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关键词： FBG   形状传感   圆柱形结构   仿真模拟   实时性  

摘要： 随着国家科学的不断进步,技术不断创新,对基础设施的健康监测手段也更加先进。结构的监测一般都是对结构形状变化的监测,因此实现对结构形状的准确测量是极为重要的。在过去的几十年中,光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg grating,FBG)作为一种新型的光学传感元件,具有小尺寸、抗恶劣环境、抗电磁干扰、耐腐蚀性、高灵敏度和准确度等优点并得以飞速发展,在多个领域中已经广泛应用。最热门的研究之一就是光纤光栅形状传感。国内外的许多学者都因FBG的优点,对研究形状传感技术的应用产生极大兴趣,也取得了一定的研究成果。尽管在应用领域方面涉及很广,但是研究的大多数结构都属于非封闭型,因此本文提出的基于光纤光栅形状传感技术在圆柱形结构的应用不仅可以丰富研究结构类型,还可以为已有的应用领域提供潜在的研究对象。本文旨在研究基于光纤布拉格光栅传感技术应用于圆柱形结构中的形状监测,并具有高精度和实时性的特点。其主要的研究工作如下:(1)对FBG的发展背景做简要的概述,介绍FBG具有的优势,对国内外不同应用领域的FBG形状传感的研究情况分别作详细的介绍,提出一种新型的封闭性结构的形状监测,即圆柱形结构。另外还分析了FBG传感器的基本结构和工作原理,阐述形状监测所用的关键技术,进一步提出实验中需要进行的温度补偿技术,对常见的FBG的复用技术和FBG的解调技术进行分析。(2)提出基于FBG传感器的弯曲传感原理和形状重构算法。其中形状重构算法的研究分为两种情况,一是结构形状变化为特殊的椭圆,二是结构形状变化为任意的形状。另外,为了验证重构算法的可行性,比较不同算法的优缺点,分别对其中常用的插值算法做了仿真和分析,结果表明运用三次样条插值的坐标旋转算法的重构精度较好。(3)为验证算法准确性,分析讨论圆柱形结构受到外界载荷发生变形的影响规律,利用软件模拟仿真对圆柱形结构进行形状监测,分别施加外界单载荷和双载荷到圆柱形结构,对因此发生的形状变化进行仿真研究。还针对不同情况的结果进行分析,其中单载荷作用到结构上时,施加载荷的位置受到的应变最大;而双载荷情况下,被固定的位置受到的应变最大,除了施加载荷和被固定的位置的应变数据,其余位置的应变数据都具有对称性;曲率与应变的线性关系也符合理论分析;结构产生相同的形状变化,双载荷情况施加的载荷比单载荷情况大;形状变化为椭圆时,仿真得到的坐标与理论算法计算的坐标的平均相对误差约0.3%,为提出的任意形状重构算法和实验的测量提供了验证支撑。(4)为验证提出的形状重构算法,得到实际还原结果,将圆柱形圆桶作为实验研究对象,搭建完整的形状监测的系统实验平台,对研究对象受到两种不同载荷情况进行形状监测,得到的实验结果与仿真模拟的结果一致,也符合第三章提出的理论分析。使用形状的重构算法得到重构误差在2%以内,重构效果较好,有较高的精确度。此外还实现了可视化软件的设计和实时的形状监测,将实时重构的结构形状并将数据结果显示在计算机的显示屏上。

关键词： 斜拉索   高强钢丝   FBG腐蚀传感器   三维激光扫描技术   数字图像技术   腐蚀分级  

摘要： 拉索作为斜拉桥的重要受力构件,在运营期间拉索钢丝不可避免出现腐蚀,为确保桥梁结构安全,对拉索的腐蚀进行监测显得尤为必要。传统的由电学组成的拉索腐蚀监测设备由于其耐久性差、测量精度低、稳定性不高,难以满足拉索长期监测的要求。提出一种在拉索内部植入光纤光栅(FBG)腐蚀传感器对高强钢丝腐蚀程度进行监测的方法,利用FBG腐蚀传感器的波长改变量反映高强钢丝的腐蚀程度,这种方法具备实时性、耐久性、高精度性。以斜拉桥平行钢丝拉索内镀锌高强钢丝的腐蚀监测为应用背景,采用理论推导、数值模拟、试验研究、统计分析的研究方法,开展基于FBG腐蚀传感器的高强钢丝腐蚀等级评估方法研究,主要内容及结论如下:(1)设计了两种用于拉索内部钢丝腐蚀监测的FBG腐蚀传感器,基于均匀腐蚀假设分别推导利用传感器波长改变量计算钢丝质量腐蚀率的理论公式,并通过参数分析和数值模拟确定传感器的合理设计参数,基于加速腐蚀试验结果对FBG腐蚀传感器的理论公式的系数进行拟合。研究表明:缠绕式FBG腐蚀传感器所能监测的最大质量腐蚀率为3.55%,拉伸式FBG腐蚀传感器所能监测的最大质量腐蚀率为5.47%;两种FBG腐蚀传感器波长改变量与质量腐蚀率呈高度线性关系;两种传感器波长改变量变化趋势均能在一定程度上反映高强钢丝的腐蚀情况。(2)采用三维激光扫描技术对腐蚀后的高强钢丝进行三维重构,结合数字图像技术实现钢丝剩余截面积、蚀坑尺寸等几何参数的自动测量,采用拉伸试验对钢丝的名义极限强度、名义屈服强度、弹性模量、断后伸长率等力学特性参数进行测试,建立腐蚀后高强钢丝几何参数和力学特性参数与腐蚀程度及其分级之间的关系,以及确定FBG腐蚀传感器的波长改变量与高强钢丝腐蚀分级之间的范围。研究表明:随腐蚀程度增加,剩余截面积沿轴向不均匀性、最大腐蚀深度、蚀坑长轴长度、蚀坑短轴长度呈增大趋势,最小截面积呈减小趋势;蚀坑长轴长度、蚀坑短轴长度均服从对数正态分布;名义极限强度、名义屈服强度、断后伸长率呈减小趋势,弹性模量基本无变化。(3)在斜拉桥被更换拉索的生产过程中预埋FBG腐蚀传感器,经过100余天的监测,传感器工作良好,为后续FBG腐蚀传感器的应用打下坚实的基础。

关键词： 压电型张量   C-特征值   部分对称张量   M-特征值   定位  

摘要： 压电张量的最大C-特征值及其对应的左和右C-特征向量在晶体中的压电效应和逆压电效应中起着重要作用,其中压电张量的最大C-特征值决定最大压电耦合常数。弹性材料的弹性模量是四阶部分对称张量,四阶部分对称张量的分量又可看作为双二次齐次多项式优化问题的系数,计算双二次齐次多项式优化问题可以等价地转化为计算四阶部分对称张量的最大M-特征值。本文主要研究张量C-特征值和M-特征值的定位问题。具体内容如下:第一章:给出了压电型张量C-特征值和四阶部分对称张量M-特征值的定义、性质、应用背景、研究现状和预备知识。第二章:首先,给出了压电型张量C-特征值的一个新定位集,证明了新定位集比已有定位集更精确;其次,给出了 3阶3维压电张量C-特征值的直接算法;最后,通过数值算例对本章所得理论结果进行了验证。第三章:首先,构造了四阶部分对称张量M-特征值的一个新定位集,证明了新定位集比已有定位集更精确;随后,基于新定位集给出了M-谱半径的一个上界;然后,将所得上界作为WQZ-算法中的参数,进而使WQZ-算法生成的序列更快地收敛到最大M-特征值;最后,通过数值算例对本章所得理论结果进行了验证。第四章:总结全文,并提出今后需研究的问题。

关键词： 三维测量   光栅投影   点云处理   焊后焊缝  

摘要： 焊接是一种重要的材料成型与热加工技术,其质量好坏会影响整个产品的质量、性能和可靠性。焊后焊缝的检测是提高焊接质量的关键手段。传统的焊缝外观检测依靠人工肉眼及卡尺工具进行简单测量,检测周期长,效率低,精度不高。现有的基于视觉检测技术的焊缝检测大多是基于点或线结构光借助移动平移台等设备对焊后焊件进行扫描来获取焊缝的完整信息,测量精度较高但测量速度受限。为解决焊后焊缝测量的速度与精度无法兼顾的问题,本文研究了基于光栅投射的三维测量原理,搭建了基于光栅投射的焊后焊缝三维测量系统,快速、准确、一次性地获取全视场焊缝表面轮廓信息。对获取的轮廓信息利用点云处理获取焊缝熔宽、余高、直线度等特征参数,并检测出焊缝的焊瘤、咬边、凹坑等缺陷,对保证焊接质量及焊接效率有重要意义。主要的研究内容包括: (1)设计并搭建了基于光栅投射的焊后焊缝表面三维测量系统。针对点线结构光无法兼顾测量速度与精度的问题,采用面结构光光栅条纹投射来快速、准确获取焊后焊缝表面轮廓信息。 (2)研究了焊缝条纹图像相位解算算法。针对焊缝表面形貌复杂、高度变化不规则的特点,提出了一种改进的全变分去噪方法,通过最小化焊缝条纹图像全局的梯度积分之和的方法在滤除噪声的同时保持焊缝的几何特征和细节信息,为条纹解算提供高质量的光栅条纹图像。采用相移法结合多频外差的相位解算方法解决因高度变化不规则导致焊缝表面相位解算不准的问题,提高形貌复杂的焊缝表面测量的适应性和准确性。 (3)研究了基于空间相位映射的三维测量系统模型和标定方法。从光学三角测量模型推演出一种空间相位映射的三维模型,该测量模型通过多项式映射建立了像素坐标及空间相位到空间三维坐标之间的直接转换关系,简化了测量系统的标定流程。通过圆环靶标获取空间点阵列的方法对空间相位映射模型的多项式系数进行标定,该标定方法操作方便,精度高,适合快速、准确地进行焊后焊缝的三维测量。采用标准量块验证标定精度,系统测量量块高度均方根误差为0.0725mm。同时对焊缝进行三维测量,测量的三维点云能准确地反映焊缝表面高度变化不规则的复杂形貌。 (4)研究了焊缝三维点云处理和缺陷检测方法。为了检测焊后焊缝的成形尺寸,对焊缝三维点云采用RANSAC算法拟合焊缝底部平面并结合微切平面法获取焊缝的边缘轮廓,在焊缝底部平面上计算焊缝边缘的熔宽和直线度等特征信息。通过分析焊缝三维点云在焊缝底部平面的位置和高程阈值实现了焊缝表面焊瘤、尖峰、咬边、凹坑等缺陷的检测,点云处理结果显示本文提出的焊缝三维测量系统测量的点云数据能够应用于焊缝尺寸分析和缺陷检测。

关键词： 云制造   制造资源   服务化封装   张量理论   能力需求模型   智能化匹配  

摘要： 云制造是网络化制造与云计算技术相结合的一种新型现代智能制造服务模式,通过网络通信与云计算服务平台,将制造资源提供者的资源和能力通过虚拟化技术存储到云服务提供商中,为制造资源的请求者按需提供高效、智能、及时的云制造服务。云制造通过效用计算、弹性计算、边缘计算等技术实现分散资源的集中管理和集中资源的分散服务。物联化、虚拟化、服务化、协同化及智能化相关技术和理论是目前云制造领域研究的主要方向。本文主要针对云制造资源服务化关键技术领域的相关问题进行研究,重点就云制造服务化涉及的制造资源和能力的描述、存储、发布以及服务的搜索、匹配、组合问题进行研究。本文的主要工作:(1)针对云计算环境下智能制造集中资源分散服务过程中存在的数据异构与资源统一描述问题,利用张量理论在描述异构数据上的技术特点,提出了一种基于张量理论的云资源服务化封装与发布策略。首先将云制造资源划分为制造资源、设计资源以及制造能力三类;其次基于张量理论定义了不同类型云制造资源的张量描述封装模型,根据不同资源服务属性建立低阶子张量,然后利用张量扩展算子对低阶子张量子进行融合,将各类属性信息嵌入至高阶张量空间,实现云制造资源的统一表示;最后,给出了云制造资源的服务化部署及发布策略。(2)针对云制造环境下制造能力与服务需求匹配问题,给出一种多层次云制造能力需求智能化搜索与匹配方法。首先对制造能力服务的类型进行初次筛选,过滤部分发布端能力服务,从而得到符合生产需求类型的服务候选集,然后对能力服务的基本属性、功能属性、状态属性、商业属性以及质量属性逐层进行信息匹配,筛选出满足用户任务需求的能力服务集合供用户选择;利用语义匹配、参数匹配、质量匹配策略解决需求信息中不同类型数据的匹配问题。(3)基于张量理论,在对服务与需求信息统一封装的前提下,开发了云制造资源描述与能力需求匹配原型系统。在本文的研究中,通过引入张量理论解决了云制造资源服务化过程中数据异构的资源统一描述问题,并对服务发布后的需求搜索匹配问题进行了研究,最后在开发的平台中验证了所提方法的有效性,为云制造服务化资源共享提供了一种新的可行性思路。

关键词： 深度学习   磁共振神经成像   原发性面肌痉挛   扩散张量成像   神经血管压迫  

摘要： 第一部分:基于深度学习面神经磁共振图像自动分割目的:基于深度学习构建面神经磁共振图像自动分割模型对面神经进行自动分割,探究基于深度学习的自动分割模型分割面神经的可行性及与放射科医师手动分割的一致性。材料与方法:(1)根据纳入排除标准回顾性收集川北医学院附属医院面神经神经平扫+增强的检查者,图像均由以下两台3.0T磁共振扫描仪(联影u MR790、GE Discovery MR750)进行扫描,收集联影u MR790增强STIR-MX3D序列、GE Discovery MR750增强T2WI3D CUBE fs序列图像。最终纳入本研究的检查者图像共100例。将原始图像导入3D slicer(版本4.11.20210226)软件进行图像分割,并记录分割每例检查者双侧面神经所需时间。采用上海联影医疗科技股份有限公司自主研发的一种基于SE-VBNet深度学习算法,建立面神经磁共振图像自动分割模型,并将测试集自动分割图像重新导入3D slicer软件中进行图像修正,记录测试集每例检查者双侧面神经图像修正所需时间。(2)以人工分割作为金标准,评价构建模型的分割性能,并使用Dice相似系数来评价自动分割与人工分割之间的相似性。采用独立样本t检验比较自动分割后人工修正与人工分割所需时间的差异。结果:(1)共纳入符合纳入排除标准检查者100例,男性39例,女性61例,平均年龄53.12±10.80岁,年龄范围为28～75岁。其中联影u MR790磁共振扫描仪检查者62例,GE Discovery MR750磁共振扫描仪检查者38例。(2)本研究在评价深度学习模型时,以放射科医师人工分割作为金标准,基于SE-VBNet的面神经磁共振图像自动分割模型训练集、测试集及验证集Dice相似系数分别为0.761、0.684、0.718。(3)本研究随机选择10例检查者图像作为测试集,人工分割的平均时间为34.4±3.66分钟,明显大于深度学习模型自动分割后人工修正平均时间9.90±2.28分钟(P<0.05)。结论:本研究基于SE-VBNet构建的面神经磁共振图像自动分割模型能够实现自动分割面神经脑池段至颌骨外段主干,其分割结果与经验丰富的放射科医师手动分割一致性较好,有助于简化复杂、繁琐的分割重建过程,减轻医生劳动强度、提高工作效率,为面神经形态学的进一步高效、大量研究奠定基础。第二部分:原发性面肌痉挛扩散张量成像研究目的:采用扩散张量成像观察原发性面肌痉挛患者组内及与健康志愿者组间DTI参数及CSA差异,探究扩散张量成像能否反应面神经的显微结构变化,并作为临床诊断原发性面肌痉挛的影像学参考依据。探索患者患侧DTI各参数与病程、Cohen分级之间的相关性,了解面神经微观结构的变化与病程、Cohen分级相互作用。材料与方法:招募符合纳入排除标准原发性面肌痉挛患者及与之年龄相匹配的健康志愿者,并采集患者的一般资料及病史,健康志愿者的一般资料,对所有患者进行Cohen分级。所有患者及健康志愿者使用3.0T磁共振(Siemens Skyra,German)及20通道头颈联合线圈进行DTI序列及神经成像序列图像采集,DTI扫描范围为视交叉平面至枕骨大孔。在Siemens ***后处理工作站内神经3D模块进行图像后处理,使用3D-CISS序列多平面重建使重建图像垂直于面神经脑池段,测量点选择根出口点与内耳道口连线中点处,以固定的窗宽窗位测量面神经脑池段中点CSA,测量三次并取平均值。将圆形ROI分别置于面神经根出口区及脑池段进行纤维追踪及DTI参数测量。采用配对样本t检验评估患者组患侧与健侧、健康对照组双侧DTI各参数及CSA差异;采用独立样本t检验比较患者组患侧与健康对照组之间DTI各参数及CSA是否存在统计学差异;采用Pearson相关系数评价病程、Cohen分类与DTI各参数之间是否相关;采用ROC分析评价DTI各参数对p HFS的诊断能力。结果:(1)本研究共收集符合纳入排除标准p HFS患者41例,与p HFS组年龄相匹配的健康志愿者41例。p HFS组与HC组间年龄差异无统计学意义(P>0.05)。p HFS组、HC组双侧面神经脑池段FA值、MD值、AD值、RD值及CSA均符合正态分布(S-W检验,P>0.05)。(2)HC组左侧与右侧面神经DTI各参数及CSA平均值差异无统计学意义(P>0.05)。p HFS组患侧FA值平均值低于健侧,差异有统计学意义(P<0.05),患侧MD值、AD值、RD值平均值高于健侧,差异有统计学意义(P<0.05),患侧CSA与健侧没有明显差异(P>0.05)。p HFS组患侧FA值平均值低于HC组,差异有统计学意义(P<0.05),患侧MD值、AD值、RD值平均值高于HC组,差异有统计学意义(P<0.05),患

关键词： 湿度传感器   氧化石墨烯   聚乙烯醇   三氧化二铝   光纤光栅  

摘要： 湿度测量在工农业生产、航空航天、食品存储、生物化学、交通运输和土木工程等领域有着重要的地位。光纤光栅湿度传感器具有体积小、重量轻、制作简便等特点，不仅可以实现传感器结构和功能上的集成化，而且在远距离传输、分布式组网中优势明显,因此光纤光栅湿度传感技术的研究非常有现实意义。本文通过研究湿敏材料的制备和涂敷技术，设计和制作了三种基于光纤光栅的湿度传感器用于湿度传感测量，理论模拟和实验研究了传感器的湿度传感特性。论文的主要研究内容和结论如下:　　(1)研究并制作了一种基于氧化石墨烯-聚乙烯醇涂敷光纤布拉格光栅的湿度传感器,对传感器的湿度响应特性进行了实验探究。实验结果表明，当氧化石墨烯和聚乙烯醇的混合比例为9∶1,涂敷厚度为89μm时，在50％～60％RH湿度范围内，湿度灵敏度为2.3pm/％RH;在60％～70％RH湿度范围内;湿度灵敏度为7.7pm/％RH;在70％～80％RH湿度范围内，湿度灵敏度为47.2pm/％RH;在30～90℃温度范围内，传感器的温度灵敏度为11.2pm/℃;稳定性实验表明传感器的测量误差为0.0647％RH;呼吸测试表明传感器的响应时间和恢复时间分别为1.33s和4.55s。　　(2)研究并制作了一种基于三氧化二铝-聚乙烯醇涂敷光纤布拉格光栅的湿度传感器,对传感器的湿度灵敏度与湿敏涂层厚度的关系进行了实验探究。实验结果表明，当三氧化二铝和聚乙烯醇的混合比例为1∶9,涂敷厚度为80μm时，传感器在湿度范围为47％～62％RH时的灵敏度为5.4pm/％RH,62％～74％RH时的灵敏度为51.7pm/％RH;在30～70℃温度范围内，传感器的温度灵敏度为13.9pm/℃;传感器的不稳定性误差为0.03％RH,响应时间和恢复时间分别为3.4s和11.68s。　　(3)研究并制作了一种基于腐蚀光纤布拉格光栅的湿度传感器，首先使用氢氟酸将光纤布拉格光栅的直径腐蚀至50μm,然后通过浸涂法在光纤布拉格光栅表面涂敷三氧化二铝-聚乙烯醇湿敏薄膜，最后对光纤布拉格光栅湿度传感器的湿度灵敏度进行了实验研究。实验结果表明，当三氧化二铝和聚乙烯醇的混合比例为1∶9,涂敷厚度为60μm时，在湿度范围为40％～58％RH时，湿度灵敏度为6pm/％RH,58％～70％RH时，湿度灵敏度为32.3pm/％RH。在25～70℃温度范围内，传感器的温度灵敏度为14.2pm/℃;不稳定性误差为0.0745％RH,响应时间和恢复时间分别为1.94s和5.19s。　　上述光纤光栅湿度传感器的制备工艺简单、结构紧凑、成本低廉、重复性好，而且湿度灵敏度较高，这对基于光纤光栅湿度传感器的研制和应用具有一定的借鉴意义。

关键词： 波动方程   耦合方程组   阻尼项   破裂   生命跨度  

摘要： 本文研究一类带组合非线性项的波动方程解的破裂,一类变系数波动方程耦合系统解的破裂,一类带阻尼项的波动方程耦合方程组解的破裂.利用检验函数方法和迭代方法证明几类波动方程解的破裂性态.具体内容安排如下.第一章主要阐述非线性波动方程的物理背景及其意义,国内外研究现状,并介绍本文的主要研究内容以及研究结果.第二章在外区域上研究带散射阻尼项、位势项和组合非线性项的变系数波动方程的初边值问题.通过构造乘子,利用检验函数方法和迭代方法,证明问题的解会在有限时间内破裂,进而得到解的生命跨度估计.创新之处在于当V(x)0时,将文献[13]中研究的问题推广至外区域上带位势项的变系数问题;当V(x)=0时,将文献[13]中研究的问题推广至外区域上变系数问题;当V(x)K时,将文献[14]中所研究的问题推广至外区域上带负位势项的变系数问题.第三章研究带阻尼项和负质量项的波动方程耦合方程组的初边值问题.在次临界情形利用检验函数方法和迭代方法得到解的破裂结果以及生命跨度估计;在临界情形,通过引入辅助函数,得到解的破裂及其生命跨度的上界估计.第四章讨论带阻尼项的波动方程耦合方程组的初边值问题.创新之处在于将全空间中含有弱阻尼项的波动方程耦合方程组推广至外区域上含有散射阻尼项和弱阻尼项的波动方程耦合方程组.运用迭代方法和检验函数方法,在不同维数情形研究问题解的破裂性态,并且给出其生命跨度估计.