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2025年 46卷 10期
刊出日期：2025-10-28
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1403 基于分阶段控制策略的超高精度电子天平的重复性研究
陈俊杰 孙鹏鹏 罗哉 江文松 王健
摘要：超高精度电子天平的重复性是影响其测量精度的重要指标之一。针对传统 PID 控制方法在高精度称量过程中容易受环境扰动影响、导致测量值波动的问题，本文提出了一种分阶段控制策略，以提升超高精度电子天平的重复性。该方法在动态控制阶段，采用频域震荡法整定 PID 参数，以优化控制系统的响应特性，提高测量过程的快速性和平稳性，并在准静态平衡阶段，利用最小二乘法拟合系统位移系数，实现位移补偿，减少机械因素对测量结果的影响。实验结果表明，该控制策略能够有效抑制称量过程中的波动，提高短时间内测量结果的一致性，显著优化超高精度电子天平的重复性。该研究为超高精度质量测量提供了一种有效的控制方法，可应用于精密称重和微量分析等领域。
2025 Vol. 46 (10): 1403-1410 [摘要] ( SSI ļʱ
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1411 柔性微型阵列式聚偏二氟乙烯压电传感器
祁一洲 吴彬彬 陈颖 叶柳顺 熊永昌 张生林 滕乙超 赵圣浩 张正昕 张春雷 周涛 肖建亮 唐瑞涛 傅棋琪
针对可集成在大曲率表面且能够测量多点动态压力的功能需求，设计了一种柔性微型阵列式PVDF（聚偏二氟乙烯）压电传感器。首先，针对PVDF压电薄膜的特性和应用场景设计了传感器结构，确定了传感器的工作原理；然后，建立了具有4个阵列单元的压电传感器的仿真模型，计算了压电传感器的理论测压能力，通过力电耦合仿真验证了传感器具有良好的动态响应能力和独立的阵列测压能力；最后，利用微加工技术制备了具有4个传感单元的柔性微型PVDF压电传感器，搭建了液体环境下的测压实验平台，实现了压电传感器在液体动态压力下的灵敏度标定，所测传感单元灵敏度为19.67 mV/kPa，阵列测压实验表明传感单元的压电响应趋势与被测压力一致，验证了传感器具备阵列采集动态信号的能力。
2025 Vol. 46 (10): 1411-1418 [摘要] ( SSI ļʱ
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1419 激光测振仪的光频率调制校准方法
梁志国 王宁 梁家奕l
针对宽频率范围的激光测振仪计量校准难题，提出了一种使用串联声光调制器对的激光频率调制方法，用于实现宽频率范围激光测振仪的计量校准。其特点是，不使用机械振动方式产生振动激励，而直接利用射频信号源产生FM电压信号，进而用于控制声光调制器，将单频激光变成FM光频信号波形，以模拟振动产生的激光多普勒效应，对激光测振仪进行计量校准，将其量值溯源到FM电压信号的时间频率量值上。在一种外差式激光测振仪上的多组校准实验，验证了本文所述方法的正确性与可行性，且具有校准频率范围宽、幅度范围大、波形稳定、失真度低，校准装置小巧灵活、便于携带、无需隔振地基等其它辅助条件要求，可用于激光测振仪的计量校准。
2025 Vol. 46 (10): 1419-1425 [摘要] ( SSI ļʱ
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1426 基于振动校准的温度控制方法研究
张宇 左爱斌 彭月祥
振动传感器温度响应校准实验中，半封闭式温控箱温度控制超调量大且控制精度低。针对此问题，提出了一种遗传算法优化模糊控制规则的Smith预估模糊PID控制方法。该方法通过Smith预估控制器通过补偿滞后环节减小控制系统超调量，并采用遗传算法优化模糊规则以减小模糊控制器的不确定性，从而提高控制精度。经仿真分析可知，该方法减少了温度控制系统超调量，有效的优化了模糊控制规则，增强了系统抗干扰能力与控制精度。采用该控制方法进行温度控制实验，实验结果表明该温度控制方法超调量小于0.7%，控制准确度小于1℃。
2025 Vol. 46 (10): 1426-1432 [摘要] ( SSI ļʱ
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1433 基于CoAtNet模型的多传感器信息融合刀具磨损预测
李亚 尚轩丞 王海瑞 朱贵富
基于长短时记忆网络（LSTM）与CoAtNet网络，提出了一种刀具磨损预测模型。在时域、频域、时频域中提取传感器信号特征，并通过孤立森林算法进行信号特征异常值处理，再将其输入预测模型中获得刀具磨损预测值并通过Hyperband算法优化模型超参数。应用PHM2010数控铣床刀具数据集验证训练模型的预测精度，实验结果表明，所提模型的决定系数相较于原CoAtNet和LSTM网络模型平均提升了12.73%、16.44%。
2025 Vol. 46 (10): 1433-1445 [摘要] ( SSI ļʱ
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       几何量计量
1446 空间三角形大长度激光测量装置系统参数自标定方法研究
伏鹏 胡煜 缪东晶 蒋远林 王珉 铁铮 唐小聪 李连福 李建双
在空间三角形大长度激光测量系统中，由3路激光干涉仪组成的空间三角形边长是影响激光测量装置精度的重要因素，需要对其进行准确的测量。当空间三角形的边长测量准确时，空间三角形大长度测量装置能够消除阿贝误差。然而，在实际操作中，测量装置需要检测不同的仪器，三条激光干涉仪的位置可能发生变化，这导致空间三角形的边长无法被准确测量，仍然存在剩余阿贝误差未能消除。为了评估空间三角形边长对剩余阿贝误差的影响，将空间三角形的边长定义为测量装置的系统参数，在分析阿贝误差消除原理的基础上，考虑测量装置的系统参数对剩余阿贝误差消除的影响，提出了基于非线性最小二乘法的系统参数自标定方法，通过仿真优化，表明优化后的激光测量装置精度显著提高；并通过空间三角形内侧和外侧两组实验验证，结果表明在80m测量范围内，当参与自标定方法的第4台激光干涉仪在空间三角内外侧时，3组实验最大误差分别从2.49μm、2.60μm、2.57μm减小为0.59μm、0.75μm、0.63μm；当参与自标定方法的第4台激光干涉仪在空间三角形外侧时，3组实验最大误差分别从4.01μm、3.46μm、3.61μm减小为1.62μm、1.39μm、1.79μm，验证了系统参数自标定方法具有有效性，能够实时获取系统参数，提高了测量装置精度和检测效率，有效解决了剩余阿贝误差的问题。
2025 Vol. 46 (10): 1446-1453 [摘要] ( SSI ļʱ
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1454 基于双CCD相机标定的面形测量中反向激光共线性位姿检测方法
罗明哲 李加福 张楠 董钧港 杜华 朱小平
本文针对面形测量中反向激光共线性的高精度要求，提出了一种基于双CCD相机的激光位移传感器光轴位姿测量方法。此方法采用单束激光的反射共线性路径，以左像平面图像坐标系为xoy基准面，结合光栅尺构建z轴，建立了测量系统的三维坐标系，由两台CCD相机连续捕捉光斑中心坐标，通过多点拟合确定激光光轴直线方程，并提出了一种新的位姿关系计算方法，通过坐标系转换直接计算两束激光的位姿关系。优化了传统的单CCD相机检测方法，减少了分步标定引入的人为误差，提高了检测效率。实验结果表明，调校前两条激光束夹角为0.337°，距离为2.179mm，经调整后，夹角降低至0.054°，距离减少至0.431mm，表明本方法可实现光轴夹角亚角分（<0.1°）与光轴偏移亚毫米级（<0.5 mm）的位姿检测精度。该方法有助于定量分析面形测量中激光不共线引起的测量误差，同时，优化了传统的单CCD相机检测方法，使检测过程更简便，引入的误差因素更少。
2025 Vol. 46 (10): 1454-1460 [摘要] ( SSI ļʱ
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       光学计量
1461 YOLOv5-LED水母识别分类算法
高美静 尹浩正 傅昊翔 王昆达 燕永浩 解运佳
水母灾害的频繁发生直接或间接地给海洋生态系统和人类活动带来不同程度的影响。因此，对水母实时检测和识别具有重要的理论和实际意义。针对水母识别分类算法存在精度低、实时性差、识别种类少等问题，提出YOLOv5-LED（YOLOv5 with Light-weighted Enhanced multi-Detection）水母识别分类算法。首先，设计了G-Conv模块、G-BottleNeck模块和G-C3模块，并在此基础上构建基于Ghost的特征提取模块；其次，提出四尺度特征检测头结构，设计了基于双向跨尺度PANet的特征融合结构并引入CBAM注意力机制，构建了一种新的水母检测与识别算法模型YOLOv5-LED；最后，改进了目标框损失函数，引入了基于KL散度的分布损失函数来替代交叉熵损失函数，对候选框生成算法进行了改进，且引入了基于Cluster NMS的方法来替代YOLOv5中的加权NMS算法。实验结果表明，这些改进在提高精度的同时，减少了一定的参数量和计算量，实现了网络轻量化。消融实验进一步验证了各模块改进的可行性与有效性。改进算法在海洋环境监测、生态研究和资源保护等领域具有一定的应用前景和社会经济价值。
2025 Vol. 46 (10): 1461-1469 [摘要] ( SSI ļʱ
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1470 基于电光调制的布里渊光时域反射仪频移参数校准方法
孙小强 周轩羽 傅栋博 陈龙泉 张大元
提出了一种基于电光调制技术的布里渊光时域反射仪频移参数校准方法，将微波信号以双边带调制方式加载到光信号上并进行功率衰减，模拟出实际光纤链路中产生的背向布里渊散射信号。通过调节信号发生器输入信号的频率，来完成调制边带信号频率的调节，实现大频率范围不同频率点的布里渊频移参数校准，经过实验验证及不确定度分析，布里渊频移测量不确定度达到0.04 MHz（k=2），满足布里渊光时域反射仪频移参数的量值溯源需求。
2025 Vol. 46 (10): 1470-1474 [摘要] ( SSI ļʱ
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1475 基于YOLOv8-seg的近场MIMO-SAR危险目标检测方法研究
林纪闳 张远辉 刘康 张华峰 李运堂
针对现有目标检测方法检测近场合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)图像容易出现漏检、误检，精度低等问题，提出了基于YOLOv8-seg的近场多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)-SAR毫米波图像目标检测算法，实现近场危险目标检测。将骨干网络和颈部网络的CBS(Convolutional-Batchnormal-SiLu)替换为GhostConv，减少算法参数，实现算法轻量化；利用RepViT Block替换CSPDarknet53中的Bottleneck设计了C3-RVB模块，替换颈部网络中的C2f模块，增加算法特征提取能力，提高检测精度；将YOLOv8-seg的损失函数CIoU替换为Inner-EIoU，引入缩放因子控制辅助边界框尺度，增强算法泛化能力；搭建了包含五类危险目标的MIMO-SAR数据集。实验结果表明：改进的YOLOv8-seg算法mAP@0.5和参数量分别为97.3%和2.56M，检测精度高，有效解决常规算法容易出现漏检、误检问题，同时算法参数少，检测速度快，并通过3DRIED数据集验证改进算法具有较好泛化性。
2025 Vol. 46 (10): 1475-1485 [摘要] ( SSI ļʱ
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       流量计量
1486 基于Calderon引导的深度学习ECT图像重建研究
温丽梅 李成华 山雨泽 马敏
针对电容层析成像中逆问题的病态性所导致的重建图像失真和伪影问题，采用Calderon引导的深度学习方法设计了一种多尺度自适应残差网络结构，可自适应调整卷积核的大小，从而更好地捕捉多尺度信息，高精度地重建图像。实验表明，与灵敏度算法、直接成像算法和卷积神经网络（CNN）相比，所提出的方法在视觉效果和客观评价指标方面都取得了较好的结果。实验结果表明，使用Calderon预成像结果作为多尺度自适应残差网络输入，CORR达到0.94以上，与使用电容测量值作为网络输入相比，CORR提高了4.9%以上，降低了从流型中提取特征的难度，增强了网络识别能力，可获得更高的成像质量。
2025 Vol. 46 (10): 1486-1493 [摘要] ( SSI ļʱ
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1494 基于稀疏先验和膨胀残差网络的两阶段电容层析成像重建方法
刘均芝 张立峰
针对电容层析成像图像重建过程中因不适定性导致图像重建精度低的问题，提出了一种基于稀疏先验和膨胀残差网络的两阶段图像重建方法。首先，利用重建信号的稀疏先验特性，引入 Bregman 距离构建目标函数，并通过贪婪 Kaczmarz 方法（GKM）求解以获得初始介电常数分布。随后，以U-Net神经网络模型为主干模型，引入全局残差模块对初始介电常数分布进行多尺度特征提取。最后，进行了仿真和静态实验，并与线性反投影（LBP）和U-Net模型进行了比较分析。结果表明，该两阶段算法不仅表现出优异的鲁棒性和稳定性，提高了图像重建精度，而且适用于实际的ECT成像系统。
2025 Vol. 46 (10): 1494-1500 [摘要] ( SSI ļʱ
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1501 外夹式超声流量计在双平面弯管扰动下游的优化测量方法研究
杨中智 甘泉露 王卫 刘幸 张露露 黄一洋 李霞
外夹式超声流量计是开展气体流量计现场检测工作的重要工具，但其测量准确性受实际流场影响较大，应用场景也因此受限。为了优化这一问题，通过试验和数值模拟相结合的研究方式，获得了工业典型的双平面90°弯管扰动下游的流场分布与演变规律，以及该扰动结构对流量测量准确性的影响。研究表明，在扰动下游，采用传统的单通道传感器对角或反射布置方式测量时，流量偏差很大程度上依赖于传感器的安装位置和角度，这引入了很大的不确定性和偏差，也导致无法通过定量的系数修正测量结果。采用双通道测量的方法则能够提高结果的准确性，当采用两组相对垂直的传感器反射布置路径组合时，能够使扰动下游的测量偏差波动控制在±2%范围内，与安装角度无关，该方法能够为扩大外夹式超声流量计的应用场景提供参考和帮助。
2025 Vol. 46 (10): 1501-1506 [摘要] ( SSI ļʱ
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       电磁学计量
1507 4寸标准测温晶圆研制
党思雨 王光耀 王雪深 孙建平 刘俊茹 李劲劲 曾九孙 蔡晋辉 陈建
集成电路领域从晶圆制造到封装出厂的工艺过程中，温度的精密测量和控制是工艺稳定的关键。中国计量科学研究院正在研制模拟工况的晶圆测温标准装置和装置所需的标准测温晶圆，以解决我国集成电路产业中工艺设备温度的精密测量与校准的关键问题。本文针对集成电路领域曝光段的测温需求，开展了基于Pt薄膜测温电阻的标准测温晶圆关键技术研究。采用磁控溅射技术制备Ti/Pt薄膜，经退火工艺后，通过曝光、离子束刻蚀、化学气相沉积和去胶工艺，实现Pt薄膜电阻的点位分布，研制了4寸标准测温晶圆，并在5~35 ℃范围内，进行电学性能评估，误差不超过0.1 K。在25 ℃时，稳定30分钟后，标准晶圆电阻与标准NTC热敏电阻随温度变化趋势保持一致。
2025 Vol. 46 (10): 1507-1512 [摘要] ( SSI ļʱ
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       无线电计量
1513 基于KDE数据密度剪枝图神经网络行人轨迹预测
王红霞 刘洋 钱楷森
本文针对行人轨迹预测中精度不足和泛化能力差的问题，提出了并行时空密度剪枝的图注意力网络 (ST-DPGAN)。该模型利用核密度估计(KDE)自适应获取数据集密度，并根据密度计算剪枝半径，对行人交互图进行剪枝，有效提高了空间特征提取效率。同时，该模型采用并行方式分别提取时空特征，并进行串行融合，减少时间信息丢失，提升模型对复杂时空关系的理解和预测能力。此外，模型引入图注意力机制(GAT)，为不同邻接节点分配不同权重，进一步细化行人交互作用，提高模型鲁棒性和泛化能力。实验结果表明，本文模型在ETH和UCY数据集上的平均位移误差(ADE)和最终位移误差(FDE)指标均优于多个经典模型，并与前沿模型相比具有竞争力，证明了其有效性和优越性。
2025 Vol. 46 (10): 1513-1519 [摘要] ( SSI ļʱ
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       化学计量
1520 差分吸收激光雷达测量甲烷排放量的研究
臧金亮 武亮 汪洪军 胡宇鑫 林鸿
摘要：甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，由于工业和农业活动导致甲烷大气中含量迅速增高，实现甲烷排放的直接测量对全面控制甲烷排放具有重要价值。甲烷排放测量存在难定量的问题，具有时空分辨能力的差分吸收激光雷达技术是实现甲烷排放精确定量测量的最优解决方案。本文利用可控气体释放装置模拟(3-15) kg/h的甲烷排放情况，对差分吸收激光雷达系统测量甲烷排放量进行了现场实验评估。结果表明，差分吸收激光雷达技术具备精准识别并量化甲烷排放的测量能力，测量排放量不确定度最大来源为风场变化带来的重复性影响，测量甲烷(3-15) kg/h排放量的最大扩展不确定度(k=2)为8.59%。
2025 Vol. 46 (10): 1520-1526 [摘要] ( SSI ļʱ
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       生物计量
1527 基于流式细胞术的尿路感染活细菌快速准确测量技术研究
王润润 王蒙 刘思渊 王梓权 张雅芬 隋志伟
尿路感染是世界上最常见的感染性疾病之一，细菌是引起尿路感染最主要的病原体。尿路感染的快速诊断与治疗效果精准评价迫切需要准确测量活菌数，然而当前活菌数测量仍存在耗时长，不准确等缺点。为了实现对尿路感染中活细菌数的快速准确测量，建立了一种基于流式细胞术（Flow cytometry，FCM）结合叠氮溴化丙锭（Propidium monoazide，PMA）以及荧光原位杂交技术（Fluorescence in situ hybridization，FISH）的新型测量方法，并验证了其测量效果。首先，PMA 可标记膜破损的死菌 DNA；其次基于 FISH 的寡核苷酸探针可特异结合细菌核酸序列，实现细菌广谱标记；最后通过 FCM 检测荧光信号从而实现对尿路感染中活细菌的准确测量。经技术参数优化，该方法能在 1.5 h 内准确表征尿路感染中细菌的活性，并且与活细菌的传统测量方法结果具有良好的线性关系（R2= 0.999），测量范围为（104~108）cells/mL。此外，该方法可高效回收磷酸盐缓冲液和人工尿液中的活细菌（回收率分别为 94.46% 和 95.85%），表明其具有准确测量真实样品的潜力。总之，本研究建立的 PMA-FISH-FCM 方法可以快速准确测量尿路感染中活细菌，为临床尿路感染快速诊断、治疗效果准确评价提供一种有效的技术参考。
2025 Vol. 46 (10): 1527-1535 [摘要] ( SSI ļʱ
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1536 基于Transformer-BiLSTM的脉搏波血压波形预测：一项血压波形溯源研究
刘金城 黄素琴 綦雅婷 胡政 田媛 黄标晟 吴思圻 刘有军 定翔 胡志雄
为提升无创血压计的计量检定精度与血压模拟器的波形生成能力，本文构建了一种Transformer-BiLSTM融合模型的血压脉搏波峰值点预测模型。通过高精度血压数据采集系统获取200名受试者的600例血脉搏波血压数据，并利用自动多尺度峰值点检测（AMPD）算法提取了脉搏波中的关键峰值点及其对应的压力信息。在此基础上，搭建Transformer-BiLSTM神经网络模型，根据输入的脉冲压力点、性别、年龄、收缩压、舒张压、臂围和平均动脉压，输出脉搏波峰幅值点，进而拟合相应的标准血压曲线。模型预测得到脉搏波峰幅值点的MSE为0.1242，R2为0.8629，具有良好的拟合度。在4名代表性患者中，其预测拟合波形与真实波形高度一致（r=0.97，r=0.95，r=0.95，r=0.95，P<0.001），具有良好的预测相关性。此外基于十折交叉验证法，Transformer-BiLSTM的不确定度分析结果u?为1.26，u?为1.73，uq为0.12，uc为2.15，U为4.30。本研究通过输入患者特征，输出个性化的标准脉搏波血压波形，能够为无创血压计的溯源检定提供可靠的基准数据库，为血压测量设备的标准化质控提供了重要技术支撑，具有重要的工程应用价值和推广前景。
2025 Vol. 46 (10): 1536-1546 [摘要] ( SSI ļʱ
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1547 基于微柱阵列的单细胞局部牵引力测量研究
程义军 刘畅
细胞外基质（ECM）作为细胞的结构支持，为细胞迁移提供生物物理和生化线索。地形、材料和表面能通过影响细胞局部牵引力的变化，进而调节细胞在不同表面上的迁移。测量细胞在迁移过程中的牵引力将提供有关细胞与ECM之间相互作用的重要信息，这将有助于设计组织中控制细胞迁移的表面条件。然而，在基于水凝胶的牵引力测量平台上，无法测量不同表面上的细胞牵引力。为了解决这一问题，利用微纳米制造技术开发了微柱顶部没有纳米柱和有纳米柱的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱传感平台，用于测量细胞迁移过程中细胞的局部牵引力。然后设计了用于细胞牵引力分析的实验装置和Matlab程序。实验结果表明，MC3T3-E1细胞在有纳米柱的微柱上（17.4 nN）比在平面PDMS微柱上（10.3 nN）产生更大的总牵引力。并且，在有纳米柱的微柱上播种的细胞，前缘、中部和后缘的牵引力分别为22.2， 12.7和16.4 nN，这比在没有纳米柱的微柱上播种的细胞（14.3、7.6和9.3 nN）要大。实验结果验证了微柱阵列测量细胞在不同表面条件上迁移时的局部牵引力的可行性，为了解平台表面条件、细胞迁移行为和细胞牵引力之间的关系提供了重要手段。
2025 Vol. 46 (10): 1547-1552 [摘要] ( SSI ļʱ
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