基于虚拟仪器的传感器静态特性测试系统研究

采用虚拟仪器技术,对CSY10B型传感器的输出进行了数据采集和处理,设计了传感器静态性能测试系统。在Windows系统环境下,利用LabVIEW软件编程,构建虚拟仪器,实现了对传感器输出电压的实时测量、显示、记录;同时对其输出电压数据进行数据拟合,确定了其最佳拟合曲线,实现了对传感器的静态特性的自动分析与测定。所提出的传感器静态性能测试系统具有良好的人机交互界面,简单实用。

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。

基于像素标记法的复合材料异型构件均匀性表征

纤维增强陶瓷基复合材料由孔隙缺陷引起的结构不均匀会严重影响构件的宏观力学性能,而整体孔隙率无法有效表征均匀性。针对此问题,提出了一种基于像素标记的空间区块划分方法,实现对异型构件CT扫描体数据的自动分块。在计算出每个区块体孔隙率值的基础上,以孔隙率均值与标准差的乘积为指标,对构件结构均匀性进行定量表征。采用光线投射法对孔隙率进行三维映射,对孔隙率分布进行直观的可视化表征。结果表明:该方法能有效定量表征出异型构件整体及局部均匀性,并从三维角度给出构件局部孔隙率的大小、空间位置信息,为进一步优化制造工艺参数、提高构件服役的可靠性提供了有力依据。

基于GA-BLS方法的手势识别研究

为进一步提升人机交互领域中手势识别的精度和速度,探究肌肉疲劳对手势识别的影响规律,提出了改进的GA-BLS方法,利用遗传算法(genetic algorithms,GA)优化宽度学习(broad learning system,BLS)模型参数,并使用弹性网络回归改进传统的BLS模型。利用所提模型对8种手势下的A型超声信号和肌电信号进行手势识别分析,并与SVM、KNN、RF、LDA等方法进行对比,以验证所研究方法的有效性;将长时间段下的A型超声信号和肌电信号切分成4个数据段,发现随着肌肉疲劳程度的增加,手势识别的准确率均呈现出明显下降的趋势,而且A型超声信号相较于肌电信号具有更好的抗疲劳特性。

变周期亚波长介质光栅多层膜的双重Fano共振特性

现在众多传感结构模型只能对单变量待测样本折射率进行传感检测,为实现不同待测样本的高通量检测并降低环境因素的干扰,提出了一种基于波长调制的变周期亚波长介质光栅多层膜复合结构。以双周期为例进行分析,变周期光栅层由两个具有不同光栅周期的介质光栅A和B组成,通过有限元法对传输特性进行分析,TE偏振入射光以垂直于光栅层表面的方式入射至介质光栅表面,当在介质光栅区域A和B内分别满足相位匹配条件时,变周期亚波长介质光栅会形成GMR,提供两个具有单一窄带的双离散态共振缺陷峰;由于类F-P腔中含有周期性光子晶体,光波传播到光子晶体会产生光子禁带,提供一个较宽频带的连续态。在满足相位匹配条件时,变周期亚波长波导结构中形成的双离散态共振缺陷峰与周期性光子晶体多层介质薄膜构成的类F-P腔中形成的连续态发生耦合,实现双重Fano共振。然后通过探究波导层厚度dw和光子晶体周期数N对传感特性的影响,选择dw=97 nm和N=3,使其达到FOM值最大。最终因变周期介质光栅层是由两种具有不同介质折射率的材料构成,在介质光栅区域A和B的光栅凹槽部分可设置两个传感检测单元,建立基于波长调制的双重Fano共振全电介质传感模型,设置不同的传感检测区域,发现双重Fano光谱曲线在不同传感检测区域内都能随着ns1和ns2变化,间接实现了对待测样本折射率的动态检测,因而可在同一传感结构模型中实现对不同待测样本折射率区间的多变量检测。结果表明,在传感检测单元A内,FR1和FR2的FOM值分别为631.53和463.7 RIU^(-1);在传感检测单元B内,FOM值分别为480.67和834.04 RIU^(-1)。所设计的传感结构模型通过结构参数优化,实现了传感结构的高反射率、高FOM值和较宽的检测范围,对双重Fano共振提供了理论参考,对待测样本折射率的多变量检测具有一定的研究价值。

基于荧光光谱技术和GA-BP神经网络的对羟基苯甲酸甲酯钠含量的测定

对羟基苯甲酸甲酯钠是一种使用广泛的防腐剂,食用过量将会危害身体健康,因此各国对对羟基苯甲酸甲酯钠的用量有严格规定。采用FS920荧光光谱仪分析了对羟基苯甲酸甲酯钠在水和橙汁溶液中的荧光光谱特性,发现水溶液的荧光特征峰位于λex/λem=380/510nm,橙汁溶液两个荧光特征峰,分别位于λex/λem=440/530nm和470/530nm,最佳激发波长为440nm。从实验结果可以看出两者的特征峰发生了明显的变化。经分析得出,对羟基苯甲酸甲酯钠橙汁溶液与对羟基苯甲酸甲酯钠水溶液相比,荧光特征峰发生变化是由橙汁的荧光特性干扰引起的。为了准确测定鲜橙汁中对羟基苯甲酸甲酯钠含量,根据对羟基苯甲酸甲酯钠橙汁溶液在激发波长λex=440nm时的相对荧光强度和对羟基苯甲酸甲酯钠含量的关系,基于GABP神经网络构建了橙汁中对羟基苯甲酸甲酯钠含量检测数学模型,当网络训练过程中误差精度达到10-3时,网络输出与期望的相关系数为0.996,预测样本的平均回收率为99.52%,平均相对标准偏差为0.86%,预测结果较为理想。结果证明,当浓度范围为0.02-1.0g·L-1时,荧光光谱技术和GA-BP神经网络相结合的方法能够准确地测定鲜橙汁中对羟基苯甲酸甲酯钠的含量,此方法具有新颖简便性,同时有望应用于一般饮品中对羟基苯甲酸酯类钠盐含量的快速测定。

基于荧光光谱及矩阵分析的植物油鉴别技术

利用FS920荧光光谱仪测量42个油样（包括36个纯植物油样,3个调和油样和3个混合油样）的荧光光谱,并对其数据矩阵（EEMs）进行归一化处理,确定了植物油特征激发波长及矩阵分析模型。综合分析植物油在特定范围内（激发波长为250～550 nm,发射波长为260～750 nm）的等高线光谱图和特征发射谱线图,将植物油划分为三类;将矩阵分析模型应用于纯植物油鉴别,分类正确率100%;为验证矩阵分析的定量判别能力,对三种混合油样进行分析,得到接近实际配比的分析结果;对市售三种调和油样本进行分析,得出调和油以大豆和菜籽油为基底的结论。通过对植物油荧光光谱的图谱特征和其矩阵模型的分析,证实荧光光谱技术和矩阵分析法对植物油进行分析和种类鉴别的有效性。

基于CCD技术的玻璃测厚系统

针对传统厚度测量方法的弊端,研究了利用半导体激光和线阵电荷耦合元件(CCD)组成的在600℃高温条件下的一套非接触式、在线玻璃厚度检测系统。利用几何光学中光的反射和折射原理对玻璃进行非接触测量,选用TCD1501C线阵CCD作为图像传感器,设计了CCD视频信号处理电路。玻璃厚度测量的精度能达到0.01 mm(测量范围在2～20 mm)。

基于光电多码道技术的嵌入式扭矩测量系统

利用光电转换和传递型扭矩测量原理,设计了一种基于光电多码道技术的嵌入式扭矩测量系统,该系统采用多圈分相位式光孔码盘来增加测量点的数量,提高了扭矩测量精度,同时,该嵌入式结构使硬件电路和软件程序更加简单和智能化,实现了对扭矩的实时测量,并传输到上位机进行显示、存储及数据处理。实验结果证明:本系统成本较低,精度较高,可靠性较好。

基于三维荧光谱特征分析的油种鉴别技术的研究

介绍了运用神经网络进行模式识别的基本原理,将主成分分析法和BP神经网络相结合,提出矿物油三维荧光谱鉴别方案,并进行了系统设计,建立了基本的模型框架.选取矿物油三维荧光谱的特征参量,组成原始特征向量,采用主成分分析法进行预处理,而后选取主成分运用BP神经网络实现油种鉴别.该方法减少了输入变量的维数,消除了各输入变量的相关性,同时简化了网络结构,提高了程序运行的速度.通过实例进行了分析,结果证明该方法有效地实现了矿物油三维荧光谱的油种鉴别,同时该系统也可用于其它物质的光谱识别技术领域.

基于LabVIEW的机床振动信号数据库访问技术的研究

针对用LabVIEW开发机床振动故障诊断系统中对数据库访问的要求,介绍了在LabVIEW中通过LabSQL工具包访问Microsoft Access数据库的基本方法和步骤,通过具体的程序实例,讨论了数据库连接的各种方案以及在Access数据库中存储和查询数据的方法。实际应用表明,该方法可以实现机床实时振动信号的计算机存储,是LabVIEW访问数据库的一种有效途径。

水中石油类污染物的光纤荧光在线测量技术研究

根据水中石油类污染物质的光谱特性，采用荧光光谱技术，结合光纤传感技术和 CCD 探测技术，研制了一种可用于现场测量水中石油类污染物质的荧光光谱测量仪器。鉴于现场环境的特殊性，设计了水中自动取样预处理系统，可以实现真正意义上的实时分析，方便了现场操作。通过现场实验和性能测试，证实了其可行性，可以对水中石油类污染物质进行现场测量，从而进行污染物质的定性识别与定量分析，为水中污染物质监测提供了新的技术手段。

基于Lab VIEW的FBG传感解调技术的研究

结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术,自行设计了一套光纤光栅传感解调系统。系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的光纤布喇格光栅(FBG)波长信号转变成相位信号,通过以Lab VIEW为核心的虚拟仪器系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小。该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响,因此使测量精度提高。虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点。

SO_2吸收光谱特性的实验研究

通过对SO2气体在紫外光区间吸收光谱的分析,以差分吸收光谱技术原理为基础,通过改进数据处理方法,得到了气体浓度与光谱参量间的函数关系,建立了自动监测系统模型,实现了烟道气体SO2浓度的在线实时监测。实验结果表明,监测系统的探测限为3×10-6,最大测量误差为7.4%,基本满足烟道气体的监测要求,且不易受外界环境的干扰,易操作维护,成本低,在环境保护方面具有广阔的市场前景。

窄脉冲半导体激光器峰值功率测试及校准方法研究

提出了一种基于波形分析原理实现窄脉冲半导体激光器峰值功率测量的方法,并研究了测试系统的校准技术。此测试系统主要由数字存储示波器和光电转换装置组成,可直接测量峰值功率。为了保证测量准确度,根据测量电压与激光脉冲功率的比例关系,溯源至标准激光功率或能量来校准此系统。实验以波长900nm,脉宽为200μs和200ns的宽、窄两种脉冲半导体激光器为例,采用不同的校准方法分别对测试系统的比例系数k进行标定,并分析了测量不确定度。

大功率半导体激光器发散角测量技术研究

研究利用一种步进电机和光电转换装置组成的测试系统测量大功率半导体激光器发散角的方法。根据使用要求选择合适的探测元件，设计了测试系统。以波长950 nm，阈值电流200 mA，功率为900 mW的大功率半导体激光器为实验对象，结果显示，发散角测试精度可达到0.1°。在860-1 064 nm波长范围内多次实验，验证了该方法具有的实用精度要求。分析了发散角测量的影响因素。

基于光谱吸收和荧光检测技术的新型光纤气体传感系统(英文)

设计了一个完整的光纤气体测量系统,提高了检测SO2浓度精确度和读取时间。光路检测系统和分配系统相结合,用于实现在气体传感系统中光谱吸收检测技术和荧光检测技术的有效集成,从而可以扩大本仪器的应用领域和测量范围。光源调制锁定检测技术和双光路差检测技术也被结合在该系统中。在测量吸收光信号和荧光信号中,使用高精度空心光子带隙光纤传感探头,实现了较高的精度和灵敏度。实验数据和测量的结果表明,该系统具有较高的分辨率,大约为2 ppm,并且误差小于0.109。

改进的FastICA-SVR结合荧光光谱技术测定1-萘酚、2-萘酚

水作为生命之源与人类的生存息息相关,近年来关于水环境污染的报道越来越多,不容忽视。实验以萘酚的两种同分异构体1-萘酚、2-萘酚的混合物作为研究对象,提出了一种新的算法,通过对混合物的三维荧光光谱进行分析来实现水中萘酚的定性定量分析。利用FS920稳态荧光光谱仪对配制的混合溶液进行扫描得到荧光光谱数据,并对数据进行一系列的预处理去除拉曼散射和瑞利散射的影响。将解决盲源分离(BSS)问题的独立成分分析(ICA)算法应用到荧光光谱定性定量分析问题当中,盲源分离技术就是将测量得到的混合信号作为处理对象进行分解,实现未知系统中源信号的求解,并得到混合矩阵。对混合物中单一物质的识别与测量与盲源分离问题类似。采用基于负熵最大的快速独立成分分析(FastICA)算法对实验数据进行分解,将所有样本的三维荧光光谱数据沿发射波长方向展开成为向量,得到一个大小为(N×M)的矩阵(N为样本数,M为波长数),将该矩阵作为快速独立成分分析的输入进行独立分量提取,输出分别为单组分物质的展开荧光光谱和混合矩阵。FastICA算法的关键是利用牛顿迭代算法得到解混矩阵,但迭代过程中复杂的求导问题会使计算量增大、迭代速度减慢,针对该算法存在的问题,提出用差分法(又称为双点弦截法)代替求导的解决方法。为了验证算法的可行性,用改进后的算法和原有算法分别对荧光光谱数据进行了五次独立分量提取实验,原有算法平均运行时间为17.78s,而改进后的算法平均运行时间为3.22s,比原有算法提高了14.56s,有效地减少了计算量,改善了FastICA算法的迭代速度并且使其收敛性更加稳定。通过实验结果可以看出改进后的算法得到的光谱更接近真实的光谱。利用快速独立成分分析算法分解得到的混合矩阵与物质浓度相关,这是物质定量分析的依据,但它们之间的关系可能是非线性的,采用能实现非线性拟合的支持向量回归机(SVR)进行回归预测,将混合矩阵和实际浓度矩阵分别作为SVR的输入和输出,利用遗传算法(GA)对支持向量回归机的参数进行优化选择,并选择径向基核函数(RBF函数)作为SVR的核函数,建立回归模型,实现对荧光光谱的定量分析。1-萘酚的拟合相关系数(r)为0.998 6,样品回收率(Recovery rate)为96.75%～104.2%,预测均方根误差(RMSEP)为0.119μg·L^(-1);2-萘酚的拟合相关系数为0.998 8,样品回收率为96.8%～105.5%,预测均方根误差为0.1μg·L^(-1),预测结果比较令人满意,符合预测要求。实验证明改进的基于负熵最大的FastICA-SVR算法能实现对混合物中1-萘酚、2-萘酚准确有效的识别和测量,并且改进之后加快了算法的分解速度。

复杂旋转机械扭振测量模型与实验研究

基于Newton力学法建立复杂旋转机械扭振的测理模型,正则变换后用Duhamel积分计算各正则坐标的响应,通过与试验测试数据相比较,验证该模型的有效性,为旋转机械的扭振计算提供新途径。

基于屏蔽技术的经验模式分解改进方法

经验模态分解(EMD)具有优越的自适应性,对非平稳、非线性信号的不同时间尺度可进行正确的局部化处理,然而,当信号组合分量的频率相近时会出现模态混叠现象。针对该问题,提出引入信号屏蔽技术对其改进,通过向原始信号添加一定频率的屏蔽信号,将低频成分屏蔽在高频成分所在的本征模态函数(IMF)之外,而屏蔽信号自身通过加减二次分解取平均值消除对IMF分量的影响。仿真及实际应用验证了改进方法可有效克服模态混叠现象,为EMD改进提供一种新的途径。