2020年, 第41卷, 第10期　
刊出日期：2020-10-28

  

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几何量计量
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  伸缩因子优化机械臂轨迹跟踪控制的误差分析

  王宏涛,蒋汶松,蒋清泽,张强,戴宁

  计量学报. 2020, 41(10): 1177-1183. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.01

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  提出了一种通过伸缩因子在线调节论域来优化机械臂轨迹跟踪控制的变论域模糊控制方法。首先设计了一种与关节角度偏差和偏差变化率动态加权相关的比例-指数混合型伸缩因子;然后,运用时间最优轨迹规划算法获取机械臂笛卡尔空间的期望关节轨迹;最后,基于所设计的变论域模糊控制器实现了一种三关节机械臂轨迹跟踪控制仿真,并分析了轨迹跟踪误差。仿真结果表明: 所设计的基于比例-指数混合型伸缩因子的变论域模糊控制器应用于机械臂轨迹跟踪的控制效果良好,具有响应速度快、无超调、稳态误差小的优点。
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  基于空间位姿测量设备溯源的轨迹规划

  王馨蕊,薛梓,黄垚,张福民

  计量学报. 2020, 41(10): 1184-1191. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.02

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  研究了不同空间轨迹曲线对激光跟踪仪、视觉测量设备等影响,以规划标准路径,保证经济、高效且高精度。以工业机器人为研究对象,建立机器人Denavit-Hartenberg(D-H)参数模型,对其结构和连杆参数进行分析,推导运动学方程,利用MATLAB Robotics toolbox分析验证机器人正、逆向运动学的正确性。在工业机器人运动学模型的基础上进行轨迹规划,分析了在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划方法,在MATLAB Robotics toolbox环境下对三次和五次多项式插值法等多种不同轨迹进行仿真,得出在关节空间中采取高次多项式插值法进行标准轨迹规划的初步结论,验证了关节轨迹的平顺性,保证测量设备的速度和连续性。为后续研究轨迹对不同测量设备的影响,规划标准路径进行测量设备的溯源提供理论基础。
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  改进遗传算法在CMP终点检测的应用

  郑永军,狄韦宇,罗哉

  计量学报. 2020, 41(10): 1192-1198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.03

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  提出了一种基于反射法的化学机械抛光(CMP)在线终点判定方法。首先通过改进的单纯形混合遗传算法(GA),对SiO₂薄膜的膜厚与折射率进行了拟合,再以200～1200nm波段内反射率平均值作为特征值,得到了不同膜厚条件下的反射率平均值参照表。以实时反射率与预设膜厚反射率的差方和、特征值大小及其变化趋势这2个条件作为CMP终点判定条件。实验结果表明:混合算法拟合膜厚平均相对误差小于0.21%,折射率平均相对误差小于1.07%;特征值计算速度快,满足在线动态抛光的时间要求。
  
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  扫描电镜纳米颗粒粒径自动检测算法

  王智,李琪,黄鹭,高思田,孙淼,董明利

  计量学报. 2020, 41(10): 1199-1204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.04

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  基于数学几何学,提出一种扫描电镜纳米颗粒粒径自动检测方法,该方法利用电镜颗粒图像的粒径分布及形状信息,采用长短轴比值和区域面积2种不同参数对颗粒是否团簇或残缺进行判断,实现筛选单个的完整颗粒,并使用MATLAB对不同粒径参数的颗粒宽边缘形状进行提取,运用最小二乘法求出颗粒粒径的像素值,经转化后得到真实值,从而实现了微纳米颗粒粒径的自动检测。试验选取聚苯乙烯纳米颗粒对方法进行验证,结果表明:对于团簇残缺较少的图像,采用长短轴比值和面积2种参数进行筛选均能准确有效提取单点颗粒,但团簇残缺颗粒较多时,采用长短轴比值效果更加准确,且计算颗粒粒径与实际值吻合良好。
光学计量
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  基于深度图像利用BP网络实现遮挡边界检测

  张世辉,耿勇,张笑维

  计量学报. 2020, 41(10): 1205-1211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.05

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  针对视觉目标存在遮挡的现象,提出一种利用机器学习思想检测深度图像中遮挡边界的方法。首先,根据深度图像中像素点的深度信息和空间信息,定义了一种新的遮挡相关特征——最长投影线段特征;其次,设计了一种非线性归一化方法以便对相关特征进行归一化;最后,将遮挡边界检测视为分类问题,利用BP网络对遮挡边界进行检测,并将检测结果进行可视化展示。与其他方法相比,该方法准确性较高,泛化能力较强。
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  车灯模组的照度检测研究

  修亚男,穆平安,戴曙光,朱婉仪

  计量学报. 2020, 41(10): 1212-1217. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.06

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  针对在车灯模组的照度检测过程中,车灯模组照度图像采集时由于摄像系统安装位置产生的畸变问题,采用平面模板法,通过畸变校正算法对系统进行畸变校正,减小因图像坐标位置失真造成的测量误差;针对摄像系统像面照度不均匀性对图像灰度值的影响,通过照度均匀度校正实验获取摄像系统的校正系数后,采用基于麦夸特法与通用全局优化算法结合的曲面拟合法对校正系数进行处理,得到像素坐标与校正系数的函数模型,实现图像灰度值的校正。对校正后的摄像系统进行灰度-照度标定,建立灰度-照度关系,提高车灯模组照度检测的精度。实验结果表明:车灯模组照度检测的误差基本控制在10%以内,重复性误差小于1%,具有较高的准确性和可靠性。
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  基于曲率约束的点云分割去噪方法

  张玉存,李亚彬,付献斌

  计量学报. 2020, 41(10): 1218-1225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.07

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  在点云去噪处理过程中,为提高对曲率变化较大区域的去噪效果,提出基于曲率约束的点云分割去噪方法。该方法通过曲率约束点云数据使模型特征得到有效保持,构建噪声光顺的映射函数使得噪声点回归光顺,能够避免使用传统滤波对点云数据模型产生过光顺,对后续处理奠定一定基础。实验表明,该方法相对于双边滤波能够有效地保持模型的特征,保留模型边缘信息,去除噪声效果更为明显。
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  基于OCT成像的淡水无核珍珠内部缺陷自动检测方法

  石龙杰,周扬,岑岗,刘铁兵,施秧,陈正伟,黄俊,汪凤林,岑跃峰

  计量学报. 2020, 41(10): 1226-1233. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.08

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  光学相干层析技术(OCT)作为一种高分辨率的无损光学检测手段,已被用于珍珠的内部质量检测。针对淡水无核珍珠质层内部缺陷检测的需求,提出一种通过光学相干层析图像实现淡水无核珍珠内部缺陷自动检测的方法。根据珠层灰度变化的特点,识别图像中缺陷区域的梯度特征和缺陷位置变化特征,并利用缺陷特征建立反向传播神经网络模型。实验中采集了内部无缺陷和内部有多种类型缺陷淡水无核珍珠的光学相干层析图像各20幅,对图像进行预处理并提取特征,利用K-means算法检测样本类型与所提取特征的匹配度,用特征与类型相匹配的样本特征训练反向传播神经网络模型,使用反向传播网络模型对淡水无核珍珠内部缺陷层进行分类识别。实验结果表明该方法提取特征的匹配度为92.5%,分类准确率达到100%,验证了该方法的可行性和有效性,提出的方法能够作为淡水无核珍珠内部缺陷识别和自动分类的有效手段。
热学计量
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  噪声温度计用放大器设计与性能评估

  韩琪娜,周琨荔,屈继峰,董先莹,张建强,李京慧,王淼儿

  计量学报. 2020, 41(10): 1234-1239. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.09

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  低噪声、低失真、高共模抑制比的放大器对于噪声法测量热力学温度至关重要。设计了由前置放大、仪表放大和缓冲放大3级组成的噪声温度计用高性能放大器。其中,采用具有超低噪声的结型场效应对管IF9030作为前置差分放大级的输入;研制了自动化测量对管转移特性的装置,用于在大批量对管中挑选匹配度更优的器件;采用互相关技术压低电路中不相关的噪声,从而确保能够准确测量到被放大器背景噪声淹没的非线性失真信号;重点评估了放大器在1MHz带宽内的共模抑制比和放大器受双频激励时的非线性失真。测量结果表明,放大器的背景噪声为1.2nV/Hz1/2;100kHz带宽内的共模抑制比优于90dB,100kHz至1MHz带宽内的共模抑制比会随着频率的增加而降低,但不低于70dB;放大器受频率为400kHz、401kHz,幅度有效值为8μV的双频信号激励时,产生的二阶交调失真信号比双频信号低79dB,二阶谐波失真信号比双频信号低85dB。
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  水流环境下温度传感器动态响应测量的不确定度评定

  刘波,王崇愿,朱鹏飞

  计量学报. 2020, 41(10): 1240-1244. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.10

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  为满足核电快响应温度传感器的复验需要,研制了水流环境下温度传感器动态响应测量装置。分析了测量不确定度的来源,评定了时间常数测量结果的不确定度。通过提出微小时间域内电压示值与时间的线性关系,实现了不确定度由温度向时间参数的传递。对某核级快响应铂热电阻温度传感器的测量结果进行了不确定度评定,其时间常数扩展不确定度U=27ms(k=2)。评定结果表明:示波器光标读取电压和时间的分辨力是不确定度的重要来源,研究结果可为实验测量提供借鉴。
流量计量
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  基于层析成像的气液两相流相关流量测量方法

  仝卫国,朱赓宏,顾浩

  计量学报. 2020, 41(10): 1245-1251. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.11

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  对电阻层析成像技术和图像的小波纹理特征进行了研究,提出一种基于层析成像的气液两相流相关流量测量方法,实现了液相流量的准确测量。利用电阻层析成像技术和相关算法对不同泡型下的相含率、渡越时间进行检测,得到气相流量;利用小波分析提取出层析成像的流型纹理特征;从而基于BP神经网络建立不同泡型下的气液两相流的相关流量测量模型。实验结果表明,液体流量的测量精度可以达到3%以内。
力学计量
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  试样倾斜对球形压头微米划痕测试紫铜摩擦系数的影响

  刘明,黄承馨,高诚辉

  计量学报. 2020, 41(10): 1252-1259. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.12

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  采用球形压头对紫铜进行微米划痕实验,在恒定正压力下研究了试样倾斜对测试摩擦系数的影响。结果表明:实验测得的名义摩擦系数与倾斜角线性相关,且±9°的差别会造成摩擦系数相差约14倍。通过建立球形压头与试样倾斜状态的位置关系模型,发现试样倾斜对粘着摩擦系数无影响,而犁沟摩擦系数随倾斜角线性变化。为了准确计算无倾斜条件下的真实摩擦系数,可通过平面接触力学模型实现名义摩擦系数与真实摩擦系数之间的转换,或者在试样表面的不同位置往复划刻,再取摩擦系数的平均值作为最终结果。
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  基于集合经验模式分解和K-奇异值分解字典学习的滚动轴承故障诊断

  李继猛,李铭,姚希峰,王慧,于青文,王向东

  计量学报. 2020, 41(10): 1260-1266. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.13

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  针对经典K-奇异值分解算法构造的字典中原子形态受噪声、谐波干扰影响,进而降低冲击故障特征提取精度的问题,提出了基于集合经验模式分解和K-奇异值分解字典学习的冲击特征提取方法。该方法首先利用集合经验模式分解与Hurst指数对振动信号进行预处理,剔除谐波干扰;其次,利用经典K-奇异值分解算法和预处理信号构造超完备字典;然后,利用K-均值聚类算法对字典中的原子进行筛选;最后,利用正交匹配追踪算法实现冲击故障特征的稀疏表示。实验分析和工程应用验证了所提方法的有效性和实用性。
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  基于LCD-LLTSA的电动汽车电机轴承故障特征频率提取

  史素敏,杨春长,王斐

  计量学报. 2020, 41(10): 1267-1272. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.14

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  为有效提取出电动汽车电机轴承故障特征频率,将局部特征尺度分解、线性局部切空间排列和包络分析进行结合,用于电动汽车电机轴承的故障特征频率的提取。首先利用局部特征尺度分解对电动汽车电机轴承故障信号进行分解,得到若干个内禀尺度分量;然后利用线性局部切空间排列对由内禀尺度分量构成的矩阵进行降维处理,得到低维矩阵并以此进行信号重构;最后对重构信号进行包络谱分析,获得故障特征频率。仿真信号和实验信号的实验结果验证了方法的有效性。
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  道路动态弯沉计算因子测量不确定度分析

  窦光武,苗娜,刘璐,张冰

  计量学报. 2020, 41(10): 1273-1278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.15

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  弯沉计算因子是衡量落锤式弯沉仪(FWD)弯沉测试准确性的重要技术指标。为解决弯沉计算因子的不确定度评定方法问题,通过确定弯沉计算因子的定义,建立测量模型,确定了标准弯沉传感器、FWD测量重复性以及线性拟合模型3个主要不确定度分量,提出了校准环境的地基弯沉及环境条件要求。经试验验证,一台性能稳定的落锤式弯沉仪,其弯沉计算因子的扩展不确定度一般在1.0%～3.0%之间,其中线性拟合斜率是弯沉计算因子测量不确定度的主要影响因素。
声学计量
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  5Hz~10kHz频率范围矢量水听器国际主导比对

  陈毅,贾广慧,费腾,Isaev A E,Matveev A N

  计量学报. 2020, 41(10): 1279-1283. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.16

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  利用VHS56、VHS90和KPG-10作为比对传递用矢量水听器,中国杭州应用声学研究所与俄罗斯VNIIFTRI开展了 5Hz～10kHz 频率范围矢量水听器校准国际比对。利用各自的自由场互易法和垂直驻波管比较法校准装置,校准了3只矢量水听器X、Y、Z通道的灵敏度。从校准结果看,一致性较好,174个频率点中,仅有一个频点的校准值与参考值的偏差略微超过参考扩展不确定度,绝大部分频率点的测量偏差都小于±0.5dB,检验和验证了中俄双方矢量水听器校准装置的准确性和可靠性。
无线电、时间频率计量
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  基于长短期记忆网络的风电机组齿轮箱故障预测

  何群,尹飞飞,武鑫,谢平,江国乾

  计量学报. 2020, 41(10): 1284-1290. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.17

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  针对风电齿轮箱状态监测数据的多变量动态时空关联性特点,提出了一种基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络的齿轮箱故障预测方法,主要包括离线建模和在线监测两个阶段。首先,以齿轮箱油温为目标预测变量,充分考虑其与其它相关输入变量之间在时空维度上的重要关联信息,对历史监测数据进行训练学习,建立齿轮箱正常运行时的油温监测LSTM模型,通过对预测残差进行评估计算设定相应的检测阈值;然后,将训练好的油温监测LSTM模型用于在线测试,通过模型残差分析和阈值比较实现齿轮箱故障状态的检测和预测;最后,通过风电场测试数据对所提出的方法进行验证。结果表明,相比于其它传统方法,该方法表现出更好的预测性能,能够较早预测故障的发生。
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  基于北斗通信的河道水质监测系统设计

  姚跃,虞丽娟,曹守启,陈成明,张秉怡

  计量学报. 2020, 41(10): 1291-1296. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.18

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  针对当前水污染监测费时费力的问题,为了实现实时在线检测水质信息,提出了一种基于北斗通信的浮标监测系统,该系统包括浮标体数据采集系统和岸基接收站系统。以新型设计的浮标为载体的数据采集系统,采用STM32芯片,通过RS485协议读取传感器数据后发送并保存至SD卡中;同时通过北斗模块将数据发送至岸基,岸基上位机可远程浏览浮标状态数据、水质数据以及位置信息。整个系统采用太阳能供电方式,以此完成从数据采集、数据保存到数据传输、数据处理。经测试,整个系统运行状况良好,可实现水质自动化监测,达到预期设计要求。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  乳腺腺体平均剂量2种测量数据处理方法的比较研究

  赵才贤

  计量学报. 2020, 41(10): 1297-1302. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.19

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  针对医用乳腺X射线辐射源AGD测量数据处理过程中存在的难点问题,进行了试验研究,提出了2种有效的数据处理方法:近值法和线性拟合法。经过试验和比较得到以下结论:2种数据处理方法获得的测量结果及不确定度均符合相关技术规范要求,满足3Urel≤MPE的符合性判定准则。比较而言,线性拟合法获得的测量结果更加准确,其相对扩展不确定度(k=2)在5.7%～6.5%范围内,而近值法获得的相对扩展不确定度在6.4%～10%范围内。两种数据处理方法有效解决了医用乳腺X射线辐射源检定中不同模体厚度的转化因子和不同乳房成分修正因子如何确定的问题,为国家规程的下一步修订完善提供了参考,对其它同类测量数据的分析和处理也具有一定的借鉴作用。
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  用于同步辐射X射线注量绝对测量的自由空气电离室

  王培玮,郑伟宁

  计量学报. 2020, 41(10): 1303-1307. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.20

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  根据X射线束光子通量、注量和空气比释动能等物理量的关系,通过空气比释动能的测量,转换确定了所需要的光子通量、注量等。依据X射线自由空气电离室原理,针对同步辐射光子束的物理条件,确定了自由空气电离室的设计方案并完成了精密加工和安装调试。电离室主要部件尺寸公差、机械性能和电性能满足计量标准的要求,为计量标准的建立提供了基础。
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  高通量测序DNA文库定量质控技术研究

  王霞,欧阳艳艳,王晶,王尚君,董莲华

  计量学报. 2020, 41(10): 1308-1312. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.10.21

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  DNA文库定量的准确与否直接影响测序数据质量的好坏,因此,开展文库定量质控技术研究非常重要。针对Illumina高通量测序平台的DNA文库定量,建立了基于SYBR Green荧光染料嵌合的高特异性数字PCR绝对定量方法,用于DNA文库定量标准物质的定值;并对制备的文库定量标准物质的适用性进行了验证。结果表明制备的5个水平的文库定量标准物质线性良好,可以作为Illumina平台DNA文库定量的标准曲线。