基于磁流体填充微腔结构的光纤磁场矢量传感器

研制了一种基于磁流体填充的微腔式马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)结构的高灵敏的光纤磁场矢量传感器。采用大错位熔接三段单模光纤形成开腔结构,便于将磁流体注入传感器的开腔中,将MZI传感器封装在注有稀释磁流体的玻璃毛细管制成磁场传感器。由于磁流体的折射率会随着施加磁场的变化而改变,MZI的传输光谱会相应发生漂移。通过监测传输光谱的波长漂移,可以检测磁场强度。实验结果表明,具有轴向不对称结构的开腔式MZI传感器具有测量磁场的能力,在3.0~10.0 mT的磁场范围内灵敏度高达-5.51 nm/mT。该MZI磁场传感器由于其灵敏度高、结构紧凑、成本低的优点,适用于磁场测量。

三轴磁传感器误差校准方法研究进展

三轴磁传感器在实际应用中不可避免地会受到非正交误差、灵敏度不一致误差、零点偏移误差等多种干扰,若在使用前未经有效校准,将导致显著的测量误差。在对三轴磁传感器误差机理进行分析的基础上,综述了磁传感器误差校准的方法,主要分为匀强磁场和非匀强磁场校准两个方面,详细探讨了匀强磁场环境下的矢量校准和标量校准两种不同的策略,矢量校准强调对各轴分别实现校准,而标量校准则把各轴输出模值视为恒定,并分析了非匀强磁场环境下不同校准方法的原理,深入探讨了各方法可能存在的优势和不足。最后,对未来磁传感器校准的发展方向进行了展望。

基于磁场传感器磁成像装置研究

针对空间磁场矢量分布情况,给出一种空间磁场测量和成像的装置,主要由磁场矢量传感器、三维移动平台和信号处理电路等部分构成。在待测磁场空间中,通过三维移动平台调整磁场矢量传感器的测量位置,然后利用传感器测量相应位置处的磁场分量(Bx、By和Bz),采用信号处理电路并行对传感器的输出电压进行放大、滤波、调零和A/D转换等处理。在微控制器进行数字滤波和数据传输后,利用软件分析和处理获取的数据,并绘制空间磁场矢量分布图。实验结果表明在一定待测磁场范围内,该磁成像装置能够实现永磁铁附近的空间磁场相应位置的磁场矢量测量,并形成磁场分布图,该装置可以对-1000 Gs~+1000 Gs的磁场进行测量,磁场分辨率为2 Gs,空间分辨率为3 mm3。

基于深度神经网络的SOFC电堆温度场建模

基于石英光纤温度传感器和直角坐标机械手,设计并搭建一种SOFC电堆温度场测量系统。然后应用上述系统测量模拟电堆的阴极气道温度数据。根据采集的数据,基于深度神经网络方法建立模拟电堆温度场模型,并与基于支持向量机方法的电堆温度场模型进行对比。结果显示:深度神经网络电堆温度场模型的训练时间更短,预测精度更高,其平均绝对误差和均方根误差分别为支持向量机电堆温度场模型的45.2%和47.4%,更有利于该文中电堆温度场建模。

小角偏测量误差型弧面多电极电场矢量传感器

当前多数电场传感器面向标量信号采集,难以用于测量区域的场源结构分析,其在态势感知与状态评估方面存在明显应用局限。另一方面,电场矢量探头对感应方向的要求极为严苛,细微的装设角度偏差将会对精度产生显著影响。论文基于多维电场耦合感应机制及其矢量合成方法,提出一种新型弧面多电极电场矢量传感器。首先,提出新型极板参数确定式及其拓扑电路结构。随后,通过仿真得到电场分布,电荷量随角度变化的偏移机制,以及传感器的电容参数分布规律。最后,搭建传感器系统,并完成稳态、暂态及角度偏差测试,检验电场信号的幅值测量精度及稳定性。结果表明,所提传感器电场幅值测量误差约为1.914%±0.03%,同时传感器具有较好的抵抗角度偏差的电场测量能力。

基于三向磁传感器的电极性测试技术

针对航天领域传统电极性测试准确性低、操作复杂等缺点,CZ-4型号优先使用一种基于三向磁传感器的电极性测试技术,实现使用一个三向磁传感器模块即可测取一个机组的磁场矢量值,并通过软件进行识别判断,从而测试阀门电极性的技术,该技术有效提升90%测试准备时间,减少2/3的测试人员数量,已在多个运载领域型号火箭完成应用测试,测试效果良好。与传统方法相比,具有操作简单、智能化、安装数量少、安装方便、测试可靠性高和可推广性强等优点。

差分式太阳敏感器在航天器上的应用

航天器普遍采用差分式太阳敏感器进行太阳矢量及太阳角的确定。针对差分太敏在航天器在轨定姿应用中存在的问题,该文对根据电池片输出电流确定太阳矢量的方法进行了严密推导,分析了光阑厚度对电池片光生电流乃至对太阳矢量确定的影响;对太敏的视场进行了详尽分析,确定了太敏的有效视场,并针对太敏无效视场设计了对杂散光进行遮挡的遮光板。通过具体的仿真算例确定了太敏的有效视场尺寸(为标称视场的96%)及遮光板尺寸,并分析了光阑对太阳矢量确定精度的影响。相关分析为太阳敏感器的工程应用提供了指导。

航姿系统矢量传感器非对准误差及其校正

航姿参考系统中三轴磁强计与三轴加速度计常采用椭球拟合法进行误差校正与补偿,其缺点是校正后不同传感器之间以及传感器坐标系与载体坐标系之间往往还存在非对准误差。由定量分析得知此类非对准误差所引起的航姿参考系统航向角误差具有常值误差与半圆罗差之和的形式。利用地磁矢量与重力矢量的点积为常数这一性质,并结合三维旋转矩阵的小角度近似表达式,对椭球拟合法校正后的传感器非对准误差进行了补偿,在不同磁干扰条件下均可使校正效果得到改善,航向剩余误差(均方根)平均减小30%以上。

一种新型低频声矢量场采集系统的设计与实现

针对低频声矢量场测量技术,设计和实现了一种声矢量场探测系统。其特点是将矢量水听器、信号采集设备、罗经与电源集成一体,传感器输出的模拟信号直接在其内部进行模数转换,避免了模拟信号由于长距离传输所造成的衰减和干扰,且易于布放回收。该系统可同步测量声场空间的声压和质点振速3个正交分量的数据,所得到的数据即可以采用自容式存储在系统内部TF卡中,亦可通过经优化设计的带宽3 MB/s的高速RS485总线实时传输。回收内部数据时可通过Mass storage协议利用预留USB接口来实现读取数据,无需开启罐体。该系统进行了实验室验证实验,并以潜标的形式进行了海上试验,对爆炸声信号进行了测量并对获得数据进行处理。结果表明,该系统工作可靠稳定,系统平均功率为350 mW,准确地获取了声矢量信号数据,可广泛应用于低频声矢量场探测领域。

航姿系统矢量场传感器校正的双内积法

三轴磁强计与加速度计广泛用于航姿系统中,针对其误差补偿问题,提出一种基于双内积的校正方法。该方法利用了地磁场和重力矢量自身模值守恒,以及二者在旋转轴上投影的不变性。该方法能克服基于椭球拟合的校正方法无法补偿非对准误差的缺陷,实现三轴磁强计及加速度计的完全校正。实验结果表明,该方法能有效改善航姿系统的精度且操作简便。

基于双电磁矢量传感器的近场源多参数估计

基于双电磁矢量传感器(EVSs),提出一种新的近场源频率、波达方向(DOA)、距离和极化参数联合估计方法。该方法首先计算近场源的频率以及其在两个电磁矢量传感器处的二维DOA和极化参数,然后利用几何方法或搜索方法,得到近场源的距离估计。该方法仅需要两个电磁矢量传感器,节约了阵列孔径,适合于阵列孔径有限的场合。估计过程中仅需一次互相关以及特征分解等简单的运算,且各参数自动配对,节省了运算量。实验结果验证了该方法的有效性。

由矢量水听器阵反演海底地声参数

矢量水听器能同时测量声压和质点振速信号,为了对这些信息在海底地声参数反演中加以充分利用,根据声传播理论研究了不同号简正波对声矢量场的影响,并在此基础上提出了一种将声压和质点振速相联合的地声反演方法.理论与实验研究表明,对声压和质点水平振速而言,低号简正波往往占主要贡献,而对于质点垂直振速,高号简正波的贡献更大.海底地声参数反演的数值仿真与实验结果表明,基于矢量水听器阵的地声反演方法可以有效降低海底声学参数反演的不确定性.这为矢量水听器应用于海洋环境监测提供了一种新方法.

基于优化向量场直方图法的机器人避障方法

为解决移动机器人在未知环境下的路径规划问题,从多传感器信息融合入手,研究了基于向量场直方图法的移动机器人避障方法,分析了向量场直方图法的特点,并对向量场直方图法进行了优化;仿真结果表明:该方法能在复杂未知环境中避开障碍物并寻找最优路径,验证了该优化算法的正确性和有效性。

压差式矢量水听器驻波场校准实验研究

压差式矢量水听器的校准一直是国内尚未解决的难题,针对此问题设计了一种基于光纤传感的压差式矢量水听器,对其传感原理进行了理论分析,为其设计了驻波场校准方案,对驻波场校准此类压差式矢量水听器进行了理论分析和计算机仿真,最后对此压差式矢量水听器进行了声压灵敏度和方向性的测试,实验结果与理论分析和计算机仿真比较吻合.这些研究对压差式矢量水听器的应用具有重要的意义.

基于MUSIC算法的近场空速估计

研究了基于声矢量传感器阵列的近场空速估计问题。首先，在声矢量传感器近场阵列输出模型的基础上，考虑声波在连续、均匀稳定气流中的传播原理，构建了稳定气流作用下近场质点振速测量模型，模型导向矢量中包含了待估计的空速信息。在此基础上，提出了一种近场空速估计的MUSIC算法，为评价算法估计性能，推导了空速估计的克拉美-罗界表达式。仿真实验验证了算法的有效性。

一种新型工频磁场测量仪的设计

针对工频磁场测量的灵活性和便携性需求,提出了一种测量仪可任意姿态放置的工频磁场测量仪设计方案,该方案把加速度传感器和磁场传感器结合起来得到工频磁场水平方向和竖直方向上的分量,而无需对测量仪进行调平操作。该磁场测量仪包括三轴磁感应线圈、信号调理和A/D转换电路组成的磁场传感器模块及控制与处理模块、加速度传感器模块、存储和显示模块等部分。初步试验表明该方案可行,解决了传统工频磁场测量仪测量磁场水平分量和竖直分量需要调平的问题,结构简单、使用灵活,有一定的开发应用价值。

基于卡尔曼滤波的无速度传感器矢量控制系统

从卡尔曼滤波器的理论出发 ,结合感应电机数学模型 ,设计了获取异步电动机转子位置、转子速度和转子磁通的扩展卡尔曼观测器模型 .仿真结果表明 ,该方案能使系统获得良好的动态性能 ,对负载扰动具有很强的抑制能力 。

基于钢丝绳弱磁在线检测技术的研究

阐述了钢丝绳弱磁检测技术的原理,介绍了利用自身实验室的工作条件,在室内新型钢丝绳—滑轮综合性能试验机上安装弱磁钢丝绳定量检测系统,在线检测钢丝绳的断丝、磨损、疲劳和锈蚀等情况,对弱磁钢丝绳定量检测系统的应用进行重复性和一致性的试验,分析了相关数据,总结了试验所得出的结论,为弱磁钢丝绳检测技术的改进提供经验。

基于高阶ESPRIT的单声矢量水听器近场声源定位

为避免传统近场定位算法需要三维搜索,计算量大的问题,该文结合高阶累积量提出一种适用于单矢量水听器近场声源定位的旋转不变子空间(ESPRIT)算法。首先通过定义一系列的四阶累积量矩阵,获得了3个不变性矩阵,然后从这些不变矩阵中提取近场源的位置信息,该方法可以得到目标的方位角、俯仰角和距离的封闭形式的解。最后通过仿真验证了本算法的有效性。

磁通集聚器放大磁场分布及矢量选择特性研究

主要针对T型磁通集聚器结构间隙内轴向放大磁场分布特性以及放大磁场矢量,选择性利用三维有限元静磁特性仿真分析及实验验证的方法进行了一系列的分析研究。结果表明,间隙内放大磁场分布均匀区与结构间隙区域具有相似的截面形状,该均匀区的大小与间隙截面积成正比并与间隙距离成反比。另外,通过仿真和实验验证了集聚器能够放大轴向环境磁场强度,缩小横向磁场强度,具有矢量选择特性。该结论为矢量磁传感器增大灵敏度提供了一定的应用基础。