高温声学检测技术的发展、应用与挑战

以我国航空航天、钢铁冶金、特种设备等领域的高温声学无损检测技术研究与应用为主线,分析了高温声学检测技术在促进先进高温材料制备与研发、钢铁冶金行业绿色低碳生产和产业升级、高温压力管道安全运行与维护等方面的巨大需求。介绍了国内外在高温声学检测的技术方法和仪器研制等方面取得的进展,分析了压电超声、电磁超声、激光超声、激光电磁超声等技术在高温无损检测应用方面存在的优缺点和应用场景,总结了高温声学检测技术面临的机遇与挑战。

高效型SCR尿素计量泵精度标定台方案设计

SCR技术已成为柴油车降低NOX排放的主流技术方法。尿素泵作为SCR系统的核心部件之一,其计量精度直接影响系统运行效率。针对传统的尿素泵标定方法的不足,提出一种基于微小椭圆齿轮流量计的尿素计量泵精度标定台,设计了气助型和非气助型尿素泵标定方案,对于无回流型尿素计量泵,可采用单流量计装在吸液管上直接测量。对于有脉动强且有回流的尿素计量泵,使用“减重”法测量,在吸液管与回液管各安装一个椭圆齿轮流量计,通过差值的办法得到尿素喷射量。经过实践,实时性强,精度高。

基于Transformer的三维人体姿态估计及其动作达成度评估

针对人机交互、医疗康复等领域存在的人体姿态分析与评估问题,本文提出了一种基于Transformer的三维人体姿态估计及其动作达成度评估方法。首先,本文定义了人体姿态的关键点及关节角,并在深度位姿估计网络(DPEN)的基础上,提出并构建了一个基于Transformer的三维人体姿态估计模型(TPEM),Transformer的引入能够更好的提取人体姿态的长时序特征;其次,利用TPEM模型对三维人体姿态估计结果,设计了基于加权3D关节角的动态时间规整算法,在时序上对不同人物同一动作的姿态进行姿态关键帧的规整匹配,并据此提出了动作达成度评估方法,用于给出动作的达成度分数;最后,通过在不同数据集上进行实验验证,TPEM在Human3.6 M数据集上实现了平均关节点误差为37.3 mm,而基于加权3D关节角的动态时间规整算法在Fit3D数据集上的平均误差帧数为5.08,展现了本文所提方法在三维人体姿态估计与动作达成度评估方面的可行性和有效性。

基于Bayes推断的交流接触器剩余电寿命预测

针对交流接触器可靠性开展研究,首先分析交流接触器的电弧侵蚀机理,建立了计及电弧电压及电弧重燃影响的电弧侵蚀模型,根据该模型仿真得到的交流接触器性能退化特征参量变化过程与交流接触器的实际退化规律一致。分析不同工况下性能退化数据特征,提出了不同工况下先验信息的等效折算方法,解决了不同工况下的先验信息利用问题。建立了基于Bayes推断的交流接触器剩余电寿命预测模型,提高了剩余电寿命预测精度,实现了利用不同工况下性能退化数据对交流接触器进行剩余电寿命预测。在AC-4、AC-3两种工况下进行了交流接触器电寿命仿真分析及实验分析,相对误差均小于5.5%,验证了方法的准确性。

声波法在输油管道上的可检测泄漏率分析

为了确保输油管道出现泄漏时能够及时检测到泄漏,对声波法在输油管道上的可检测泄漏率进行了分析。首先,建立了声波产生和传播衰减模型,根据模型分析了声波在管道内的衰减性,得到管道两端声波衰减幅值的计算方法;其次,采用基于互信息优化的自适应噪声完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,简称CEEMDAN)和互谱分析相结合的去噪算法对采集的信号进行去噪,并实验验证了衰减模型可准确估计声波的衰减幅值,去噪算法可以有效消除信号中的噪声;最后,分析了管道特性与声波法在输油管道上的可检测泄漏率之间的关系。研究表明,管道特性在一定程度上决定了声波法的可检测泄漏率,声波法在输油管道上的最小可检测泄漏率可达0.45%。

一种测量液膜厚度的超声相控阵实验装置

气液两相流存在于核反应堆蒸发、飞行器冷却、化工生产降膜蒸发等过程,界面波的动态测量对工业过程监控和生产优化具有重要意义。界面波的准确识别与特性参数测量是开展科学研究与工程实践的重要前提。基于超声相控阵测量系统,设计了扇扫的测量方式,可以用于气液界面清晰的流型中液膜厚度和界面波形态三维测量。通过静态标定和圆管验证,确定了像素点和液膜厚度之间的关系,在气相表观流速为0.0719~0.4316 m/s,液相表观流速为0.0567~1.4161 m/s的工况下进行实时动态实验,获得了实时流动过程中较高精度的截面气液相界面信息,并构建了管道内部界面波三维分布形态,为界面波特性研究提供了一种实验参考方法。

仅线圈式电磁超声检测方法与提离特性研究

针对传统永磁体式或脉冲电磁铁式电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)易吸附铁磁性颗粒导致换能效率下降甚至功能性损坏、难与铁磁性金属材料实现快速分离或移动、探头体积大、难以实现狭小区域等探头不可达区域的检测等难题,提出了一种仅线圈式电磁超声检测的技术实现与建模方法。建立了集仅线圈式EMAT的激励等效电路和检测过程的场路耦合分析有限元模型,分析了仅线圈式EMAT的纵波激励和接收机理,研究了提离对EMAT线圈的等效阻抗、放电电流的高频成分和类直流成分、检测回波的幅值和中心频率的影响。研制了仅线圈式EMAT检测电路,验证了提离的影响规律。研究结果表明:所研制的仅线圈式电磁超声检测系统可以在80 mm厚的铝合金试样中激励和接收纵波,且在0.1 mm提离时,一次底波的信噪比为28.10 dB。当提离由0.1 mm增加至1.0 mm时,二次底波的信噪比由22.21 dB减小至8.01 dB,其中心频率由1.35 MHz下降为1.27 MHz。

机械加工质量预测研究现状与发展趋势

机械加工质量预测是智能制造的重要组成内容,也是实现质量闭环控制的前提条件,对推动智能制造系统真正落地应用具有极其重要的作用.在对机械加工质量预测的历史进行简要回顾时发现,学者多将研究重点放在机床某一关键部件对加工质量影响的机理研究,却鲜见部件耦合影响的关联性研究.基于上述难题,本文首先剖析影响机械加工质量的7类要素,包括刀具几何参数、切削参数、切削液类型、热误差与热变形、数控机床零部件性能退化、切削颤振以及系统特性;随后,根据各要素数据种类和测量方式的不同,将机械加工质量监测与预测方法划分为4大类,包括机器视觉测量、功率测量、振动测量以及其他测量方法,并对各方法的技术特点、局限性和发展动态进行了阐述;最后,考虑各机械加工质量监测与预测方法的不足,指出材料切削机制研究、数据质量评估方法、面向工业现场数据库构建的标准以及质量预测信息的智能表征与可视化等方面可能是未来的发展趋势.

基于半导体桥和含能材料的信息储存介质自毁模块研究

针对高安全等级信息储存介质硬件层面的防护,开展了基于半导体桥(SCB)和含能材料的低驱动能量自毁模块的研究.建立了SCB等离子体发火、能量传递、含能材料点火的数学模型并完成了理论计算,利用COMSOL搭建SCB多物理场仿真模型并校核其性能,搭建了试验平台并进行SCB与含能材料发火性能测试的试验.仿真和试验结果表明:含能自毁模块具有优良的发火性能,能在5 V充电电压的激励下,起爆SCB桥区并使桥区温度能在18μs内达到2700 K,从而激发0.43 mg叠氮化铜在50μs内起爆产生爆轰波.含能自毁模块能够完成能量的传递并摧毁目标信息储存介质,有效避免信息储存介质关键信息被窃取,保证了信息储存介质的安全性.

高速接触网静/动态几何参数及误差特性

接触网几何状态是决定高铁供电安全与弓网受流质量的关键因素。根据接触网静/动态属性,明确接触网静/动态几何参数与静/动态检测涵义。针对接触网动态检测时车辆姿态变化、轨面弹性变形、接触线动态抬升与环境扰动问题,开展动力激扰下接触网几何动态检测复合误差形成机理与补偿方法研究。通过轨道、车辆、接触网系统动力耦合及环境扰动作用下复合误差分解、溯源与辨识,分析车辆姿态误差特性及其表征模型,结合轨面弹性变形、接触线动态抬升、风载动态响应,阐述轮轨、弓网、风场多重耦合下接触网几何动态检测误差补偿方法。旨在揭示动力激扰作用下接触网几何动态检测误差产生、传播、复合与演变过程,形成面向高速接触网几何动态检测的复合误差控制基础理论方法,为提高我国接触网检测水平和保障接触网高品质维修起到科学有效的促进作用。

刚性接触网磨耗动态检测系统视觉标定方法研究

接触线磨耗是综合反映接触网服役性能的重要指标。针对接触线空间布置范围大,磨耗检测精度要求高,人工检测效率低的难题,提出综合运用激光三角和沙姆成像原理,研究构建基于线结构光测量技术的车载接触线磨耗主动视觉检测方法。提出采用高斯-牛顿非线性最小二乘优化方法,对像平面与光平面单应性矩阵、镜头畸变参数进行交叉迭代求解,建立面向接触线磨耗动态检测的大视场、高精度视觉模型及其参数标定方法,解决接触线磨耗检测系统视觉建模及参数标定难题。立足现场实际需求,研制接触线磨耗车载检测装置,分步开展室内静态标定实验和现场动态检测试验。结果表明,实验室标定重投影误差控制在0.083 mm以内,与传统模型相比提高53.1%。接触线磨损宽度、磨损深度及磨损面积动态检测数据与人工静态测量数据相比,RMS误差分别控制在0.119 mm, 0.115 mm, 0.788 mm2以内。

高温环境下弹簧功能-传感共形位移测量装置及方法

机械装备的位移测量是状态检测和运动控制的关键,基于激光、电涡流、电感和电阻等原理的常规位移测量方法无法应对高端装备紧凑测试空间和高温、油污等恶劣环境条件下的位移测量挑战。基于材料力学与弹簧结构,构建一种新的弹簧功能-传感共形的位移测量模型,对弹簧整体受力及位移进行分析,确定位移-应变映射关系;基于有限元方法建立弹簧的应变-位移模型,分析弹簧位移测量的敏感点、不同组桥形式、位移激励频率等因素影响;通过搭建电液伺服高频冲击试验台,在扫频和加热工况下进行弹簧位移测量装置及方法的有效性和动态性能测试。试验结果表明:加载频率在100 Hz及以下时测试精度可达0.06 mm,高温适应性不低于275℃;经车用干片式制动器高温制动试验应用验证,在工作温度160℃以上仍能实时稳定获取机构的动态位移信号,为高温制动器状态检测及其故障诊断提供了嵌入式测试技术支撑;该共形位移测量方法在高温条件下具有良好的线性度和精度,为紧凑空间及高温等恶劣环境下位移测量提供了一种有效方法,尤其是在具有弹簧等弹性元件的情况下能够实现对原系统无影响的嵌入式测试。

基于卷积神经网络的岩渣分类算法及其FPGA加速

全断面岩石掘进机在道路掘进过程中,刀盘挤压切削岩体容易产生刀盘磨损及损坏,从而造成经济损失,因此需要检测刀盘磨损的理论和技术来指导施工。岩渣是掘进过程的直接产物,携带丰富的信息,能够反映当前的施工状况,因此可以通过岩渣识别利用这些信息间接实现对刀盘的监测。提出了一种基于卷积神经网络的岩渣识别算法,在岩渣数据集上实现了96.5%的分类准确率。随后为了便于FPGA硬件部署,提出一种网络压缩方法,将网络规模压缩到原始网络的2.28%,同时分类准确率相比原网络仅下降了0.9%。最后使用OpenCL技术在Intel Arria 10 GX1150平台上实现了算法部署,达到了224.54 GOP/s的吞吐率以及11.23 GOP/s/W的能效比。

热重分析仪样品支架的改进

热重分析仪的样品支架,有可能受到一些特殊样品的分解产物的污染而损坏,为了减少支架污染,扩展仪器的使用范围,增加仪器支架的使用寿命,有必要对热重分析仪的支架进行改进。采用在坩埚底部和样品支架平台之间加铂垫片或氧化铝垫片的方式,对支架进行改进。实验结果表明,添加垫片后对温度的影响可以通过校准进行消除,改进前后一水合草酸钙的测试结果一致。说明仪器支架改进后,仪器的性能没有改变,但是可以有效防止热电偶的损坏或支架与坩埚发生粘连,从而增加仪器的使用寿命和使用范围。

基于加窗随机解调架构的电网超谐波信号检测方法

针对电网超谐波检测采样压力大、数据处理困难等问题,提出一种基于加窗随机解调架构的超谐波信号检测方法。该方法首先利用模拟信息转换技术结合加窗思想,在采样端对超谐波信号进行加窗压缩采样,得到压缩采样后的数据;随后,在重构端采用逐级二分的思想,将残差的一阶微分作为收敛阈值,改进稀疏度自适应匹配追踪(SAMP)算法,实现对采样数据的快速重构。大量的仿真实验和测试结果表明,方法可以在减少90%数据量的情况下实现超谐波信号的频率幅值精确检测,其中频幅值检测的相对误差≤2%,频率检测误差≤3 Hz,为更准确测量超谐波提供了新思路。

基于双磁场的管道非体积损伤检测研究

管道应力集中区的应力量化对管道寿命评估及安全预防具有重要作用。弱磁检测技术是一种有效的应力集中检测方法,但是管道的硬点也会产生类似的缺陷信号对应力量化分析产生干扰。本文建立了管道非体积损伤的磁信号检测解析模型,分析了硬点及应力对管材磁特性参数的影响,对硬点及应力集中区在不同励磁强度下的信号特征进行了研究,提出利用强弱励磁的双磁场应力检测方法用以排除硬点对应力弱磁信号的干扰,对理论研究进行了试验验证。研究结果表明:弱励磁下,磁化强度随应力及硬度增大而减弱。磁化强度的衰减梯度随应力增大而增大,随硬度增大而减小;强磁激励下,磁化强度随硬度增大呈近线性减小趋势且不受应力变化影响。引入信号特征磁敏系数表征不同励磁强度下非体积缺陷的检测能力,10 kA/m励磁下,随着应力增大,磁信号的切向磁敏系数从1.54增强到25.87,随着硬度的增大,磁信号的切向磁敏系数从7.46增强到33.87,应力及硬点均有较好的识别能力;30 kA/m励磁下,随着应力增大,磁信号的切向磁敏系数从0.07增强到0.54,随着硬度的增大,磁信号的切向磁敏系数从0.49增大到4,硬点仍有较好的识别能力,应力识别能力低,因此利用强弱磁双场检测方法可以排除硬点对应力检测的干扰。

孔板流量计取压方式的研究

孔板流量计是一种测量流体流量的差压类流量计,广泛应用于石油、化工、电力等领域。孔板流量计主要的取压方式为法兰取压、角接取压和径距取压,其取压方式是影响测量精度的重要因素之一,现如今没有一个选取取压方式的标准。该文通过实验的方式将孔板流量计分别采用法兰取压、角接取压、径距取压计算得到的流出系数与GB/T2624.2中给出的各种不同取压方式理论流出系数进行比较,由实验结果可知环室角接取压的测量精度最高。通过比较加工精度和现场环境等因素,给出了3种取压方式的适用条件。

压缩感知字典迁移重构的小样本轴承故障诊断

针对实际应用中智能轴承故障诊断面临标签样本严重不足的问题,提出一种结合压缩感知、字典学习和迁移的数据增强算法,用于小样本故障诊断研究。首先,利用源域标签数据通过小波包字典学习和优化方法生成特定源域字典,并得到共享表示系数,获取故障内在信息;之后采用少量目标域信号微调共享表示系数,并更新源域字典生成迁移字典;最后通过共享表示系数和迁移字典生成大量具有目标域特征的新样本,实现数据增强。采用常用的深度故障诊断网络对该数据增强算法进行了诊断性能验证,结果表明该方法产生的信号具有故障的有效信息,用于模型训练和识别能够取得较好的诊断性能。该方法为小样本故障诊断问题提出了新的思路。

基于容性耦合的钢轨压力传感器电磁干扰分析

目前随着弱电装置在铁路通信、传感测量等方面的普及,电磁干扰问题越来越引起人们的重视,但是关于电磁干扰机理的耦合分析等方面的工作开展较少。本文针对一则典型的钢轨压力传感器电磁干扰问题,从干扰源排查入手,建立了电源线与信号线的容性耦合物理模型,提取线缆间分布电容参数,定量分析了耦合电场大小;同时找出干扰源,确定为电源线容性耦合导致的串扰电压干扰,给出了相应抑制干扰的措施,该分析与实测相符合。研究结果表明,接地装置对电源线地线的电磁干扰影响很大,从而进一步影响了信号线的信号电压。当接地电阻的埋入深度从0.1 m增加到0.6 m时,电源线的干扰电压得到了抑制;信号线的连接端头是容易耦合到外界电磁干扰的薄弱环节,是改善屏蔽效能的关键点。本文所提出的关于容性耦合的机理分析、计算方法、以及传感器信号的电磁干扰抑制措施,能够为今后电气设备的电磁干扰分析抑制提供普遍的借鉴意义。

基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置及其在线校准方法研究

明渠流量计是监测水流量的一种计量器具,广泛应用于各行各业。因其不便拆卸、堰槽设计不规范、校准方法缺失等原因,使得明渠流量计在线溯源成为业内亟需解决的难题。该文开发出一款基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置,并应用该装置研究出模拟液位法的明渠流量计在线校准方法。该方法克服了标准液位计法及流速面积法等现有溯源方法存在的不足,具有操作简便、测量准确、模拟水位可调、过程智能化等特点,为明渠流量计在线溯源提供技术支撑。