改进群体智能算法的无线传感器网络覆盖优化

为解决无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)节点分布不均和随机部署中的低覆盖率问题,该文提出一种改进群体智能算法的无线传感器网络覆盖优化算法,即改进的黑猩猩优化和哈里斯鹰优化的混合优化算法(Improved Chimp Optimization and Harris Hawk Optimization Algorithm,ICHHO).该算法首先对黑猩猩优化算法(Chimpanzee Optimization Algorithm,ChOA)进行改进,使用Levy Flight来改善其探索阶段,然后设计一个更新的公式来计算猎物逃逸能量,作为开发和探索之间的选择因素.传感器节点随机部署后,将ICHHO在传感器节点上执行,按照改进策略更新个体位置信息,计算相应的适应程度,找到最优传感器位置,并根据传感器概率模型确定网络最优覆盖率.仿真结果验证了ICHHO对于解决WSN覆盖问题的适用性,与其他优化算法的对比结果显示,ICHHO在提高覆盖率方面优于其他算法.

用于运动状态监测的纸基柔性摩擦电传感器

为解决柔性摩擦电传感器制备流程复杂、成本高、不够环保等问题,设计了一种基于纸基导电银浆的低成本柔性摩擦电传感器。当外部压力由5 N增大至50 N时,其输出电压和输出电流逐渐增大,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力作用下,输出电压的峰值约为7.52 V。当外部压强在17~173 kPa的范围内变化时,输出电压峰值与压强呈分段线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电压保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,该传感器能够感知肘关节、腕关节的弯曲角度,并能有效区分走、快走、跑3种运动类型以及踮脚、深蹲、抱腹跳3种健身动作,计算人体行走频率与健身动作次数,在人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

多场景下基于传感器的行为识别

针对基于传感器的行为识别任务中识别场景单一且固定的问题,提出一种多场景下基于传感器的行为识别迁移模型,由基于传感器的动态感知算法(dynamic perception algorithm,DPA)和自适应场景的行为识别迁移方法(adaptive scene human recognition,AHR)两部分组成,解决在固定场景下对传感器的依赖性以及在场景转换时识别模型失效的问题。DPA提出两阶段迁移模式,将行为识别阶段和模型迁移阶段同步推进,保证模型在传感器异动发生后仍能持续拥有识别能力。进一步提出AHR场景迁移方法,实现模型在多场景下的行为识别能力。实验验证该模型具有更优的适应性和可扩展性。

基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器

设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构。室温下,传感器在载压范围为3~129 kPa内灵敏度为0.026 mV/kPa,与有限元仿真基本吻合。传感器在25~120℃范围内的热灵敏度漂移为0.004‰FS/℃,热零点漂移为0.25%FS/℃。湿度传感单元采用的叉指电极和电容式结构,引入含氟PI作湿度敏感膜。设计Mo电阻加热结构加快传感器降湿过程,缩短降湿时间近32%。在10%~90%RH的湿度范围,含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/%RH,略低于无氟PI器件。含氟基团的引入,使得传感器的湿滞较无氟PI降低16%。“电容-湿度”曲线呈指数分布,相关系数R^(2)=0.996。测试结果发现,湿度传感单元和压力传感单元拥有良好的独立工作性能。

高回弹性压阻式薄膜压力传感器的研究进展

压阻式薄膜压力传感器作为薄膜压力传感器的重要分支,具有灵敏度高、响应快、弹性好等优点,如何同时实现高灵敏度、宽工作范围、快速响应和快速回弹是未来所面临的挑战,而新型材料、结构设计、传感器制备方式及动态特性建模是高回弹性传感器研制的关键。本文归纳了基底及活性层材料制备及其相应单一微结构、仿生结构、皱褶结构的设计,同时阐述了高回弹性压阻式薄膜的制备技术,总结了薄膜压力传感器动态建模和动态补偿的方法,最后对薄膜压力传感器发展中的新需求做了展望。

基于证据理论的多传感器数据融合水质检测研究

针对多传感器水质监测数据融合中测量数据存在误差的现象,论文提出一种基于DS证据融合理论的多源监测数据融合算法.该算法将影响水质的氨氮含量(NH3-N)、溶解氧(DO)、pH值、电导率(CD)等多环境因子变量作为证据,并赋予可靠性折扣,计算出水质等级的质量函数,然后通过DS方法将其与其他证据结合起来,最后使用融合质量函数值的决策规则确定水质类别.实验证明这种方法适用于具有多源监测数据的水质类别预测,可以从不确定性传感器数据中评估水质,并提高评估性能.

碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

农业传感器:研究进展、挑战与展望

[目的/意义]农业传感器是数字农业、信息农业、智慧农业等现代农业发展模式的源头技术,也是推动农业科技迭代升级和农业生产方式变革的重要驱动力。农业传感器应用环境(水、气及土壤)和监测对象(动植物)多样复杂、规模大,因此,高环境适应性、高可靠性和低成本的农业传感器是实现智慧农业的基础与核心。[进展]本文对农业传感器进行分类,并对农业传感器前沿研究趋势进行分析,综述农业传感器在不同应用场景下的研究现状,从农业环境传感器(水、大气和土壤等)、动植物生命信息传感器、农产品质量安全传感器和农机传感器四大类进行深入分析,总结现有农业传感器在研发和使用过程中的通用性和局限性。[结论/展望]在农业传感器面临的挑战与展望中,具体分析了现阶段农业传感器大规模应用严重不足的核心瓶颈,包括低成本化、专用化、高稳定性及自适应,归纳出“农业泛在感知”的概念,为农业传感器技术研发提供思路和参考。

柔性可穿戴湿敏传感器制备及呼吸检测实验

该文以壳聚糖/导电炭黑复合薄膜作为敏感层,构建了高性能湿度传感器,并研究了传感器件微结构薄膜对呼吸检测敏感的机理。该文展开实验测试了传感器的湿度及呼吸响应特性,使用灵敏度、响应恢复特性、重复性等参数评价传感器性能,同时基于LabVIEW技术实现了湿敏/呼吸信号的实时读取与处理、单片机与电脑终端通信、呼吸波形显示等功能。该检测平台成本低、易操作,为传感器检测技术的实际应用提供了借鉴,同时可促进学生对柔性可穿戴传感器检测实验与应用的深度理解,有效提升课堂教学效果和学生的学习积极性。

流程生产安全数智化监测系统传感器故障诊断研究

为保障流程生产安全监测数据的准确性,提出1种结合核主元分析和累积残差贡献率法的故障诊断方法。首先提出“感知-汇聚-决策”的多层级数智化监控系统架构;针对感知层传感器,基于核主元分析构建故障检测模型并通过累积残差贡献率法定位故障传感器;以DYTG转炉厂连铸作业区进行实证分析。研究结果表明:该故障诊断方法在SPE指标上的平均检测率和平均误检率分别为95.28%和2.61%,在T^(2)指标上的平均检测率和平均误检率分别为84.36%和1.71%,且针对4种故障形式均能精准定位故障传感器。研究结果有助于降低监测系统的维护成本,提升流程生产安全管控水平。

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。

基于PVDF柔性传感器的不同介质中冲击波波源测量与频谱分析

目的明确体外冲击波系统冲击头在不同介质界面产生的冲击波波源特征。方法采用冲击气压可调的体外冲击波产生与信号采集实验系统,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性传感器,通过实验测量方法研究冲击头在不同介质(仿体组织、水和空气)界面产生的冲击波形,分析波源的时域特征和频谱特性。结果在相同气压冲击下,冲击头在仿体界面和水界面产生的冲击波波形相似,二者与空气界面产生的冲击波波形存在较大差异,空气界面的正负压绝对值明显减小;不同介质中产生的冲击波频谱特性相似,都存在3个明显的峰值频率,仿体、水和空气中调制频率分别为12.2、8.5、7.2 kHz,载波频率基本无变化(82~83 kHz)。不同气压冲击下,冲击头在同一介质界面产生的冲击脉冲波波形差异不大,冲击气压仅影响冲击波幅度,不影响峰值频率。随着冲击气压的增大,介质界面正负压绝对值增大,变化基本呈线性。结论PVDF柔性传感器可以有效测量冲击波波源,不同介质界面产生的冲击波在时域和频域都存在一定差异,不能简单以空气或水中的冲击波传播特性代替生物组织中的传播特性。研究结果可以为冲击波设备的评估和临床冲击波治疗方案的制定提供重要信息。

基于电容传感器的CO_(2)气液两相流流型识别

为了实现碳捕捉与封存(CCS)管道内CO_(2)流量的精确测量,需要对CO_(2)的流型进行辨识。基于递归定量分析和模糊C均值(FCM)聚类算法,建立了CO_(2)气液两相流的流型识别模型。提出利用小波变换在多尺度下分析CO_(2)气液两相流电容信号递归图结构特性的方法,对各个尺度下的递归图分别进行定量分析,提取出不同流型下CO_(2)流动的电容传感器递归特征参数。采用FCM算法,对特征参数进行流型聚类,完成了对CO_(2)气液两相流的分层流、气泡流和雾状流3种流型的识别。

基于厨余废弃物的柔性摩擦电传感器设计

为提高厨房垃圾的再利用率并解决其带来的环境问题,设计了一种基于厨余废弃物的柔性摩擦电传感器。该传感器在外部压力从10 N增大至50 N时,输出电压和电流的幅值逐渐增加,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力下,输出电压的幅值约为2.2 V。当外部压强在15~85 kPa范围内变化时,输出电压幅值与压强呈线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电流增大,输出电压幅值基本保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,能够对指关节、肘关节、腕关节的弯曲反馈不同波形的输出电压信号,并能利用输出电压幅值反馈各关节弯曲程度。同时,能够区分慢走、竞走、跑步3种运动类型。该传感器为厨余垃圾的处理与再利用提出了一种新思路,在环保与人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

基于图分级的水下有向传感器网络栅栏覆盖策略

栅栏覆盖问题近年来已成为水下传感器网络研究的热点,但水下有向传感器网络的栅栏覆盖问题尚未得到足够的重视。随机部署前提下的水下静态有向传感器网络的栅栏覆盖难度较大,因此目前关于该问题的相关研究成果较少。为弥补这方面研究的不足,该文提出一种基于图分级的有向传感器网络首次栅栏覆盖策略。首先,该策略深入研究了多种位置关系下两个相邻节点之间满足强(弱)连接的条件;其次,利用位置关系条件构建分级图,从中选取合适节点进行栅栏的首次构建。仿真实验结果表明:采用该算法对静态有向传感器网络进行栅栏首次构建在确保较高成功率的前提下采用的节点数更少,保证了较高的网络检测概率和较长的网络寿命。

面向人体运动检测的水凝胶基柔性应变传感器设计

在可穿戴电子设备迅猛发展的背景下,构建面向人体运动检测的可穿戴柔性应变传感器成为目前传感器研究的重点之一。基于聚丙烯酰胺(PAM)、纤维素纳米晶(CNCs)、单宁酸(TA)构建了一种导电水凝胶基柔性应变传感器。机械性能与电学性能测试结果表明,相较于其他柔性应变传感器,聚丙烯酰胺-纤维素纳米晶-单宁酸导电水凝胶基柔性应变传感器具有超长的拉伸范围(0%~2 900%)、较好的黏附性、快速的响应时间(280 ms)和良好的稳定性(超320次加载-卸载循环)。该传感器对人体关节弯曲的大应变与喉部活动的小应变等运动信号具备良好的检测功能,可用作人体运动检测的柔性可穿戴传感器。

一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。

基于角度传感器的弓网相对坐标检测技术研究

在电气化公路弓网相对坐标的检测中,基于机器视觉的非接触式检测技术的检测精度受图像采集环境的影响较大,基于光电传感器的接触式检测技术的检测精度受传感器安装密度限制。提出了一种基于角度传感器的接触式相对坐标检测技术,用于电气化公路的弓网相对坐标检测。首先,基于双接触线的电气化公路接触网,搭建弓网相对坐标检测实验台,建立弓网相对坐标与角度信息关联函数;然后,研究系统刚度、角度传感器线性度对实验台检测误差的影响规律,建立多项式修正函数对关联函数进行修正;最后,基于修正的弓网相对坐标关联函数,进行弓网相对坐标检测实验,得到实验台检测的绝对误差为±1 mm,相对误差为±0.5%,具备较高的检测精度。

基于CsPbBr_(3)量子点的湿度传感器的制备及其在微裂纹检测中的应用

采用简单的溶液路线结合乙酰丙酮铁(AAI)改性技术,制备了分散性良好、尺寸均匀的钙钛矿型CsPbBr_(3)-Fe量子点(QDs),通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及光致发光(PL)光谱对材料进行表征。并通过旋涂法构筑基于钙钛矿QDs的电阻式湿度传感器。湿敏特性测量结果表明:该湿度传感器在10%~100%的相对湿度(RH)的检测范围内具有良好的线性、快速响应特性;在70%RH时传感器的灵敏度为1.1,响应时间为33 s,恢复时间为38 s。此外,我们运用有限元方法模拟了管道微裂缝的泄漏行为,通过模拟不同流速、压力下的流速场和压力场分布,验证了利用湿度传感器检测泄漏点位置的可行性。

面向突发性水污染事件的多传感器动态组网立体监测

针对突发性水污染事件应急监测和智能模拟分析需求,研究了多传感器立体协同监测模型,建立了突发性水污染事件的时间、空间属性和传感器观测性能之间的相关关系,实现了卫星、无人机、地面、水上平台的动态、协同组网。在丹江口库区开展了突发性水污染事件动态组网立体监测实验分析,根据水污染事件发生时、动态演变过程中和事件后期3个阶段的不同观测需求,基于多传感器立体协同监测模型,深入开展了多传感器协同优化求解,确定了相应的观测平台及传感器。实验结果表明,协同、高效的“天空地一体化”立体感知网能够全面、精准、快速获取水污染事件监测信息,可以科学支撑突发性水污染事件的应急处置。