空分复用光纤及器件的测试技术研究进展综述

1

作者 王慧慧 唐苗苗 +2 位作者 刘亚平 杨志群 张林 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期2-20,共19页

随着5G时代的到来,现有单模光纤通信网络的容量正逼近其香农极限,难以满足呈指数级增长的网络带宽需求。为突破现有技术瓶颈,基于空间维度拓展的空分复用技术应运而生。该技术通过利用多模光纤、少模光纤、多芯光纤甚至多芯少模光纤中... 随着5G时代的到来,现有单模光纤通信网络的容量正逼近其香农极限,难以满足呈指数级增长的网络带宽需求。为突破现有技术瓶颈,基于空间维度拓展的空分复用技术应运而生。该技术通过利用多模光纤、少模光纤、多芯光纤甚至多芯少模光纤中的多个空间信道使单根光纤的传输容量实现数量级提升,同时凭借高空间利用率来有效降低光纤通信系统的尺寸和成本。除了在光纤通信领域作为扩容的新突破口,空分复用技术还为光纤传感领域提供了光纤多维感知的思路,同时在成像领域助力分辨率的提升和增强成像系统的柔性。然而,受工艺缺陷的影响,空分复用光纤和器件中各信道之间容易相互干扰并产生信道差异,导致模式串扰、芯间串扰及模式相关损耗等问题,使空分复用系统的性能提升面临严峻挑战。为确保空分复用光纤及器件的性能达到预期标准,研发高精度表征测试系统尤为重要。本研究系统地介绍了空分复用光纤及其核心器件的关键参数,重点评述了当前主流测试技术,包括多通道光时域反射技术、空间频谱解析技术、固定分析仪技术、相干光频域反射技术、波长扫描干涉技术以及离轴数字全息技术。不同的测试技术在可测对象、参数范围及应用场景上各有侧重。本研究首次系统地总结各项测试技术的优缺点和适用范围,为空分复用待测物的测试方案选择提供依据,并对空分复用测试技术未来的发展提出了展望。 展开更多

关键词 多芯光纤 少模光纤 多模光纤 空分复用 测试技术 光通信 传感 成像

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极端环境声学检测理论与技术研究进展

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作者 刘洋 营笑 +4 位作者 汪照 闫一天 刘益维 曾周末 邓明晰 《振动.测试与诊断》 北大核心 2025年第4期631-641,838,共12页

极端环境下工程结构的服役安全性与寿命保障问题日益凸显,无损检测与结构健康监测技术在航空航天、深海装置、能源储运系统等关键工程领域发挥着重要作用。超声导波监检测作为结构健康监测技术中的重要手段,因其远距离传播能力强、模态... 极端环境下工程结构的服役安全性与寿命保障问题日益凸显,无损检测与结构健康监测技术在航空航天、深海装置、能源储运系统等关键工程领域发挥着重要作用。超声导波监检测作为结构健康监测技术中的重要手段,因其远距离传播能力强、模态丰富及对损伤敏感性高的特性,已广泛用于结构状态评估。然而,在高温、高压、深冷等极端工况下,导波信号易受到频散特性、模态转换与传感器失效等因素影响,显著制约着超声导波监检测的工程应用。笔者从声学传播理论、极端环境声学传感器与信号处理技术3方面对极端环境下超声导波监检测技术的研究现状进行系统梳理,并总结极端环境结构声学监检测技术在模型泛化能力、环境适配性与系统鲁棒性等方面的挑战。 展开更多

关键词 结构健康监测 极端环境 超声导波 多物理场耦合

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涡轮带冠叶片多通道叶尖间隙测试技术研究

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作者 易亮 薛志飞 +2 位作者 牛广越 李发富 段发阶 《电子测量技术》 北大核心 2024年第20期1-6,共6页

带冠叶片因具有增加叶片刚度、减小二次损失等作用而被广泛应用于航空发动机等重大旋转装备,其叶尖间隙参数的多通道高精度在线监测是确保发动机运转时安全和效率的重要一环。为了实现这一目的,同时抑制带冠叶片轴向位移对间隙测量的不... 带冠叶片因具有增加叶片刚度、减小二次损失等作用而被广泛应用于航空发动机等重大旋转装备,其叶尖间隙参数的多通道高精度在线监测是确保发动机运转时安全和效率的重要一环。为了实现这一目的,同时抑制带冠叶片轴向位移对间隙测量的不利影响,设计了一种一字型芯极电容传感器,并在改装篦齿的基础上以平行平板电容原理建立了叶尖间隙测量模型。搭建了利用一字型芯极传感器的12通道间隙测量系统,并在模拟篦齿盘上开展了3 mm测量范围内的标定和±1 mm轴向位移下的精度测试实验,结果显示开发的间隙测量系统测量精度优于45.4μm。最后完成了真实发动机带冠叶片三级共12测点的叶尖间隙同步测量台架试验,结果表明提出的12通道间隙测量系统具备高可靠性和重复性,满足带冠叶片叶尖间隙测量需要。 展开更多

关键词 涡轮带冠叶片 叶尖间隙 多通道 台架试验

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基于导波的套管井完整性评价技术研究

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作者 张斯琪 杨涵 +3 位作者 曾周末 陈世利 苏远大 刘洋 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期139-149,共11页

套管井固井质量检测作为保障油气井全生产周期安全、提升油气资源开发效益以及支持碳捕获与封存战略的关键技术,其研究紧密契合国家重大战略需求,是当前油气工程领域待解决的挑战性课题。声波测井技术因其对介质声阻抗特性、水泥环空损... 套管井固井质量检测作为保障油气井全生产周期安全、提升油气资源开发效益以及支持碳捕获与封存战略的关键技术,其研究紧密契合国家重大战略需求,是当前油气工程领域待解决的挑战性课题。声波测井技术因其对介质声阻抗特性、水泥环空损伤及胶结界面状态具有较高的敏感性而得到广泛应用。然而,传统声波测井技术的探测灵敏度主要集中于套管-水泥界面,且经典弹性波理论仅能描述理想条件下的波动现象,对界面弱胶结状态的模拟存在局限性。针对上述问题,以单层套管井为对象,将不同界面弱胶结特征表征为滑移边界条件,构建滑移界面理论的声波测井模型,基于阵列声波测井仪器探究了多模态导波在不同界面胶结状态下的传播特性,提出利用导波频散特征对水泥环损伤进行表征的新方法。开展不同界面胶结状态的单层套管井模型实验,数据结果有效验证了利用频散特征评价固井质量的可能性。研究结果表明,根据不同导波频散特性可以反演和评价套管井固井损伤和力学性能,对了解复杂水泥缺陷条件下的导波传播特性具有参考意义,为综合利用套管内多模态波传播特性进行固井质量评价和水泥封隔效果评价提供了理论依据。 展开更多

关键词 声波测井 固井质量评价 套管井 滑移界面 频散曲线

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套管井固井质量声学检测技术现状与展望 被引量：4

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作者 张斯琪 曾周末 +4 位作者 李健 陈世利 何晓 王秀明 刘洋 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2-28,共27页

套管井的固井质量检测在保护油气层和环境保护等方面具有重要的意义。在固井质量评价方法中,声波测井技术作为现代测井方法之一,因其对介质声阻抗大小、水泥环内部缺失及层间粘接状况敏感等优点被广泛应用。井孔声场理论是声波测井技术... 套管井的固井质量检测在保护油气层和环境保护等方面具有重要的意义。在固井质量评价方法中,声波测井技术作为现代测井方法之一,因其对介质声阻抗大小、水泥环内部缺失及层间粘接状况敏感等优点被广泛应用。井孔声场理论是声波测井技术的基础,本文阐述了单层以及多层套管井的声场理论研究现状;介绍了几种国内外传统的声波测井技术,概括了不同技术的原理及特点。同时介绍了人工智能方法在固井质量检测中的应用,强调了多种机器学习方法在处理测井资料提供更大的函数空间,以及帮助测井专业人员以非线性方式从高维空间发掘知识等方面的优势。从5个方面展望了声波测井技术未来可能的发展趋势,为固井质量检测提供进一步的发展建议。 展开更多

关键词 固井质量检测 声波测井技术 声场理论 人工智能 地球物理测井 综述

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调频连续波激光多路并行相干精密长度测量方法 被引量：2

6

作者 胡申博 刘俊辰 +3 位作者 余苏 杨承昱 曲兴华 张福民 《光电工程》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期106-114,共9页

面向航空航天等大型复杂机电系统,长度测量的需求从单独的一维位移测量发展到多目标、灵活便于拓展的多路并行测量。调频连续波激光雷达长度测量技术具备抗干扰、精度高、无合作等优势。本文基于调频连续波激光雷达技术开展多路并行相... 面向航空航天等大型复杂机电系统,长度测量的需求从单独的一维位移测量发展到多目标、灵活便于拓展的多路并行测量。调频连续波激光雷达长度测量技术具备抗干扰、精度高、无合作等优势。本文基于调频连续波激光雷达技术开展多路并行相干精密长度测量方法研究,针对传统长度测量系统存在光纤色散、辅助路光纤漂移导致长度测量精度降低问题,提出一种含有氰化氢气体吸收池的三光路马赫-曾德尔干涉测量系统,在此基础上,基于光开关结构实现精密长度多路并行测量。通过精密导轨长度测量实验结果表明,提出的方法在3.6 m长度范围内标准差不超过25μm,实现了四路并行长度测量。与商用激光干涉仪测量结果比较,多路测量结果的绝对误差不超过30μm。 展开更多

关键词 调频连续波 HCN气体吸收池 光开关 长度测量

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基于铋修饰可用于同时检测铅(Ⅱ)和镉(Ⅱ)的丝网印刷传感器

7

作者 郑浩 栗大超 蒲治华 《传感技术学报》 北大核心 2025年第7期1168-1173,共6页

针对工厂非法排污、油罐车泄露等场景,重金属含量往往会严重超标且需要进行现场检测。基于此,提出了一种基于同位镀铋法,通过丝网印刷工艺制备的可用于同时检测铅离子和镉离子的传感器。配合加工的机械结构,初步进行了整机测试,验证了... 针对工厂非法排污、油罐车泄露等场景,重金属含量往往会严重超标且需要进行现场检测。基于此,提出了一种基于同位镀铋法,通过丝网印刷工艺制备的可用于同时检测铅离子和镉离子的传感器。配合加工的机械结构,初步进行了整机测试,验证了该方案的可行性。通过丝网印刷加工的传感器有着良好的电化学特性,经过铋修饰后,铅离子检测灵敏度提高了1.61倍,镉离子检测灵敏度提高了3.68倍。通过所提方案可将重金属离子检测仪的体积缩小到可携带的范围,有效地解决了实验室仪器体积庞大、不便携以及无法在线监测的缺点。为快速、便捷地检测重金属提供了一个新的思路,在环保领域具有很广阔的应用前景。 展开更多

关键词 重金属离子检测 丝网印刷电极 同位镀铋 便携式检测

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基于SFTRLS算法的水下自干扰抑制方法研究

8

作者 蒋佳佳 杨绪宝 +1 位作者 郭同同 李兆明 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期225-234,共10页

随着水下全双工通信技术的不断发展,在收发同频共通的通信模式下,发射端高功率信号易通过多种耦合路径影响接收端,形成强烈的自干扰信号,从而淹没期望信号,导致通信质量显著下降。特别是在复杂的水声信道环境中,自干扰现象更为严重,已... 随着水下全双工通信技术的不断发展,在收发同频共通的通信模式下,发射端高功率信号易通过多种耦合路径影响接收端,形成强烈的自干扰信号,从而淹没期望信号,导致通信质量显著下降。特别是在复杂的水声信道环境中,自干扰现象更为严重,已成为制约水下通信系统性能提升的关键瓶颈。因此,对来自同侧的自干扰信号的有效抑制已成为水下收发一体机系统亟需解决的重要技术难题。针对数字域自干扰抑制中传统LMS算法和RLS算法在实际应用中分别存在的估计精度不足和运算复杂度高的问题,提出了一种基于稳定快速变换递归最小二乘(SFTRLS)算法的数字域自干扰抑制方法。该算法通过引入前向与后向预测结构,将RLS算法中复杂的矩阵运算转化为一维向量运算,有效将计算复杂度从传统的O(N^(2))降低至O(N),在显著降低计算量的同时,时保持了出色的自干扰抑制性能。通过在不同信噪比、不同信道阶数条件下的仿真实验,验证了所提算法在收敛速度、自干扰信道估计精度以及运算速度等方面的优势。随后,在实际湖试环境下进一步对该方法进行了工程验证,实验结果表明在现有测试条件下,该算法可实现高达30 dB的自干扰抑制比,与其他算法对比也进一步证明了SFTRLS算法在复杂水下环境中具有良好的适用性与工程价值。 展开更多

关键词 水声全双工通信 通信探测一体化 水下收发一体机 自干扰抑制 SFTRLS

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新型旋转激光扫描系统发射站结构设计与测量模型构建

9

作者 滕明鑫 林嘉睿 +2 位作者 吴腾飞 任永杰 邾继贵 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期60-72,共13页

旋转激光扫描系统基于角度交会原理实现空间三维坐标测量,以其可多目标并行测量、量程可扩展的特点,在航空航天、高端船舶等大型装备制造领域得到了广泛的应用。由于现有仪器激光器安装空间受限制约了系统光源选择与优化,通过分析光路... 旋转激光扫描系统基于角度交会原理实现空间三维坐标测量,以其可多目标并行测量、量程可扩展的特点,在航空航天、高端船舶等大型装备制造领域得到了广泛的应用。由于现有仪器激光器安装空间受限制约了系统光源选择与优化,通过分析光路设计需求,设计了新型发射站主体光路结构,通过光纤传导将激光光路延长至发射站外部,利用镜组实现分光和生成扫描光面,配合转台以构建精密空间光场,避免了安装空间对激光器性能的限制,使得后续对光源进行优化设计时不再受到约束,在光信号层面有效减少系统性能受到的影响。由于新设计导光型发射站的结构特殊,结构误差会造成发射站运行过程中扫描激光面型瞬时变化,传统基于旋转光平面特征的参数模型不再适用,因此本文结合光路几何结构,通过对光轴偏心误差、光轴倾斜误差等误差进行分析,取消了传统模型将光平面初始空间方程作为内参的定义,重新定义了发射站内部参数,构建了适用于导光型发射站的多站组网定位模型和内外参标定模型。最后搭建了实验平台进行仿真和实验,结果表明:研究的测量模型有效且坐标测量精度优于0.7 mm,能够满足大型装备制造需求,为新型旋转激光扫描系统的性能提升和后续优化打下了坚实基础。 展开更多

关键词 旋转激光扫描系统 结构设计 测量模型 测角误差

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基于长度角度并行传感的多目标位姿测量

10

作者 杨朔 韩野 +4 位作者 杨凌辉 吴腾飞 史慎东 董文博 邾继贵 《光学精密工程》 北大核心 2025年第5期728-740,共13页

大尺寸空间精密位姿测量技术是航空、航天、船舶、射电望远镜等高端装备实现自动化、高精度装配制造的关键支撑技术。针对传统方法无法同时兼顾测量效率与测量精度的问题,提出了一种长度角度并行传感的多目标位姿测量方法。通过光电扫... 大尺寸空间精密位姿测量技术是航空、航天、船舶、射电望远镜等高端装备实现自动化、高精度装配制造的关键支撑技术。针对传统方法无法同时兼顾测量效率与测量精度的问题,提出了一种长度角度并行传感的多目标位姿测量方法。通过光电扫描测角实现空间多目标的自主识别并提供高精度角度约束,同时利用高动态光束偏转机构引导绝对测距光束,主动实施逐点扫描测距,从而实现长度、角度并行测量。然后,设计了一种集成化位姿测量合作靶标,构建了长度角度加权融合的精确位姿测量模型。最后,提出了系统参数的高精度快速标定方法,详细分析了位姿测量方法的测量不确定度,并研究了合作靶标相对测量基站的位置、姿态与位姿测量精度之间的关系。通过实验验证了该方法的可行性和测量精度,实验结果表明:与激光跟踪仪进行精度对比,该方法的位置、姿态测量准确度分别优于0.131 mm和0.041°,测量重复性分别优于0.034 mm和0.018°,多目标测量过程中平均每个目标耗时0.9 s。该方法同时具有较高的多目标位姿测量效率与测量精度。 展开更多

关键词 位姿测量 大尺寸测量 光电扫描 绝对测距 多目标

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基于电容信号均方根的平均叶尖间隙测量方法

11

作者 薛志飞 易亮 +4 位作者 牛广越 刘昊 程仲海 傅骁 段发阶 《电子测量与仪器学报》 北大核心 2025年第1期80-89,共10页

叶尖间隙在线测量为航空发动机性能评估和故障诊断提供重要数据支撑,现有的航空发动机间隙测量技术多数针对单个叶片的间隙测量,并且尚无机载应用案例。针对当前电容式叶尖间隙测量方法存在的计算量大、数据冗余、高采样要求以及平均间... 叶尖间隙在线测量为航空发动机性能评估和故障诊断提供重要数据支撑,现有的航空发动机间隙测量技术多数针对单个叶片的间隙测量,并且尚无机载应用案例。针对当前电容式叶尖间隙测量方法存在的计算量大、数据冗余、高采样要求以及平均间隙求解难的问题,提出了基于电容传感信号均方根(RMS)的平均叶尖间隙测量方法。建立了基于RMS的叶尖间隙信号模型,推导了间隙信号RMS值与平均叶尖间隙之间的关系。仿真验证了噪声、时间参数对间隙信号RMS值的影响,提出了基于RMS方法的叶尖间隙信号处理参数。根据间隙信号占空比不变原则构建了叶片缩比模型,实现了适用于RMS处理方法的动态标定。在某型航空发动机压气机上开展了机载机载试验,验证了所提方法的可行性和有效性。实验结果表明,本方法以10 kHz采样率实现了航空发动机平均叶尖间隙测量,与传统方法测量结果相比,误差小于29μm。 展开更多

关键词 均方根 平均叶尖间隙 电容传感器 动态标定 机载试验

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基于编码立体靶标的单轴转台标定方法

12

作者 王昊天 王鹏 +2 位作者 李岳 魏家起 付鲁华 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期171-182,共12页

针对目前单轴转台标定存在流程繁琐且精度较低的问题,在深入剖析转台标定原理的基础上,设计一种新型编码立体靶标,并提出高精度转台参数多约束优化方法,用于提高单轴转台标定的效率和精度。首先,靶标整合3个含有编码特征点的不同位置姿... 针对目前单轴转台标定存在流程繁琐且精度较低的问题,在深入剖析转台标定原理的基础上,设计一种新型编码立体靶标,并提出高精度转台参数多约束优化方法,用于提高单轴转台标定的效率和精度。首先,靶标整合3个含有编码特征点的不同位置姿态的正方形平面,利用编码的唯一性可准确确定出各个平面的位姿变化情况,只需对靶标位姿进行一次调整,即可标定出转台的参数,显著简化了标定流程;其次,设计了编码特征点识别与处理算法,通过生成自适应椭圆掩膜,实现目标特征点的鲁棒分离,从而稳定、准确地识别编码特征点并完成解码,具备较强的鲁棒性;最后,设计了高精度转台参数多约束优化方法,结合点位约束、共面约束和法向量夹角约束建立目标函数,设置了权重参数,对转台标定参数进行优化,提高了标定精度。实验结果显示,使用所提方法标定转台,只需调整一次靶标位姿,即可使标定精度达到0.021 mm,与传统方法相比,精度可提高约36.363%。同时,根据标定结果拼接标准球,精度可达0.025 mm,相比于传统算法,误差约下降16.667%,进一步验证了该方法的可行性。此外,面对不同水平噪声时,所提优化算法可保持较为稳定的优化结果,展现出较好的鲁棒性。 展开更多

关键词 转台标定 编码立体靶标 多约束优化 精密测量

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基于自注意力神经网络的低信噪比光谱干涉膜厚测量

13

作者 王晨 王子政 +2 位作者 刘曌燃 姚程源 胡春光 《光学精密工程》 北大核心 2025年第9期1341-1352,共12页

为了提高薄膜厚度测量对低信噪比光谱数据的稳定性,提出了一种基于自注意力神经网络(Self-Attention-based Neural Network,SANN)的测量方法。由于传统傅里叶变换方法在信噪比降低时噪声成分可能掩盖主要干涉频率,难以准确提取厚度信息... 为了提高薄膜厚度测量对低信噪比光谱数据的稳定性,提出了一种基于自注意力神经网络(Self-Attention-based Neural Network,SANN)的测量方法。由于传统傅里叶变换方法在信噪比降低时噪声成分可能掩盖主要干涉频率,难以准确提取厚度信息,因此构建了一种以光谱数据为输入,薄膜厚度为输出的自注意力神经网络模型,利用自适应注意力机制对不同波长的光谱点赋予动态权重,以增强对低信噪比光谱数据的解析能力。采用光谱干涉膜厚测量系统采集实验数据,并通过波长偏移和光强归一化动态调整策略进行数据增强,用以扩充训练集并提高模型的泛化能力。该系统优化了基于自注意力机制的编码器层数及隐藏节点数,最终选定包含8层编码器、每层128个隐藏节点的模型。以晶圆为例进行验证,测试含有异常值的光谱数据集合,结果显示该模型在低信噪比测试集上的最大相对厚度测量误差为3.62%,证明该方法能有效抑制噪声影响,避免傅里叶变换方法中常见的异常值偏差,显著提升测量稳定性。所提方法可扩展至更广泛的薄膜测量应用中。 展开更多

关键词 干涉测量 晶圆厚度 光谱干涉式 自注意力神经网络 抗噪声能力 测量稳定性

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强环境噪声下的双目视觉受电弓轨旁异常检测

14

作者 赵进 郭寅 +2 位作者 尹仕斌 郭磊 邾继贵 《光学精密工程》 北大核心 2025年第3期438-451,共14页

为了应对列车受电弓轨旁异常检测场景下,强环境噪声对双目视觉系统结构参数造成较大的扰动,导致视差图计算结果不准确进而影响异常检测精度的问题,对原有立体匹配方法进行改进后并结合异常特征检测方法,提出一种应用于该场景下的受电弓... 为了应对列车受电弓轨旁异常检测场景下,强环境噪声对双目视觉系统结构参数造成较大的扰动,导致视差图计算结果不准确进而影响异常检测精度的问题,对原有立体匹配方法进行改进后并结合异常特征检测方法,提出一种应用于该场景下的受电弓轨旁异常检测方法。采用扩展邻域的代价计算和加权代价聚合方法,有效解决在强环境噪声时由于环境振动或自身结构蠕变导致双目极线不准确的情况;采用局部二值模式方法计算代价分布函数,使算法更适用于已知工件的固定场景检测;结合实际应用场景,限定视差计算搜索空间,优化计算效率,提升轨旁检测的实时性;最后对三维重建后的点云信息进行异常特征检测,在受电弓轨旁异常检测系统中验证了算法的有效性。实验结果表明,本文提出的算法较传统算法测量精度提升60%以上,时间效率提升30%以上,有效解决了该场景下轨道交通现场检测设备效率低和精度不足的问题。 展开更多

关键词 受电弓检测 立体匹配 异常检测 视差优化 三维重建

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激光跟踪测量系统伺服跟踪控制方法

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作者 段志君 吴腾飞 +1 位作者 陈宗亮 林嘉睿 《中国测试》 北大核心 2025年第1期97-104,118,共9页

针对激光跟踪测量系统跟踪目标的运动轨迹不确定、加速度与速度不断变化的特点,为提升其稳态及动态性能,对伺服跟踪控制方法进行研究,提出一种基于模糊自适应的激光跟踪双闭环控制方法。电机定位控制环路采用模糊自适应微分先行PID,位... 针对激光跟踪测量系统跟踪目标的运动轨迹不确定、加速度与速度不断变化的特点,为提升其稳态及动态性能,对伺服跟踪控制方法进行研究,提出一种基于模糊自适应的激光跟踪双闭环控制方法。电机定位控制环路采用模糊自适应微分先行PID,位置跟踪控制环路采用模糊自适应整定PI,设计不同模糊规则,实现控制参数实时整定,使其始终保持在最优区间。实验结果表明,该方法能够根据跟踪目标运动的不确定性产生的误差来实时调整控制参数,有效提升激光跟踪的稳态和动态性能,使跟踪系统的稳态误差降低至1.90′以内,跟随误差则降低至0.56′以内。 展开更多

关键词 伺服跟踪控制 模糊自适应 稳态误差 跟随误差

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环形接收的穿戴式光学传感器提升人-传感器接触状态的稳定性

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作者 葛晴 刘瑾 +2 位作者 韩同帅 刘文博 卢月 《光谱学与光谱分析》 北大核心 2025年第4期914-921,共8页

在无创可穿戴式光谱传感器领域,确保人体与传感器接触状态的稳定性对于提升传感器性能至关重要。人体的动作会改变肌肉和皮肤的扭曲程度,改变接口处传感器与皮肤的接触状态,使得光的入射角度发生偏移。入射角的变化影响光在皮肤中的传... 在无创可穿戴式光谱传感器领域,确保人体与传感器接触状态的稳定性对于提升传感器性能至关重要。人体的动作会改变肌肉和皮肤的扭曲程度,改变接口处传感器与皮肤的接触状态,使得光的入射角度发生偏移。入射角的变化影响光在皮肤中的传播路径,进而影响到传感器接收的皮肤表面漫反射光的强度。为了解决这一问题,开发了一种专用于人体成分无创检测的可穿戴式近红外光学传感器。该传感器的感光部分采用环形结构设计,这不仅增大了接收光的面积,还能够360°角度平均经皮肤表面漫反射的光,有效地减少了由光源入射角度变化引起的各向异性干扰。利用蒙特卡罗模拟,分析了光入射角度在1.2°、2.5°、5°、15°、45°范围内随机变化,以及0°至5°单方向变化时,单点与环形传感器的性能差异。模拟结果显示,环形传感器的信噪比显著高于单点检测器,大约提高了十倍,相应地,其检测的最低血糖浓度限也更低,是单点检测器的十分之一。环形探测器不仅降低了由于入射角随机变化引起的各向异性干扰,而且在两个不同的探测器处接收到的干扰表现出更强的共模特性。因此,采用一对同心圆环形探测器并对其信号进行差分抵消,可以进一步抑制入射角变化带来的干扰。在人体实验中,受试者在空腹状态分别使用环形检测器和单点检测器采集动作变化下的漫反射光信号。实验结果表明,环形传感器结合差分方法可以有效地抑制由人体动作引起的人-传感器接触状态变化的干扰,信号变化幅度在0.0005~0.001 a.u.,满足0.5~1 mmol·L^(-1)精度的无创血糖检测要求。综上所述,本文提出的双环形接收的穿戴式光学传感器在人体检测中表现出优异的高信噪比性能,显示出其在无创人体成分检测领域的广泛应用潜力。 展开更多

关键词 可穿戴式 光学传感器 无创测量 蒙特卡洛模拟 差分测量

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基于三维曲线网络图优化的空间在轨成形桁架结构视觉检测方法

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作者 陈展宏 李心宇 +2 位作者 孙岩标 回天力 邾继贵 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期126-138,共13页

由于空间在轨成形桁架具有特殊材质及复杂结构,传统视觉三维检测方法难以实现完整的模型重建,进而影响缺陷检测的准确性,故提出一种基于三维曲线网络图优化的桁架结构视觉检测方法,设计了旋转视觉扫描桁架三维检测系统,完整重建三维结... 由于空间在轨成形桁架具有特殊材质及复杂结构,传统视觉三维检测方法难以实现完整的模型重建,进而影响缺陷检测的准确性,故提出一种基于三维曲线网络图优化的桁架结构视觉检测方法,设计了旋转视觉扫描桁架三维检测系统,完整重建三维结构并对其缺陷进行精确定位检测,从而解决了复杂空间桁架结构在轨制造检测难题。首先,通过图像曲线特征识别,结合基于距离标准与曲线一致性约束的曲线特征匹配方法,建立连续图像帧中弱特征细物体之间的对应关系;然后,基于三维曲线网络图结构优化原理,交替迭代更新相机姿态和目标结构,对桁架几何拓扑进行计算补全,并估计杆件直径;进一步,提出基于三维曲率分析的桁架缺陷检测方法,并结合二维图像校验,实现在轨成形桁架产品虚接、断点等典型缺陷精确识别分析。实验结果表明,所提方法相较于基于点特征匹配的传统三维重建方法,在复杂桁架纤细结构重建方面具有更高的质量和效率,几何参量和缺陷检测精度均优于0.3 mm,满足在轨制造现场检测需求,且不依赖外部标定和背景特征,为复杂空间结构在轨制造过程质量控制提供了重要的技术支撑。 展开更多

关键词 视觉检测 三维曲线 曲率分析 缺陷检测 几何参量

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基于V型电容探头的轴向位移下篦齿叶顶间隙测量方法

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作者 李发富 段发阶 +2 位作者 郭光辉 滕光蓉 刘美茹 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期73-83,共11页

带冠涡轮叶片在热变形、气动载荷等作用下产生的轴向位移会导致电容传感器偏离标定位置,严重降低其篦齿叶顶间隙的测量精度。针对这一问题,提出了一种基于V型电容探头的叶顶间隙与轴向位移同步测量方法。首先,通过理论分析揭示了传统圆... 带冠涡轮叶片在热变形、气动载荷等作用下产生的轴向位移会导致电容传感器偏离标定位置,严重降低其篦齿叶顶间隙的测量精度。针对这一问题,提出了一种基于V型电容探头的叶顶间隙与轴向位移同步测量方法。首先,通过理论分析揭示了传统圆形芯极电容传感器因对称结构无法识别轴向位移方向的根本缺陷,并推导了轴向位移对叶顶间隙测量误差的非线性影响模型。在此基础上,设计了一种V型芯极电容探头,通过其传感信号的电压峰峰值(V_(pp))与特征波形面积(S_(cw))参数分离轴向位移与叶顶间隙的耦合效应。其次,建立了V_(pp)和S_(cw)与轴向位移、叶顶间隙的二元多项式映射模型,结合自适应滤波和三阶正弦拟合算法,实现了轴向位移和叶顶间隙的精确提取。最后,搭建了篦齿动态实验台,在轴向位移±1 mm、叶顶间隙0.5~1.5 mm范围完成了二维标定与验证实验。实验结果表明:叶顶间隙测量精度优于8μm,较传统电容法提升96.8%;轴向位移测量精度为21.6μm,且同步实现了位移方向辨识。此外,与传统圆形芯极探头对比实验显示,叶顶间隙测量误差由0.25 mm降至8μm,验证了所提方法的有效性。该方法为轴向位移工况下的带冠叶片动态间隙监测提供了可靠解决方案,对航空发动机智能运维与主动间隙控制技术发展具有重要工程意义。 展开更多

关键词 叶顶间隙 轴向位移 带冠涡轮叶片 篦齿 电容传感器

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磁流体动力学角振动传感器噪声等效指标优化分析

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作者 李建翔 李醒飞 +2 位作者 刘帆 李嘉峰 纪越 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期115-125,共11页

磁流体动力学角振动传感器噪声等效指标是对带宽范围内标度因数以及输出噪声的综合评价,即输出噪声越小,-3 dB低频截止频率越低,则传感器实际应用性能更优。由于磁流体动力学角振动传感器极低的源阻抗,采用变压器耦合的方式可以实现噪... 磁流体动力学角振动传感器噪声等效指标是对带宽范围内标度因数以及输出噪声的综合评价,即输出噪声越小,-3 dB低频截止频率越低,则传感器实际应用性能更优。由于磁流体动力学角振动传感器极低的源阻抗,采用变压器耦合的方式可以实现噪声匹配,提高信噪比,大幅降低输出噪声,对最佳匝数比进行理论分析并建立变压器完整噪声输出模型。而引入变压器会导致传感器低频截止频率变高,同时在实际应用中遇到传感器内部漏磁场对变压器磁芯产生影响的现象,使得变压器磁化电感大大降低,进而影响传感器的低频截止频率,噪声等效指标不能达到预期效果。针对轴向磁场转径向磁场的特殊结构,对噪声匹配变压器提出一种分段式、末端弧形的磁屏蔽结构,在传感器小型化有限的空间范围内,可以有效改善漏磁对噪声匹配变压器的影响并增强流体区域磁场均匀度,通过有限元仿真、传感器实际测试验证其效果,此种结构大大改善了传感器在实际应用中的低频性能,显著优化传感器噪声等效指标。经实测,磁流体动力学角振动传感器低频截止频率可达2 Hz以下,噪声等效角速率可达2.6μrad/s RMS,噪声等效角位置可达32 nrad RMS。 展开更多

关键词 磁流体动力学 低噪声 噪声匹配 变压器耦合 磁屏蔽

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结合几何误差模型和神经网络的三坐标测量机全面误差补偿方法

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作者 梁健 封善斋 +2 位作者 甄明吉 宫鹏飞 吴斌 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第7期150-159,共10页

三坐标测量机作为精密测量与高端制造领域的核心设备,其测量精度受到几何误差和非几何误差的制约。传统基于激光干涉仪的误差补偿方法存在效率低下及补偿模型不完善的问题,难以满足日益提升的测量精度需求。针对上述挑战,提出了一种结... 三坐标测量机作为精密测量与高端制造领域的核心设备,其测量精度受到几何误差和非几何误差的制约。传统基于激光干涉仪的误差补偿方法存在效率低下及补偿模型不完善的问题,难以满足日益提升的测量精度需求。针对上述挑战,提出了一种结合几何误差模型与神经网络的综合误差补偿方法,实现对复杂误差的高效精准补偿。针对几何误差,基于刚体运动学构建误差模型,并采用自适应差分演化算法实现高精度的误差参数辨识;针对非几何误差,设计了一种基于邻域误差特征的新型神经网络,利用多头自注意力机制深入捕捉邻域测量空间中的误差分布特性,相较于传统仅以目标点位置为输入的网络方法显著提升了预测效果。实验结果表明,采用所提方法补偿后,标称精度为2.8+L/400μm的三坐标测量机最大探测误差降至0.35μm,长度测量误差为0.5+L/400μm,较原厂标称数据有明显提升,充分验证了其适用性和实用价值。此外,与传统误差补偿方法相比,所提方法在几何误差和非几何误差上均展现了显著优势,实现了高鲁棒性,高效且准确的全面误差补偿。该方法为三坐标测量机等精密测量设备的误差控制与性能优化提供了切实可行的新途径,具有重要的工程推广意义和广阔的应用前景。 展开更多

关键词 三坐标测量机 误差补偿 几何误差 非几何误差 神经网络

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