基于Modbus/TCP的电容式扭矩传感器数据采集系统设计

扭矩传感器通常安装于机械设备的旋转关节处,用于扭矩的测量。电容式扭矩传感器需要配备专门的数据采集系统才能使用,且数据采集系统的性能直接影响传感器的精确测量。针对实验室自主研制的电容式扭矩传感器的应用需求,设计了一种基于Modbus/TCP协议的数据采集系统。系统以STM32为主控芯片,通过控制电容数字转换芯片AD7147实现电容信号采集与转换,然后由W5500以太网芯片将数据上传到自主开发的上位机软件中进行处理、显示与存储。实验测试表明:系统最大测量误差为1.47%,数据输出频率为1000 Hz。

基于QCM液体密度响应模型测量油品含水率研究

油田开发中一直存在高含水率和低含水率测量不准确的问题,新型可再生的生物柴油,同样需要控制含水率以保证热值和稳定性。文中提出一种基于石英晶体微天平(QCM)液体密度响应模型的油品含水率测量方法,通过5组标准甘油溶液进行模型验证,结果表明,实验值与理论值的误差小于5%,并且在低含水量和高含水量2种情况下,误差幅度小于1%。重复性实验验证了模型的有效性。现场测量实验结果证实了模型的适用性。

基于GA-SVM的钢轨廓形类型在线识别算法研究

针对轨道交通日常运维中钢轨廓形自动化检测识别率不高的情况,提出了一种基于几何描述符和支持向量机(SVM)的高精度钢轨廓形在线识别算法。利用结构光传感器对钢轨廓形数据进行采集,采用几何去噪算法对廓形进行离群点剔除和重采样预处理。通过廓形几何描述符对不同类别钢轨廓形进行特征提取,制作廓形特征数据集用于训练SVM。采用遗传算法(GA)对SVM模型参数进行优化选取。将优化训练后的SVM模型用于钢轨廓形检测并和传统廓形识别方法进行对比。结果表明:提出的采用几何描述符的GA-SVM模型平均准确率达到99.62%,单帧廓形识别用时6.43 ms,能有效提升廓形识别准确率与高速性,满足轨道车辆在线检测的需求,并为轨道自动化检测提供了理论和技术支撑。

压电式多维力传感器研究

针对传统压电测力仪有效测试区域有限、在不同测试位置输出结果不一致、扭矩值获取繁琐的等问题,基于传感器布置方式及石英晶片切型的特点,提出一种采用正八边形晶片的多维力传感器。在理论分析的基础上,通过计算仿真验证了正八边形晶片的设计合理性。对研制的多维力传感器进行了标定实验,标定结果显示:各传感器切向灵敏度高、各向线性及重复性好、向间干扰小,具有良好的测试性能。

便携式数字多道脉冲幅度分析器的设计

为便于野外测试,设计了一款便携式的数字多道脉冲幅度分析器。采用ARM+FPGA的设计方案,通过嵌入式Linux系统实现控制和用户交互。脉冲信号经调理电路处理后,由采样电路转为数字信号,并在FPGA中完成滤波成形等数字处理,最终由嵌入式系统处理并显示能谱图。采用银粉样品测试,全能峰处能量分辨率为2.80%,道址漂移在2个道址以内,能够满足设计要求。

基于SPWM的电磁流量计谐振式励磁系统研制

为了使电磁流量计长期可靠运行,需要降低励磁系统功耗并减少发热。因此,文中提出了一种基于SPWM控制的谐振式电磁流量计励磁控制方案,改变以往的恒流源驱动方式,采用高频开关电压源驱动,同时在励磁回路中串联电容来减少回路阻抗,并研制样机、开展实验验证。功耗测试结果表明:在相同励磁电流的条件下,所研制励磁系统功耗为原系统的58.3%,励磁电源功率为原系统的69.2%。水流量标定结果表明:当励磁频率为109.5 Hz时,所研制系统在水流速为0.5~5 m/s时标定精度满足0.5级要求。可见,所研制的励磁系统具有功耗低、测量精度高的特点。

改进海马优化算法的永磁同步电机多参数辨识

为解决永磁同步电机参数辨识速度慢、精度不足等问题,提出一种融合云模型和混沌变异的海马优化算法。该算法以海马优化算法为基础,引入混沌映射和随机反向学习策略,改善种群初始空间分布;采用自适应云模型,解决算法收敛精度低和减少陷入局部最优情况;加入混沌映射和高斯变异调节种群分布,以提高算法全局和局部开发能力。通过采集电机电压、角速度等信息,在永磁同步电机辨识模型中,使用改进后的算法对电机参数进行辨识。由仿真和实验对比,验证改进后算法在永磁同步电机电气和机械参数辨识上,具有更快速、稳定和准确的辨识效果,且辨识误差均在1.4%以内。

隔震支座骨架板平面度检测及误差补偿

针对机械加工行业隔震支座骨架板平面度检测损伤表面并且不能多个连续检测的问题,提出一种基于激光传感器和振动误差补偿的非接触平面度检测系统。首先利用激光传感器对骨架板表面进行扫描,并通过滤波和精简算法来优化骨架板点云;然后将运动平台的偏移量写入每个点云坐标,形成精确的骨架板点云数据;最后将传统最小二乘法升维,计算各测量点到拟合平面的偏距值得到平面度。实验结果表明:系统能够有效检测骨架板的平面度,解决了传统检测效率低并且含振动误差的问题,能够更好地适应自动化检测环境。

基于自激振荡原理的双线圈磨粒检测技术研究

为满足实际工业应用的需要,基于LC自激振荡,提出双线圈式磨粒检测技术。首先建立了等效电路模型,其次引入磁场均匀度系数的概念并利用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了管道域中的磁场分布及金属颗粒通过线圈时的输出响应,最后制作传感器进行试验。结果显示,该传感器管道域的磁场均匀度系数达0.91以上,可通过检测电压、频率的变化获取磨粒信息。研究结果为电感式磨损传感器研发提供一种新思路。

基于IWOA-ELM的模拟电路故障诊断方法

针对模拟电路故障诊断中非线性和高维度输出信号带来的诊断困难问题,提出一种基于改进鲸鱼算法(IWOA)优化极限学习机(ELM)的模拟电路故障诊断方法。首先,采用主成分分析(PCA)法对初始故障电路特征进行降维;其次,在鲸鱼算法的基础上引入Tent映射来初始化种群,并且加入了非线性时变因子、自适应权重以及随机差分变异策略;再利用改进后的鲸鱼算法对ELM进行优化;最后将降维后的故障特征向量输入ELM中得到故障诊断结果。通过Sallen-Key带通滤波器电路以及CSTV滤波器电路仿真测试实例表明:IWOA优化ELM的故障诊断方法具有更优的故障诊断性能,故障诊断准确率高达99.41%。

基于HSA-SVR的压电式车削测力仪多维力解耦

文中针对压电式多维力测力仪向间干扰大,制约测量精度的问题,分析了向间干扰对测力仪测量精度的影响,提出了一种基于支持向量回归机(SVR)的非线性解耦算法。利用混合模拟退火算法(HSA)对SVR进行参数寻优,对比并分析了HSA-SVR和线性最小二乘解耦法(LS)的解耦性能,证明经该方法解耦后向间干扰最大为0.526%,非线性误差最大为0.214%,HSA-SVR具有更好的非线性解耦效果。

基于共价有机框架材料的QCM二氧化碳气体检测系统

为了实现人居环境下高精度二氧化碳气体检测,设计了一种基于共价有机框架材料COF-5的石英晶体微天平(QCM)二氧化碳气体传感器及检测系统。分析了QCM质量灵敏度分布原理并进行了有限元仿真分析,利用超声法合成敏感材料,采用滴涂法制备基于金电极的QCM二氧化碳气体传感器,并设计了一种基于FPGA的二氧化碳气体检测系统。实验测试结果表明:开发的二氧化碳气体传感器及检测系统在二氧化碳气体浓度为2000~5000 ppm下表现出良好的线性响应,拟合曲线相关系数为0.988,系统灵敏度为0.034 Hz/ppm,响应时间为32 s,恢复时间为20 s,表现出良好的动态响应性能,系统最大绝对误差小于±25 ppm,且系统具有较好的重复性及选择性。

一种双L型梁电容式六维力传感器设计

为设计一款高性能电容式六维力传感器,结合T型梁和十字型双直梁的优点,构建了一种双L型结构弹性梁,传感器转换元件采用差动结构平行极板电容器以降低传感器的测量误差,以转换矩阵的条件数为目标函数,应用粒子群算法与有限元仿真相结合的方法对该传感器的结构参数进行优化设计,得到最优结构参数后进行仿真,结果显示该构型的电容式六维力传感器仿真精度为0.4258%。最后对该传感器进行加工与标定实验,结果显示该传感器的实验精度达到0.6376%。

基于多策略麻雀搜索算法的径向基神经网络时延预测方法

网络诱导时延序列存在随机性和不稳定性,单一的预测算法难以准确预测,针对该问题,提出一种基于多策略麻雀搜索算法(ISSA)的径向基神经网络(RBF)时延预测方法来准确预测网络时延。首先,为了应对麻雀种群初始分布不均匀的问题,增加改进Tent混沌映射来提高种群早期的分布质量,并引入新的惯性权重因子改进发现者位置更新策略,扩大麻雀早期寻优范围;随后引入正余弦优化算法(SCA)更新跟随者位置,避免种群后期陷入局部最优。其次,考虑到RBF隐含层节点中心,幅值以及输出层权值不确定的问题,提出利用ISSA算法寻优求取。最后,搭建改进的时延预测模型并输入实测时延数据得到预测时延值。实验研究结果表明:相较于传统SSA-RBF模型,文中提出的ISSA-RBF时延预测模型的MSE、MAE和MAPE分别提高了69.46%、32.83%、34.43%,可有效预测网络时延,为之后的时延补偿提供基础。

磁聚焦式扭矩传感器激励线圈控制策略研究

为测量旋转轴不同工况下的扭矩,提出了一种基于磁聚焦式扭矩传感器的激励线圈控制策略。该控制策略以控制传感器稳定输出幅值为2 mV电信号为目标,将感应电压数学模型和正交试验法相结合,对各个工况下的激励线圈控制策略进行设计,并利用MATLAB和COMSOL软件对各控制策略进行理论计算和有限元仿真验证。为模拟传感器在台架实验中得到的带噪声信号,对仿真得到的输出电信号添加高斯白噪声,利用MATLAB仿真软件对带噪声信号进行滤波优化。仿真结果表明:该控制策略能够使传感器在旋转轴的不同工况下,稳定输出幅值为2 mV的类正弦电压信号,验证了其可行性。

基于双向光通信的旋转部件传感参数遥测系统

为解决高旋、高温等极端环境下旋转部件传感参数原位采集和实时传输的难题,研制了多通道传感参数遥测系统。系统包含转子组件、定子组件和可视化终端。转子组件通过空间光通信实现与定子组件的双向无线数据传输。转子组件圆周轴对称、叠层架构设计降低了高速惯性力的影响。通过搭建5 000 r/min转速的模拟旋转测试环境进行系统功能和性能验证,实现采集精度0.25%,无线传输距离50 cm,传输速率10 Mbit/s和128通道同步采样率5 kHz。该设计方案为旋转部件试验和优化设计提供稳定可靠的参数测量技术。

旋转部件温度参数同步无线测量技术研究

针对旋转部件温度参数原位同步测量和数据无线传输应用需求,研究了电能无线传输技术和空间光通信技术,设计了一套8通道小型温度参数遥测系统。该系统通过热电偶和铂电阻传感器实现8路温度参数的高精度准确测量,采用电磁感应和红外光通信技术实现电能和采集数据的同步无线传输。系统分析软件完成数据的实时存储、解析和可视化显示。搭建了20000 r/min的模拟旋转环境测试平台,进行系统功能和性能验证。系统温度采集精度优于0.15%,无线传输距离为15 mm,电能传输输出峰值功率可达5 V/400 mA,实测通信速率为10 Mbit/s,8通道同步采样速率为56 kHz。该系统实现了温度参数的分布式、高精度获取,为旋转部件的研制和维护提供了准确的温度依据。

电压自校准的高精度多通道应变信号采集模块

针对现有应变采集设备存在采集精度低、测量范围窄、通道数较少、校准繁琐等问题,设计了一种具备电压自校准的高精度多通道应变信号采集模块,模块以高精度模拟调理转换电路为核心,结合电子线路噪声理论仿真与分析,由自校准电路对采集通道进行校准,通过补偿远端传输线的激励电压,实现了48通道大应变信号与差分电压信号的高精度测量。测试结果表明:应变信号测量范围可达±100000με,测量精度优于0.05%FS;电压信号测量范围可达±15 V,测量精度优于±(0.025%RD+500μV),准确度高,具备较好的稳定性和通用性。

基于STM32的塔机数据采集和监控系统设计

针对塔机作业对运行状态参数和作业环境实时监测的需求,设计了一种基于STM32的塔机数据采集和监控系统。该系统采用STM32F103RCT6为核心的微处理器对塔机运行各项状态参数结合传感器进行数据采集和处理,传感器信号经带数字隔离的A/D转换模块和RS485转TTL模块传输到微处理器,微处理器通过串口转以太网模块将采集的传感器数据发送到由工业交换机和网络摄像机组建的局域网中。最后,采用Java语言结合Spring Boot框架开发系统上位机页面对传感器数据和视频监控画面进行显示。通过测试,该系统能够对塔机运行状态参数和塔机作业环境进行实时监测,传感器采集数据的平均相对误差为0.74%,摄像机监控画面平均延时20.4 ms,实现了数据高速准确的实时监测,满足了监测塔机的系统需求。

基于多层石墨烯薄膜的柔性传感器研究

为了在结构监测领域探索新型的传感材料和技术,对一种以多层石墨烯薄膜作为敏感材料的柔性传感器展开了研究,进行结构应变和冲击力信号监测。基于相似三角形的性质,设计了柔性传感器大应变范围内的标定实验,并通过悬臂钢梁实验对柔性传感器和电阻应变片的应变监测结果进行了比较。此外,还搭建了沙粒冲击实验平台,实现了沙粒在不同下落高度的冲击响应。实验结果表明:柔性传感器具有大变形的监测能力,可代替电阻应变片测量结构的应变,并可用于沙粒冲击力的测量,在结构监测领域具有广泛的应用前景。