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关键词： 布喇格光纤光栅   超声波   损伤识别   有限元仿真   钢轨裂纹  

摘要： 铁路运输作为我国交通强国战略的重要组成部分,目前运营总里程已达15万公里,且仍处于高速建设阶段。钢轨是列车运行的直接载体,由于长期运营和振动冲击,钢轨内部和表面会出现各种缺陷和损伤,如不及时发现和修复会直接危及列车和乘客的安全。目前,钢轨超声损伤检测通常采用压电传感器,然而每个传感器都需要一根电源线连接,很难实现多点复用检测。相比之下,光纤光栅(FBG)具备抗电磁干扰、易复用和耐腐蚀等独特优点,非常适合用于恶劣环境中对长距离结构(例如钢轨)进行损伤探测。因此,本文尝试设计FBG传感器代替压电传感器检测超声波,并应用于钢轨的损伤检测,论文主要工作及结论如下:(1)FBG超声波传感器的结构设计及优化。基于光纤光栅与超声波的作用机理和斜锥聚能原理,通过COMSOL有限元软件对斜锥传感器进行了建模和求解,研究了斜锥结构参数β、d、H、i对传感器性能的影响,设计了一种基于耦合双斜锥结构的高灵敏度FBG超声波传感器,确定了传感器理想尺寸为β=30°,d=10mm,H=12.5mm,i=1.138。(2)斜锥型FBG超声波传感器性能研究。通过3D打印技术制作了一种双斜锥光纤光栅超声波传感器,搭建了宽带光源和窄带光源两种解调系统,通过连续正弦和脉冲超声信号实验研究其传感特性。通过对比双斜锥FBG超声波传感器、单斜锥FBG超声波传感器、裸FBG和压电传感器的性能,发现双斜锥传感器能有效放大超声波信号,提高了信噪比,可检测超声频率范围为20k Hz～150k Hz。(3)双斜锥FBG超声波传感器识别损伤的实验与模拟。通过断铅实验、PZT主动激励钢板实验和COMSOL有限元软件研究双斜锥光纤光栅超声波传感器识别损伤的能力。研究结果表明,该传感器可以有效检测到铅笔芯断裂发出的声发射信号,并可识别出钢板上半径为5mm的孔洞。同时,经COMSOL有限元软件分析表明该传感器能够对钢轨损伤进行定位,同时提高超声信号频率可检测更小的损伤,1.5MHz超声信号可识别约2mm的裂纹。

关键词： 变压器局部放电检测   FBG-FP结合传感器   全方向传感   超声定位  

摘要： 局部放电是变压器存在绝缘劣化的标志,进行变压器局部放电检测与定位有助于及时发现绝缘缺陷。光纤超声传感器具有结构简单、易于复用、抗电磁干扰、灵敏度高等优点,逐渐成为变压器局部放电检测的主要方法之一。然而,现有研究中缺乏对传感器方向响应特性的关注和优化,大多数光纤超声传感器高灵敏检测覆盖的空间范围有限,易造成局放信号的漏检;因此为实现局部放电的灵敏检测与准确定位,需在设备内部多点安装传感器进行联合检测,这将导致安装布点复杂,较难实现现场应用。论文开展了光纤光栅-法珀结合的变压器局部放电全方向超声传感及定位研究,主要工作包括:(1)基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)与法珀(Fabry Perot,FP)传感原理提出了一种FBG-FP结合的变压器局部放电全方向超声传感器,传感探头正面封装FP腔传感膜片,四个侧面封装FBG传感膜片,可灵敏接收不同方向的超声信号。考虑到光在FP腔内的传输损耗进行了FP腔干涉光谱分析;研究了FBG封装方式与长度对超声信号检测的影响;分析了膜片在空气中与液体中的振动特性;基于以上研究进行了传感器的研制。(2)开展了全方向超声传感器的性能测试,结果表明:传感器具有较强的抗油流冲击以及低频声学噪声干扰能力;其FP传感部分与FBG传感部分的高灵敏检测范围彼此互补,避免了明显的检测盲区,可对不同方向超声信号实现灵敏检测;传感器的检测灵敏度高于传统的PZT,可实现典型油纸绝缘局部放电的灵敏检测;温度会改变FBG中心波长及FP腔长从而影响传感器的灵敏度,对该现象加以利用可实现变压器油温传感,实验证明:FBG中心波长与温度近似呈线性关系,基于此特性可确定变压器的具体油温;温度快速变化会使FP干涉光功率直流分量呈快速周期性变化,基于此特性可监测变压器油温变化情况。(3)开展了FBG-FP结合的全方向光纤传感超声信号定位研究。设计了基于Teager能量算子-双门限法的超声特征信号提取方法以去除原始信号中的冗余信息;基于全方向传感器的超声响应特性建立了多层感知机定位模型,研究了学习率对模型训练的影响,并针对过拟合现象使用了权重衰退与Dropout对模型进行优化;最后通过5次5折交叉验证法评估了模型的性能,结果表明优化后模型的预测准确度较高,且具有良好的稳定性与泛化性,可实现超声信号的准确定位。

关键词： 结构光三维测量   相位计算   误差校正   多频混合相移   系统标定  

摘要： 结构光三维测量是一种基于计算机视觉和计算机图形学的视觉测量技术。该技术通过使用单个或多个摄像机和数字投影仪,以非接触方式捕捉物体表面的纹理信息和深度信息,从而实现对物体的三维重建。该技术具有测量速度快、精度高,可以实现无损测量等优点,在工业制造、机器人、机器视觉等领域有着极为广泛的应用。本文以结构光三维测量技术为研究对象,以提高测量精度和系统抗干扰能力为目的,对三维测量技术中的相位计算、系统标定等关键技术展开深入研究,主要研究内容如下:(1)阐述了结构光三维测量的基本原理以及工作流程,包括相位-三维坐标映射模型、相机几何模型以及相位计算、系统标定等关键技术。从理论推导和实验论证两方面分析了基于多频外差法的时域相位计算方法,并对影响相位计算误差的系统噪声、光栅非正弦等主要因素进行研究与分析,为后续相位计算方法的优化奠定理论基础。(2)由于相位计算易受到系统噪声、光栅正弦性、相位计算方式等因素影响,本文从两个方面提高相位计算的精度和稳定性。一方面,针对相位计算中出现的相位跳跃性误差,提出一种基于阈值判别的相位误差校正方法,具体操作是先分别计算出基础相位值和实际相位值,然后设置合适阈值进行逐个像素点相位值的判别和修正误差。另一方面,针对相位计算易受环境噪声影响且光栅条纹对复杂物体轮廓不敏感等问题,提出一种基于多频混合相移的相位计算方法,具体操作是采用五种高低频率结合的光栅条纹来提取相位信息,并通过混合相移算法来提高相位计算效率,该方法在保证计算精度的前提下,提高了系统抗干扰能力。(3)针对实际应用场景中标定图像不清晰、标志点定位不准确等问题,提出一种基于Canny算子和灰度重心法的系统标定方法,通过自适应阈值化和Canny算子精确检测标定图像边缘轮廓,并利用透视变换和灰度重心法来精准定位标定图像标志点的位置,经实验测试,相较于现有方法,本文所提方法的标定精度提升了39%。(4)为满足工业光学测量自动化、实时性的测量需求,设计开发单目结构光三维测量系统。完成硬件平台的设计与软件系统的开发,并实现对气管接头、电路板等工业零部件的三维测量,测量结果表明,本文设计开发的单目结构光三维测量系统测量的物体轮廓清晰、细节得以保留,实现了高精度、高稳定性的工业三维测量需求。

关键词： 灰烬小甲虫   红外感知   减反射薄膜   环状结构  

摘要： 灰烬小甲虫对森林大火具有较强的感知能力,目前世界上有较多种类的喜火小甲虫,而灰烬小甲虫则为其中一种,这些喜火小甲虫均可以感知几十公里外的森林火灾。本文对灰烬小甲虫红外感知器以及单独的红外感知单元进行建模仿真分析,研究了灰烬小甲虫红外感知器结构给自身感知能力带来的优势,并结合仿生学,将结构优点运用在如今的工程零件上。主要研究内容如下:(1)灰烬小甲虫红外感知器内部中空、上表面凹陷结构研究。参考灰烬小甲虫红外感知器电镜扫描图片对其进行简化建模,模型结构分别为:内部中空且上表面凹陷结构、内部中空且上表面非凹陷结构、内部非中空且上表面非凹陷结构、内部非中空且上表面凹陷结构。(2)基于四组模型分析了红外感知器结构表面及内部在相同环境风速及热源参数下的温升变化情况。仿真结果说明具有灰烬小甲虫红外感知器内部中空、上表面凹陷的结构模型的温升最大且高于非中空非凹陷结构4.9%。此外,灰烬小甲虫红外感知器结构内部温度极差为非中空非凹陷结构1.32倍、外表面温度极差为非中空非凹陷结构1.2倍,表明中空、表面凹陷结构加强了灰烬小甲虫感知能力以及感知器热传导速率。(3)基于灰烬小甲虫红外感知单元结构设计出一种新型仿生减反射薄膜结构。对其红外感知单元阵列结构进行光学仿真,仿真确定了减反射薄膜的最佳材料;在此基础上得出了减反射效果最佳模型尺寸,结果表明该结构在波长3-8μm的红外光下的平均反射率为0.278%,较于原模型的平均反射率降低了61%。另外,本文所设计的减反射薄膜在受到红外光照射时具有较好的折射率渐变层,可以用来抵御菲涅耳反射。(4)对红外感知单元环状结构的作用进行仿真分析。对比有环结构与无环结构的温度变化,发现环状结构可以提高结构的温升,并可将光波聚焦在中心突起结构上,同时也可以增加结构自身热传递的能力。在3-8μm入射光波的条件下,有环结构储能比无环结构提高了9.6%,光热转换系数提高了1.7%,降低了入射光反射造成的光能损失。对结构分析可知,有环结构的光热转换效率比原结构提高了15.6%,因此该结构对光热转换过程更加有利。本文的研究对象为灰烬小甲虫,主要研究了小甲虫红外感知器内部中空、上表面凹陷结构对热感知的影响。本文还依据灰烬小甲虫红外感知器上感知单元结构,进行了光学减反射的研究,并用这种结构设计出了一种新型减反射薄膜。

关键词： 光纤布拉格光栅   光开关   微纳光波导   微纳光纤   马赫曾德尔干涉仪   无源器件  

摘要： 随着现代信息量的快速增长,对光电器件的工作性能和集成度的要求越来越高,器件的微型化和集成化已成为光子技术发展的趋势。传统的光波导器件存在能耗高、体积大、响应速度慢等问题,而微纳光波导器件作为研究微纳尺度光子技术的基础,其具有体积小、光场约束能力强、响应速度快、损耗低、易于集成等优点,已经成为当前微纳光子学领域的研究热点之一。本文以此为出发点,用微纳光波导设计并制备了两种高性能的干涉型微纳光波导无源器件,并详细研究和探讨了它们的工作原理、设计制备过程。本文的主要内容如下:(1)理论分析、设计、制备并测试了一种硅基1×8电光光开关芯片。从性能参数、开关单元和移相器三个方面分析了马赫-曾德尔干涉仪光开关的工作原理。根据马赫-曾德尔干涉仪光开关工作原理设计了一种硅基1×8电光光开关芯片,对其结构及制备过程进行了说明,并且对该器件的电学封装和光学封装过程进行了详细的阐述。在外部驱动多通道电压源的辅助下对该光开关进行了开关速度、插入损耗、串扰等主要指标的测试,其响应时间基本小于10ns,平均插入损耗为6d B,串扰小于-20d B。测试结果表明该硅基光开关芯片具有高速、低插入损耗、低串扰等特点。(2)理论设计并实验制备了一种温度不敏感磁流体包覆微纳光纤布拉格光栅的磁场传感器,通过优化微纳光纤布拉格光栅的直径,可以有效地抑制其热效应。优化结果表明:当直径在2.889～2.997μm的范围内,反射波长偏移在±1pm/℃范围内。根据这一计算结果,制备了微纳光纤布拉格光栅直径为2.94μm的磁场传感器,并研究了该传感器的磁场传感特性。实验测量结果表明:直径为2.94μm的微纳光纤布拉格光栅磁场传感器,在20～80℃范围内随温度变化时,其超低温度灵敏度约为0.13pm/℃。当施加磁场从0Gs增加到221Gs时,传感器的布拉格波长红移约为146pm,温度交叉灵敏度低至0.2Gs/℃。该热稳定传感器的磁场响应灵敏度为0.667 pm/Gs,在20℃时的线性度大于0.985。

关键词： 微陀螺   光栅自成像   模态匹配  

摘要： 作为一种测量载体角速率的微型传感器,MEMS陀螺以其小体积、低功耗、低成本等优势,广泛应用于惯性导航、姿态控制和稳定控制平台等领域。现行主流MEMS陀螺以电容检测式为主,受寄生电容和下拉效应影响,精度已达到其极限水平,很难突破。为了进一步提升MEMS陀螺的精度,结合光栅检测精度极限高于电容检测式的优点,本文研究基于光栅自成像效应的MEMS陀螺的结构设计与关键工艺研究。主要内容如下:(1)光栅自成像效应MEMS陀螺检测机理和仿真设计。当陀螺感知外部角速率时,在科氏力作用下质量块带动下层光栅运动,基于双层光栅的自成像效应,通过检测双层光栅的衍射光强变化即可获得角速率信息。通过理论与仿真设计,实现MEMS陀螺的结构和双层光栅的最优尺寸,仿真得到陀螺的驱动频率为8146.7Hz(离面)和7720Hz(面内),检测频率为8147.8Hz(离面)和7719.6Hz(面内),驱动方向品质因数分别为1257.8(离面)和855.7(面内),检测方向品质因数分别为3850(离面)和1393.2(面内),光栅MEMS陀螺灵敏度分别为6.97m V/°/s(离面)和22.81m V/°/s(面内)。(2)光栅MEMS陀螺工艺加工与制造。主要包括设计MEMS工艺流程,对高精度光栅制备工艺和低侧蚀悬臂梁刻蚀工艺进行深入研究,最后对光栅MEMS陀螺结构进行表征测试,结果表明MEMS陀螺的制造误差可保持在5.7%以内,验证了加工工艺的可行性。(3)光栅MEMS陀螺模态匹配控制。通过测试陀螺的驱动和检测频率分别为7083Hz和7112Hz(与仿真结果相比,最大相对误差为8.3%),品质因数分别为810.3和1059.1。为降低由于陀螺制造误差对陀螺灵敏度的影响,提出一种基于电磁驱动的调谐方法,即在驱动导线两端施加偏置电压,使陀螺驱动梁产生拉伸应力,改变特征频率。实验结果表明,当偏置电压为4.6V时,驱动频率可调谐至7111Hz,此时频差小于1Hz,验证了MEMS陀螺电磁驱动调谐方法的可行性,为实现高精度MEMS陀螺惯性测量提供了有力支撑。

关键词： 高中数学   期末考试   试卷设计   命题原则   命题方法  

摘要： 高中数学期末考试属于学业水平考试，要按照学业质量标准和内容要求命制试卷.在命制试卷时，要设计合理的试卷结构，制定命题双向多维细目表，根据考查目标命制试题，制定合适的评分标准.在命制试题时，要坚持导向性、科学性、整体性、适度性和创新性的命题原则，具体可以采用知识点整合、教材例题和习题变式、试题类比、构造逆命题、经典试题特殊化和一般化等命题方法.

关键词： 红外小目标成像   缺失数据补全   图像降噪   截断Schatten-p范数最小化   非局部块  

摘要： 随着电子产品在视觉数据展示层面以及对于信息挖掘层面的要求越来越高,获取的视觉数据结构完整性、信息丰富性等越来越完善。但实际操作过程中由于拍摄设备、拍摄角度及拍摄方式的问题,易获得有较强噪声的视觉数据,使其显现的效果容易差强人意。在红外成像弱小目标检测以及视频背景减除等的实际应用层面上,由于背景复杂多变、目标形态多样、噪声繁杂,导致在设备精度较高的前提下检测的效果也并不完美。对于一个图像数据来说大多数信息是稀疏的(也就是说明这个图像建模后的矩阵是低秩的),故将稀疏部分(即稀疏性度量)与重点部分分开建立模型就显得尤为重要。在含有时间信息维度的时空数据场景的建模中也是探索优化突破的关键技术。本文针对视觉数据的模型,主要研究内容有以下几方面:(1)针对核范数范数最小化方式由于遭受秩分量过度收缩和不同秩分量的同等处理而导致模型缺乏灵活性的情况,提出了一种用于RGB彩色图像去噪的多通道加权截断Schatten-p范数最小化模型。核范数最小化是一种特殊的非凸秩最小化凸松弛方案,对于仍然具有研究挑战性的图像去噪和目标检测中,重点是运用到去噪方法当中以及背景减法中。本文将核范数正则化扩展为最小化加权不同奇异值的Schatten-p范数,且在加权Schatten-p范数优化框架下,投入截断的优化方式。该模型基于彩色图像数据本身带有的特征:各通道的不同噪声强度和非局部自相似斑块,并通过交替方向乘法器求解该模型。(2)同时,首次将多通道加权截断Schatten-p范数最小化模型推广至张量空间,提出了改进型截断Schatten-p范数加权张量红外面片模型,使用交替方向乘子法框架搭载求解方式,并使用一些非凸惩罚代替L1范数惩罚。由于Schatten-p范数比核范数在张量分解补全等性能上更为灵活优效,也增添了截断Schatten-p范数的优势,在已有的张量核范数的研究下可以看出该方法的适配度。此方法的特点是对分布于多维成像数据中的非局部自相似性以及稀疏线性逼近中的相似斑块进行分组,且在文中将其应用于基于时空张量模型的红外成像目标检测。在在红外目标检测定性定量分析实验的结果表明该方法更优,视觉结果也显示出改进后的方法比其他方法效果更好,且获得的目标结构信息完整度更高。(3)针对大多数稀疏度较高的灰度视频数据,提出了一种张量非凸稀疏度量稳健主成分分析模型。稀疏建模作为分析数据的一种前景广阔的方法,在整个计算机科学与工程界有着举足轻重的地位。而背景减除是计算机视觉、目标检测跟踪等方面的一项关键技术。对于大多数自然数据来说,同样需要从少部分观测张量中恢复一个低秩张量,而稀疏数据中去噪也尤为重要,在处理这些数据中使用去噪算法作为基于模型反演的先验。而将全局截断奇异值分解与局部鲁棒主成分分析结合,能够利用更多空间信息。在建模为低秩张量的视频算法中显示使用非凸惩罚函数的模型具有很好的前景分离与背景减除性能。