板电容效应原理,并以双差动的测量方式提高传感器的灵敏度和稳定性。以商用转矩转速传感器作为标准力矩仪对此新型电容式力矩传感器进行标定,并进行解耦验证实验。标定和实验结果表明,该新型电容式力矩传感器的线性度为1.04%、分辨率0.05 N·m、最大测量误差约为2.07%,所设计的传感器能够有效降低力耦合效应的影响,具备结构解耦、高灵敏度和高准确性等特点。

    2020年02期 v.41 10-17页 [查看摘要][在线阅读][下载 3771K]
  • 差分式自阻尼位移传感器传感特性研究

    曾涛;王大伟;谭久彬;张钟华;曹观标;

    "能量天平法"是一种基于机械电磁能量平衡的普朗克常数测量方法,该方法因存在一项由线圈特征矢量的非对准状态引起的"特征矢量对准能量误差",其普朗克常数测量不确定度难以降低至1×10~(-8)。为实现对准能量误差的精确补偿,针对能量天平线圈垂向运动过程中的残留水平位移的精确测量问题,提出一种基于电磁自阻尼直接垂向测量参考的差分线面式位移传感测量方法。为避免间接测量参考的调整过程引入系统误差进而导致测量精度降低,线面式位移传感器利用细丝电极作为直接垂向测量参考;设计差分式三电极电容结构用于抑制单端电容非线性特性;将另两个电极的表面形状设计为相互正对的外圆柱面,利用圆柱面在横截面内的几何形状各向同性抵消姿态倾斜对测量结果的影响,提高传感器对复杂测量条件的适应能力;采用电磁阻尼器稳定细丝电极,保证测量结果的准确性。实验结果表明,在正常工作量程范围内,差分式自阻尼位移传感器的合成扩展不确定度约为2.81μm。

    2020年02期 v.41 18-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 2126K]
  • 基于双电层电容的柔性触觉传感器机理研究

    赵海文;王曼菲;刘吉晓;王鹏;郭士杰;

    触觉信息是机器人感知工作环境的重要途径之一,也是人机协作中保证安全性和舒适性的关键因素。然而,相对于视觉、听觉、嗅觉传感器的发展,机器人触觉传感器的应用和产业化仍相对滞后。提出了一种基于双电层电容原理的机器人柔性触觉传感器,该压力传感器具有结构简单、灵敏度高、测量范围大、高柔性、高信噪比、制备和使用成本较低等优点。传感器由上下两层电极以及中间离子凝胶的纤维层组成,当外界压力作用在传感器上时,离子纤维层压缩,电极与离子纤维层接触面积增大,导致传感器电容变大。实验数据表明,压力和电容有着良好的线性关系,且传感器灵敏度高,可达到3.97 nF/kPa,压力测量范围广,可达到500 kPa,最大迟滞性误差为5.97%,且动态响应可以较好跟随外部压力刺激。此柔性触觉传感器可广泛应用于机器人传感、人机交互、可穿戴设备等场合,具有广泛的学术研究意义和产业推广价值。

    2020年02期 v.41 25-32页 [查看摘要][在线阅读][下载 3063K]
  • 基于IMU的机器人姿态自适应EKF测量算法研究

    班朝;任国营;王斌锐;陈相君;

    为了实现机器人运动学参数标定,提出一种用惯性测量单元(IMU)实时获取其末端姿态信息的方法。然而,IMU在进行机器人动态姿态测量时,存在加速度计信号中有害加速度(除重力加速度之外的其他加速度)叠加,噪声统计特性参数不易获取,陀螺仪信号随时间发生漂移等影响测量精度的问题。针对这些问题,设计了一种自适应拓展卡尔曼滤波(EKF)姿态测量改进算法。基于EKF模型,首先构建第一级量测噪声方差阵,设定权重因子,降低有害加速度对测量结果的影响;其次在Sage-Husa自适应滤波算法中引入了渐消记忆因子的思想,实时跟踪采样数据的量测噪声,构建第二级量测噪声方差阵;最后采用姿态更新的四元数算法进行数据融合,修正陀螺仪信号漂移产生的误差。实验结果表明,相比Sage-Husa自适应滤波算法,该算法峰高时俯仰角和横滚角的平均绝对误差分别降低了50%和36.43%,峰谷时俯仰角和横滚角的平均绝对误差分别降低了14.28%和19.44%,能有效提高姿态测量精度。

    2020年02期 v.41 33-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 1512K]
  • 基于光纤布拉格光栅的柔性触滑觉复合传感研究

    孙世政;龙雨恒;李洁;蒙志强;廖超;

    针对仿生皮肤柔性触滑觉复合传感问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的双层分布式传感单元。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感机理,推导了基于参考光栅的温度补偿原理;然后,利用聚合物弹性材料对光纤布拉格光栅传感阵列进行保护性和增敏性封装,设计了双层"十字型"的分布式传感阵列单元,并对传感阵列单元压力灵敏度进行了仿真分析研究;最后,搭建实验系统平台,对柔性复合传感器进行了温度、触觉和滑觉传感实验。仿真和实验结果表明,该柔性触滑觉传感器具有良好的线性度和响应速度,温度灵敏度为13 pm/℃,是裸光纤布拉格光栅的1.31倍;正向压力灵敏度为7.289 nm/MPa,x正向和x负向剪切力灵敏度分别为0.060 2和0.063 6 nm/N;由滑觉传感特征信号可以获取物体的滑移信息。该传感器有望表贴或埋置于仿生手内部,对实现仿生手触滑觉信息感知具有一定的应用价值。

    2020年02期 v.41 40-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 2599K]
  • 传动轴扭矩无电池实时测量方法

    谢锐;马铁华;张红艳;

    传动轴状态监测是动力机械设备健康管理的重要内容,转速、扭矩的实时获取是其首要环节与数据基础。针对状态监测中存在的传感器安装、信号传输、实时性、持续性等问题,提出一种基于圆容栅的无电池、无引线实时测量方法。阐述了圆容栅的结构及工作原理,分析了电容耦合的信号传输原理,给出了圆容栅的差动组合配置模式和安装方法,通过仿真确定了圆容栅电极的最佳数量为20。最后在涡轮泵水力实验台上,对传动轴的转速、扭矩进行了测量,得到了300、600 r/min时的转速波形,以及300 r/min时对应3个不同扭矩值的波形,并选取了实验过程中的5个不同时间点,对圆容栅和应变式扭矩传感器在每个时间点采集的转速、扭矩数据进行了对比,数据一致性较好。实验结果表明,圆容栅可以用作传动轴扭矩的测量。

    2020年02期 v.41 47-54页 [查看摘要][在线阅读][下载 2250K]

精密测量与仪器

  • 机车车轮踏面轮廓镟修在机测量与评价

    刘飞;梁霖;王建民;赵斌;徐光华;

    轨道机车车轮轮廓非圆化是影响机车高速安全运行的重要因素。针对机车车轮踏面形貌的在线镟修及测量,结合新型国产不落轮对镟修机床研发,研究机车车轮踏面轮廓在机测量与评价方法,并开发基于机床数控系统的嵌入式车轮踏面轮廓在机测量系统。就车轮踏面在机测量方法、数据处理方法、车轮中心定位以及评价分析方法等进行重点探讨。研究车轮踏面轮廓动态提取与分离方法,以提升测量装置的在线测量精度。通过阶次细化分析方法增强低数阶物理分辨率及评价准确性,以达到提高非圆化评价精度的目的。最终通过实验验证了在机测量系统重复测量精度达到微米级,研究可有效改善机车车轮轮廓的在机测量与评价,同时可进一步提升不落轮对镟修机床的加工性能。

    2020年02期 v.41 55-62页 [查看摘要][在线阅读][下载 1991K]
  • 径向偏振光瞳滤波共焦拉曼光谱显微系统研制

    李书成;邱丽荣;王允;赵维谦;

    针对共焦拉曼系统空间分辨力提升的迫切需求,研制了一套径向偏振光瞳滤波共焦拉曼光谱显微系统(RPCRS)。该系统利用径向偏振光发生器(S波片)将激光器发出的线偏振光转换为径向偏振光;然后,利用光瞳滤波器对径向偏振光进行调制,从而压缩拉曼激发光斑;最后,利用共焦针孔消除焦点外位置的拉曼散射光,进一步提升共焦拉曼显微系统的空间分辨力。该系统具有较高的空间分辨力和横向灵敏度。以周期性刻线和标准台阶作为测试样品进行实验,实验结果表明,RPCRS的空间分辨力可以达到240 nm,横向灵敏度相比普通拉曼共焦系统提升了46.5%,测量标准不确定度为18.87 nm。该系统可用于高空间分辨共焦拉曼成像。

    2020年02期 v.41 63-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 1805K]
  • 非共振轻敲模式原子力显微镜的研究

    闫孝姮;孔繁会;邵永健;李鹏;

    原子力显微镜(AFM)是在微纳尺度观测以及操纵样品的重要工具。与传统的接触模式和轻敲模式AFM相比,非共振轻敲模式AFM因为其控制力精度高并可同步获取多种机械特性等优势得到了广泛的应用。采用基于背景相减和同步算法相结合的方法搭建了一套自制的非共振轻敲模式AFM,并对位置检测电路建立了通用噪声仿真模型,优化了位置检测电路噪声,从而优化了最小可控力的精度,使其最小可控力小于50 pN。接着通过对标准硅材料栅格进行形貌表征验证了系统的成像性能,以及对复合材料的形貌、粘附力、形变等多种力学性质表征,验证了系统及成像方法的有效性。

    2020年02期 v.41 70-77页 [查看摘要][在线阅读][下载 1617K]
  • 用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统

    付翔宇;王道档;吴振东;孔明;许新科;

    针对不同口径光学元件加工阶段的在线测量需求,提出了用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统。系统引入偏振相机来实现波前瞬态移相干涉测量以降低外界扰动影响。同时结合基于位形优化算法的子孔径拼接技术,可降低对运动扫描平台精度要求,并实现大口径光学元件全口径检测。为验证所提出测量系统的可行性,分别对金刚石车削机床对中工具和大口径球面镜进行在线检测和子孔径拼接测量,结果表明,与ZYGO干涉仪检测结果相比,两者对应的均方根值偏差的绝对值分别为0.003与0.007μm。同时该系统具有布局结构紧凑和对外界环境扰动不敏感的特点,可很好地满足复杂环境在线安装检测应用要求,在金刚石车削机床对中工具的在线调整和不同口径光学元件在线检测中具有较广泛的应用。

    2020年02期 v.41 78-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 1870K]
  • 基于PJVS的交流量子电压比例研究

    周天地;贾正森;杨雁;石照民;徐熙彤;

    可编程约瑟夫森量子电压基准(PJVS)在电学计量中的应用,完成了电压单位伏特由实物基准到自然基准的过渡,具有高准确性、高稳定性的特点。基于双路量子电压信号,可构建具有量子精度的交流比例,实现任意交流比例高精度的量子复现,从而替代传统交流比例技术。通过驱动SNS型双路约瑟夫森结阵,能够同时合成两路幅值精确且相位可调的量子电压。采用双通道差分采样技术减小了台阶间过渡过程对量子电压幅值恢复的影响,结合通道换臂技术实现量子电压比例的高精度测量,交流量子电压比例测量标准不确定度为0.09μV/V,交流量子电压比例输出精度优于0.05μV/V。通过与传统感应分压器(IVD)比较测量,验证了交流量子电压比例的准确性。最后讨论了交流量子电压比例技术在功率计量以及交流阻抗电桥两个电磁计量领域中的应用。

    2020年02期 v.41 85-92页 [查看摘要][在线阅读][下载 1362K]
  • 用于瞬态三维测量的点衍射干涉系统

    王朝;王道档;朱其幸;许新科;孔明;

    针对基于PZT移相的点衍射干涉三维测量系统中存在采样时间间隔过长和易受外界扰动影响等问题,提出了用于瞬态三维测量的点衍射干涉系统。通过对点衍射干涉三维测量系统光束偏振态调制并引入偏振相机,实现了三维空间坐标的瞬态移相干涉测量。针对偏振相机存在的视场误差及其对三维测量精度的影响,研究了基于相位插值的视场误差校正方法。为了验证系统方案的可行性,分别进行了数值仿真与三维在线测量比对实验。实验结果表明,利用本系统可实现亚微米量级的三维空间瞬态测量,且测量重复性小于5%。所提出的瞬态点衍射干涉系统具有对外界扰动不敏感、重复性测量精度高和快速测量等特点,为无导轨三维位移和尺寸等瞬态测量提供了一种可行的方法。

    2020年02期 v.41 93-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 1847K]

检测技术

  • 核磁共振技术在岩石物理与孔隙结构表征中的应用

    王琨;周航宇;赖杰;王坤杰;刘音;

    随着石油与天然气工业的勘探开发重点从常规储层转向非常规储层,全面认识非常规储层岩石物性和微观结构对实施高效的建产、增产、稳产措施具有重要的意义。面对油气储集空间多样化、流体在岩石多孔介质中渗流作用机理复杂化等问题,传统岩石物性测试和岩石静态微观结构描述已经不能满足油气渗流、储层增产的研究需要。核磁共振技术(NMR)具备无损、无害的特点,通过共振信号直接反映岩石孔隙流体分布和间接反映岩石孔隙结构变化,在岩石物理测试、孔隙结构表征和孔隙流体识别等方面具有突出优势。从方法基本原理出发,着重介绍了核磁共振技术在岩石物理学和孔隙结构表征领域的应用进展、归纳了应用中现存问题并展望了该项技术未来发展方向。

    2020年02期 v.41 101-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 1486K]
  • 板式换热器波纹板深度在线检测方法研究

    李飞;张平;苑玮琦;

    目前板式换热器波纹板深度的检测方式主要是人工检测,该检测方式的检测结果难以保障,相对于传统的接触式探针测量,研究设计了一套基于激光位移传感器的非接触式测量方式,根据不同的波纹板结构,设计出最佳的采集路径,采用自适应迭代中值滤波算法对采集数据进行降噪处理,降噪后的数据转换为可视化图像区域以及灰度图像,可直观高效地提取检测区域,用最小二乘法拟合波纹板垫片槽区域,利用统计学中的矩计算波纹深度参数,判断波纹板质量。软件上采用多线程设计,解决了采集数据与处理数据相互干扰的问题,提高了检测速度。经过大量现场测试表明,单点算法检测平均时间为40.932 6 s,宽波纹板片检测值与设计值比较,检测准确率达到99.3%,窄波纹板片检测准确率达到94.5%,该设计为板式换热器波纹板深度检测提供了一种自动方式,在检测速度和检测结果上优于人工检测,能够快速有效地检测出波纹板深度值,具有一定的实用价值。

    2020年02期 v.41 115-125页 [查看摘要][在线阅读][下载 4969K]
  • 基于EWT-LOF的热工过程数据异常值检测方法

    董泽;贾昊;

    异常数据检测是热工过程数据处理的重要组成部分,也是进行系统建模、优化、控制的基础。针对热工过程频繁变工况导致异常数据检测困难的情况,提出一种将信号分解方法与基于密度的检测方法相结合的热工过程异常值检测方法。首先利用经验小波变换方法提取热工过程时间序列的运行趋势,去除序列运行趋势后采用局部离群因子方法对各数据点求取其局部异常值,最后使用箱型图的方法确定序列异常点。通过使用某电厂1 000 MW机组的负荷数据作为实验数据,分别设置0.5%、1%、2%、5%、10%5种误差验证方法的有效性。实验结果表明,所提异常检测方法除对动态过程和稳态过程均具有适用性外,在以上5种误差条件下均取得了较高的检测准确率。

    2020年02期 v.41 126-134页 [查看摘要][在线阅读][下载 1695K]
  • 频域相位相干合成孔径聚焦超声成像研究

    冒秋琴;陈尧;石文泽;卢超;李秋锋;

    为提高合成孔径聚焦技术(SAFT)的成像质量和成像效率,提出一种基于相位环形统计矢量(PCSV)的频域SAFT超声成像算法。首先,通过希尔伯特变换和欧拉公式提取波场记录中信号的瞬时相位。然后,将瞬时相位的实部和虚部视作圆形复平面上分布的PCSV,并通过波场外推构建用于频域SAFT加权的相位相干因子。最后,通过加权处理获得高质量频域SAFT-PCSV图像。成像结果表明,频域SAFT-PCSV成像算法有效增强了图像分辨率和信噪比。在相同测试条件下,频域SAFT-PCSV成像算法的运算时间小于传统时域SAFT算法的1/46,所占内存空间低于时域SAFT算法的1/47。

    2020年02期 v.41 135-145页 [查看摘要][在线阅读][下载 2987K]

视觉检测与图像测量

  • 圆柱型覆膜锂电池圆周面凹坑检测方法研究

    苑玮琦;郭绍陶;

    圆周面凹坑是圆柱型覆膜锂电池缺陷检测的重要指标之一。圆周面凹坑检测存在如下两个干扰因素,图像沿着周向和轴向亮度不均匀和圆周面存在油污。针对上述干扰,提出了一种基于机器视觉的解决方案。首先,沿着圆周面轴向提取灰度分布曲线;然后,采用自定义的对光照分布和油污不敏感的灰度差分模型计算灰度分布曲线上的突变,并根据圆周面反光特点选择了突变点的提取阈值,从而实现凹坑的检测。在自建图库SUT-BY上进行了测试,结果显示所提方法对凹坑检测的拒真率和认假率均为0%。实际测试结果表明亮度不均匀没有对凹坑提取产生影响,也没有因油污而产生误检。

    2020年02期 v.41 146-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 2036K]
  • 基于改进型卷积网络的汽车高度调节器缺陷检测方法

    鲍光海;林善银;徐林森;

    针对汽车高度调节器生产中人工缺陷检测耗时耗力和传统诊断方法适用性差的问题,运用深度学习提出了一种基于改进型卷积网络的智能检测方法。该方法利用卷积网络提取特征,并且在网络中加入残差网络结构和可分离卷积,在深层网络提高精度的同时减少了参数计算量。改进的结构主要运用卷积层、池化层、批标准化层、softmax层,并引入残差网络结构和可分离卷积。实验结果表明,基于改进型卷积网络的汽车高度调节器缺陷检测方法有着良好的识别精度,在汽车高度调节器多类缺陷的检测实验中,准确率均在99%以上,优于经典卷积网络VGG16。

    2020年02期 v.41 157-165页 [查看摘要][在线阅读][下载 1866K]
  • 基于视觉EPnP加权迭代算法的三维位移实时测量

    汪佳宝;张世荣;周清雅;

    单目视觉三维位移测量的关键在于获取相机位姿参数,该问题可通过n点透视(PnP)算法求解。为提高PnP算法精度,提出一种改进的EPnP加权迭代算法(WIEPnP)。WIEPnP通过对标志点设置权重系数,再进行迭代计算,从而降低标志点深度和图像噪声对算法性能的影响。用MATLAB仿真实验对比研究了6种PnP改进算法,结果表明,WIEPnP算法能有效降低标志点深度的影响并有效降低图像高斯噪声对算法结果的影响,且算法精度和耗时均满足现场应用需求。WIEPnP的有效性同样在样机实验中得到了验证:样机在x、y方向的测量误差均小于1 mm;在z方向,WIEPnP算法有效降低了深度变化的影响,使z方向的绝对误差也不大于3 mm。可见提出的WIEPnP算法在实时性和误差性能方面都具有较好性能,能够满足大多数三维位移实时测量要求。

    2020年02期 v.41 166-175页 [查看摘要][在线阅读][下载 2576K]
  • 水下透视投影图像非线性畸变校正方法

    姚钦舟;庄苏锋;屠大维;张旭;谢亮亮;

    针对水下成像多界面折射引起的图像非线性畸变,提出一种水下透视投影图像校正方法,将相机透过多界面拍摄的水下图像转化为空气中相机拍摄目标的透视投影图像。首先,在多层平面折射模型下,以四维光场参数化的形式对水下相机成像过程建模,通过光场的方向信息计算出水中像点与校正像点间坐标的映射关系。然后,利用两者映射关系将水下相机获取的图像转化为空气中透视投影图像。经仿真优化,物距在2~4 m的透视投影图像平均误差在1 pixel以内。实验结果也验证了该方法的可靠性与准确性,当物距在2 m时,校正后的透视投影图像平均误差为0.56 pixel,行匹配平均误差为0.4 pixel。

    2020年02期 v.41 176-183页 [查看摘要][在线阅读][下载 3045K]
  • 基于水平集方法的划痕形状表面视觉测量

    刘明;杨胜寒;高诚辉;

    设计了一种基于水平集与各项异性扩散的划痕形状尺寸自动测量方法,对光学显微镜下的划痕测试图像进行了分割与尺寸测量。在轮廓分割上利用基于距离正则化的水平集方法(DRLSE)来分割划痕轮廓,使用各项异性扩散代替高斯滤波作为边缘指示函数的去噪方法。通过人工设置初始水平集,演化得到完整的划痕轮廓,再经过亚像素调整得到轮廓坐标。在划痕形貌尺寸测量上,根据划痕轮廓坐标测量划痕宽度分布与划痕长度,并计算出划痕平均宽度与划痕面积。根据实验讨论了演化参数对测量值的影响,在最佳演化参数下,划痕平均宽度与划痕面积的相对测量误差小于0.06%和0.1%。对不同划痕图像进行测量,并与人工分割及传统DRLSE模型相比较。实验结果表明,在轮廓分割上,该方法相比传统DRLSE模型具有更好的分割效果。在划痕平均宽度与划痕面积的测量上,该方法也具有更高的精度与准确度。

    2020年02期 v.41 184-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 5206K]
  • 一种基于机器视觉的飞机钣金件跨粒度识别方法

    吕政阳;邓涛;张丽艳;

    飞机钣金件成形后需要进行喷漆处理,大量不同种类钣金件共同批量喷漆后的分类识别一直以来依靠人工完成,是一项繁琐而困难的工作。提出了一种基于图像的飞机钣金件跨粒度识别方法来应对这个难题,设计了一套专门的图像采集平台,可以对钣金件正面及侧面两个角度进行拍摄,样本图像以及由形状因子和不变矩构成的10维特征向量数据一起保存至样本数据库中,以备识别时使用。根据钣金件种类繁多、高相似度钣金件成组存在的特点,设计了粗粒度的识别方法。通过遍历比较钣金件的10维特征向量,从数据库中找出与被识别钣金件具有最高相似度的两个候选钣金件,然后进一步通过人机结合的细粒度识别方法实现对钣金件的最终识别。在针对20种不同类型飞机钣金件的实验中,该方法达到了96.0%的识别精度,且整个识别过程简便高效。

    2020年02期 v.41 195-204页 [查看摘要][在线阅读][下载 1329K]
  • 无先验知识的仪表自动检测与判读算法

    董海;徐晓鹏;谢英红;韩晓微;高源;

    针对其他算法对先验知识的需求造成的不便,提出无需先验知识的表盘区域检测与仪表判读算法。对于表盘区域检测算法,通过结合椭圆检测方法和非极大值抑制,检测备选仪表区域,通过设计预处理和梯度值与水平线角度的计算方法,在种子点选取时加入向心约束,检测向心线段并筛选仪表区域。针对仪表判读算法,通过设计分扇区选点算法拟合刻度线所在椭圆,识别刻度线,设置线段融合条件识别指针,利用最大极值稳定区域算法提取感兴趣区域(ROI),连接相邻ROI合成刻度值信息,随即关联刻度值与其近邻主刻度线的角度并进行拟合,完成仪表判读。实验表明,算法运行总时间为0.63 s,误差在一个刻度内的概率为80%,在两个刻度内的概率为96.7%,满足实际需求。

    2020年02期 v.41 205-217页 [查看摘要][在线阅读][下载 7256K]
  • 一种新能源动力电池顶盖平面度检测方法研究

    汪威;张开颜;刘亚川;黄玉春;

    为实现车用电池顶盖等有平面特征的工件局部平面度在线检测,提出一种基于点云的局部平面度检测方法。首先用激光传感器获取目标点云,经聚类算法提取工件主平面法向量,根据法向量提供的倾角信息,对点云进行旋转,使点云倾角得到校正。然后,将旋转后的点云转换为灰度图,将其与标准灰度图进行模板匹配,获取待测件与标准件间的平移量和偏转角,完成点云校准。从已校准点云的指定区域截取点集,用最小二乘法进行平面度估计。该方法分别与迭代最近点法(ICP)以及三坐标测量机进行了电池顶盖平面度测量的对比实验。三者测量结果总体一致,但该法在耗时上至少减少62%。作为一种结构简单、高效可靠的技术手段,该方法在精密制造领域具有广泛的应用前景和参考价值。

    2020年02期 v.41 218-225页 [查看摘要][在线阅读][下载 1996K]

信息处理技术

  • 分段线性非对称系统在故障检测中的研究

    贺利芳;江川;张刚;张天骐;

    随机共振具有能够提取轴承故障特征频率和将噪声能量转为信号能量的优点。针对对称分段线性模型性能不够理想的问题,提出了一种非对称分段线性随机共振系统模型,并采用遗传算法对模型参数进行优化选取。在假定模型具有两个稳态的情况下,对该模型进行了解析关系分析与输出信噪比(SNR)的公式推导。同时在模型的公式分析与数值仿真两方面与对称双稳态分段线性随机共振系统进行对比分析,证明该系统的优越性。而后将该模型应用于轴承故障检测当中,采用自适应遗传算法对系统各参数进行协同寻优,对称系统内外圈故障信号检测中故障频率处的幅度值分别为50.79与13.03,非对称系统为391.8与189.3。结果显示该模型具有优良的检测效果,证明该模型在故障检测当中具有巨大潜力。

    2020年02期 v.41 226-234页 [查看摘要][在线阅读][下载 3298K]
  • 随钻弱SNR信号的Duffing振子混沌检测与恢复

    杨一;程为彬;汪跃龙;陈佳;

    钻井过程中,底部钻具的强烈振动和快速旋转导致姿态测量信号中含有多频、高幅值的干扰信号,原始信号微弱及信噪比极低问题一直是随钻测量领域的技术难点。针对这一问题,提出一套适用于随钻测量信号的Duffing振子混沌检测方法。首先,利用尺度变换实现测量信号的频率重构,使其满足混沌检测对频率的限制条件;然后,引入不同周期策动力解决信号初相位对检测精度的影响,得到全相位覆盖的Duffing混沌振子检测模型;最后,通过调整驱动信号的幅值确定相态变化的临界值,进而对测量信号的幅值和相位参数进行同步估计。实验结果表明:经混沌检测的井斜角均方根误差为0.69°,实钻相对误差在[10.7%,20.8%],均高于原始测量数据和标准卡尔曼滤波的解算结果,证明了所提方法的可行性和有效性。

    2020年02期 v.41 235-244页 [查看摘要][在线阅读][下载 3314K]
  • 基于整周期数据和卷积神经网络的谐波减速器健康状态评估

    陈仁祥;张勇;杨黎霞;陈才;徐向阳;

    针对工业机器人谐波减速器循环往复运动、工作节拍不一和转速瞬变而导致其运行状态难以刻画和健康状态不易评估的问题,提出了基于整周期数据和卷积神经网络的谐波减速器健康状态评估方法。首先,运用相位差频谱校正—互相关法对振动信号分割构造整周期数据样本以准确刻画谐波减速器的运行状态信息;其次,应用连续小波变换对整周期数据进行分解以充分展现谐波减速器运转周期内的瞬变特征;最后,利用卷积神经网络在时间和空间上对输入信号的平移、缩放具有高度不变性的特点,充分学习谐波减速器运转周期内的瞬变特征,从而实现对谐波减速器健康状态评估。实验结果显示,所提方法识别准确率达到了90%以上,证明了该方法能够有效评估谐波减速器健康状态,并具有较好的泛化能力和稳健性。

    2020年02期 v.41 245-252页 [查看摘要][在线阅读][下载 2071K]
  • 一种快速的数学形态学滤波方法及其在脉搏信号处理中的应用

    丑永新;张爱华;顾亚;刘继承;冯玉峰;

    针对数学形态学滤波法处理一维信号运算量大的问题,提出一种快速的数学形态学滤波方法。首先,对腐蚀操作进行改进,使其能够用于信号实时处理;然后,将微处理器系统缓存区的数据更新过程与形态学滤波原理相结合,采用滑窗迭代的方式进行运算,减少运算量;进一步,改进平滑滤波,提高滤波结果优化速度。采用实测脉搏信号作为实验数据,结果表明,相比于现有方法,改进后方法保持精度不变,并有效地降低了运算时间(提速70倍以上),基于扁平型和线型结构元素的形态学滤波法具有更快的滤波速度(提速110倍以上),随着结构元素和缓存区长度的增加,所提出方法仍能快速地进行信号处理(对于240 s的数据,耗时小于4.5 s),并能用于脉搏信号实时滤波、分割和特征提取(耗时小于45 s)。因此,所提出方法有望用于手环、手表等实时性要求较高的智能可穿戴设备。

    2020年02期 v.41 253-262页 [查看摘要][在线阅读][下载 2263K]
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