2020年, 第41卷, 第8期　
刊出日期：2020-08-28

  

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几何量计量
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  1.2 km标准基线环境参数自动测量系统研制

  刘学德,缪东晶,张京燕,李连福,李建双,张福民,李萍

  计量学报. 2020, 41(8): 897-902. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.01

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  为提高野外测量折射率补偿实时性,研制了1.2km标准基线环境参数测量系统,该系统采用一种硬件分组和软件并行采集方案,将系统传感器数据采集的正确率提高到98%以上,82个传感器完整循环采集一次的时间小于7s。计算出传感器7s采样间隔温度变化量,分析评估折射率补偿结果,为野外标准基线测量提供科学的视角,量化寻找基线理想的测量时段,使延时温差小于0.05℃,高精度测距仪基线测量时的折射率修正误差控制在5×10^-8内。
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  基于部分补偿干涉的非球面顶点曲率半径加工误差测量

  胡摇,李腾飞,郝群,常旭

  计量学报. 2020, 41(8): 903-908. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.02

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  测量非球面顶点曲率半径加工误差对预估成像系统质量和计算机辅助装校有重要意义。传统的部分补偿干涉系统只能测量非球面面形误差,即被测非球面与标称非球面之间的不规则偏差。通过分析系统剩余波前特定像差项随被测面位置的变化关系,基于部分补偿干涉原理,提出了一种非球面顶点曲率半径加工误差测量方法,测得非球面顶点曲率半径加工误差。仿真实验结果表明,所提出的误差测量方法具有可行性,其原理相对测量精度不低于0.003%。
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  二次曲面的NURBS最优化表示方法研究

  孔德明,黄紫双,杨丹

  计量学报. 2020, 41(8): 909-917. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.03

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  为了解决非均匀有理B样条(NURBS)拟合二次曲面精度低、过程复杂的问题,提出了一种u、v参数化方向选择及求解出最优控制点个数选取范围的高效拟合二次曲面的方法。首先,根据二次曲面的形状特征确定u、v的参数化方向;然后,利用差值绝对值和均方根误差对不同控制点个数拟合出的各个重构曲面进行误差定量分析,根据定量分析的结果曲线求解拟合二次曲面的最优控制点个数的最小取值;最后,结合程序运行时间的关系曲线求解拟合二次曲面的最优控制点个数的最大取值。实例表明:较为常见的二次曲面的NURBS最优控制点个数的合理选取范围为201~541。该分析结果为NURBS标准分析表面的拟合过程中遇到的问题提供了理论支持和技术参考。
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  基于三维点云螺纹中轴线的拟合方法研究

  谢张宁,姜志华,朱惠臣,李智玮,雷李华,孔明,王道档,张波

  计量学报. 2020, 41(8): 918-925. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.04

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  螺纹中轴线的精确测定是决定螺纹三维测量结果是否准确的重要因素之一。中轴线的倾斜、偏移会对工件坐标系的建立、螺纹的三维重构、参数检验等测量操作引入误差。基于三维点云的最小二乘拟合算法,开展了螺纹中轴线的拟合方法研究。根据螺纹表面点云数据,利用螺纹表面与中轴线的特征关系建立最小二乘数学模型,通过计算点云数据的三维凸包滤除螺纹自身三维结构带来的拟合误差,使螺纹中轴线的测定更精准。通过仿真实验,基于三维点云的最小二乘拟合算法拟合的直线与三维点云的距离方差为0.34,在旋合长度范围内与投影法确定的直线两端最大距离为0.15μm,符合三维测量高精度标准,基于三维点云的最小二乘拟合算法可以快速、准确地拟合螺纹中轴线。
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  基于GPS/MATLAB的AUV路径优化分析

  吴志峰,吴子岳

  计量学报. 2020, 41(8): 926-931. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.05

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  介绍一种基于全球定位系统(GPS)的水下航行器(AUV)路径定位的控制系统设计方法。鉴于水下航行器在自主路径规划上出现偏差,水下航行器利用STM32型ARM微控制器与GPS数据交换,并通过GPS反馈数据与MATLAB规划路径结合和STM32均值处理,调整出合适的运动轨迹并进行了精度分析。实验结果表明:控制器设计的行驶轨迹符合期望且精度较好;基于GPS路径优化精度得到明显提高,为纠正路径规划偏差提供了一种参考方法。
光学计量
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  基于MTF的十字线目标自动调焦算法

  王立刚,定翔,洪宝玉,李飞

  计量学报. 2020, 41(8): 932-936. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.06

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  十字线目标作为调焦系统中的常见目标,其调焦精度是影响调焦系统测量结果的关键因素。传统的调焦函数在灵敏度和实时性方面不能完全满足自动调焦要求。基于调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的自动调焦算法通过连续测量多幅图像在固定频率下的MTF值绘制调焦曲线,得到调焦曲线的唯一极值点即正焦位置;在Matlab运行环境下,与现有算法进行比较,结果表明,基于数字图像MTF的调焦函数可实现单张图片的清晰度值计算仅用0.01s,该算法实时性更好、灵敏度更高,具有应用价值。
流量计量
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  定体积位移增量法测量医用微小流量技术研究

  廖旭辉,陈昱桥,杨勇,王尧君,张秋辰,冉文杰,杨俊杰,李鹏

  计量学报. 2020, 41(8): 937-941. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.07

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  利用定体积活塞腔体测量微流量原理,在建立活塞位移量与流速的关系基础上,研究了医用微小流量的测量模型、理论计算方法、硬件设计以及对应的软件系统,该微流量测量技术能在短时间内完成对医用输液泵和注射泵的校准工作。实验结果表明,流量检测装置可测量1~1500mL/h的微小流量,不仅能够快速响应1mL/h微小流量,且测量瞬时流量值最大允许误差不大于±1%;当注射容量腔体液体体积大于5mL时所测得累计流量最大允许误差不大于±1%。
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  基于电容层析成像技术重构图像的两相流流型识别

  王小鑫,王博,陈阳正,胡红利

  计量学报. 2020, 41(8): 942-946. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.08

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  针对工业多相流流型识别的需求,在过程层析成像技术的研究基础上,将重构图像信息即像素分布进行简单有效地分析处理,利用二维最大熵阈值分割技术及遗传算法优化的神经网络分类器对重构的图像进行处理以实现流型识别。将该方法在气固(空气/煤粉)两相流气力输送平台上对3种典型气固流型进行验证,实验结果表明:50组测试样本中识别正确率为94.7%。
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  电容层析成像系统阵列电极三维优化设计

  张立峰,朱炎峰

  计量学报. 2020, 41(8): 947-952. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.09

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  基于COMSOL软件构建了电容层析成像传感器三维有限元模型,并实现其正问题求解,在此基础上,进行了电容层析成像3层分布的阵列电极传感器参数的无量纲优化设计。首先,分析了传感器的屏蔽层半径R3、电极高度h、电极宽度w及电极层间距l对灵敏度均匀性指标P及电容值动态范围D的影响规律;然后,通过设计正交试验,综合分析各结构参数对优化指标的影响;最终,得到一组电容层析成像三维传感器的优化结构参数:R3=1.50,h=0.20,w=0.20,l=0.06。
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  基于驱动特性图法的科氏流量计模拟驱动设计

  徐浩然,徐科军,张伦,刘文,乐静,黄雅,刘陈慈

  计量学报. 2020, 41(8): 953-959. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.10

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  传感器的稳幅振动是科氏质量流量计工作的前提。当被测液体流量中含有气体时,传感器的振动阻尼增大,需要的驱动能量增加。而已有模拟驱动无法及时提供所需能量,致使传感器停振。为此,绘制已有模拟驱动的驱动特性曲线,分析其存在的问题,进而推导新型模拟驱动的驱动特性曲线,设计出能同时工作于单相流和气液两相流下的新型模拟驱动电路。在持续气液两相流和单相流-气液两相流切换下,进行了已有模拟驱动和新型模拟驱动的对比实验。结果表明:新型模拟驱动的驱动稳定性和快速性均优于已有模拟驱动。
力学计量
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  基于静力称重法的微小容量光学检测系统标定

  钟家栋,孙斌,赵玉晓,马鑫钰,张竟月

  计量学报. 2020, 41(8): 960-964. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.11

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  实验室常用静力称重法对微量液体容量进行检测,该方法在1μL容量的精确度达到2.18%,重复性为1.85%,但该方法无法在实验室外进行。现有的光学测量微量液体容量法的在1μL的精度为6.09%,重复性为1.31%。该法可实现在线检测,但其精度不如静力称重法。对光学测量微量液体容量的方法进行研究分析,提出了一种新的标定容量参照标准的方法,该标定方法将静力称重法与光学测量法两者结合,以静力称重法容量测量结果为参照标准,代替光学法原先的标准液。新的标定方法在原理上将参照标准由点扩展到线,可将光学测量法在10μL点的精度提高到2.014%,重复性1.30%。
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  一种便携式角速度传感器

  朱国斌,赵浩

  计量学报. 2020, 41(8): 965-968. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.12

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  角速度是旋转系统或传动装置进行状态监测的重要参数。设计了一种新结构、无旋转部件的便携式瞬时角速度传感器。该传感器的工作原理是永磁磁钢建立恒定磁通,被测旋转装置的转动部件切割该恒定磁场后形成涡流,涡流产生的磁场与传感器的霍尔元件相互作用产生霍尔电势,该霍尔电势的幅值与被测旋转装置的角速度成正比。根据磁路的基本定律推导出传感器的输出特性,并对输出特性进行了实际的测定,结果表明:传感器的灵敏度为16.8mV·s/rad,非线性误差为1.24%。
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  电缆压痕激光测量系统设计与不确定度分析

  许周达,芦韩,许睿,黎建军,王斌锐

  计量学报. 2020, 41(8): 969-974. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.13

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  针对人工测量电缆压痕效率慢以及受人为切片水平影响较大的问题,设计了一套自动测量装置。该装置通过软件对运动控制板卡发送指令,从而驱动电机实现对装有电缆夹具的二维移动平台的移动控制;同时激光传感器进行数据采集,得到数据集;对数据集进行滑动平均滤波处理,采用差分方法判断压痕;对非压痕数据进行线性回归处理,与压痕段数据相减,获得压痕深度。分析了测量计算过程中引入的不确定度来源,对一段电缆试样的测量结果进行不确定度评定,取包含因子k=2,扩展不确定度U=0.028mm。
声学计量
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  仿生物组织模型对高强度聚焦超声焦域影响的研究

  徐遨璇,王月兵,郑慧峰,曹永刚

  计量学报. 2020, 41(8): 975-982. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.14

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  运用有限元仿真分析了生物组织声学特性对高强度聚焦超声(HIFU)焦域的影响,为HIFU治疗安全性和可靠性提供理论依据。应用超声传播方程以及频域有限元算法(FEM)仿真HIFU治疗过程中因组织特性和厚度引起的焦域变化,并制作仿生物组织模型,进行实验验证焦域变化,分析讨论组织特性和厚度对聚焦区域、位置的影响。结果表明:随着声速增大,焦域尺寸不变,焦域向换能器一侧靠近;随着厚度增大,焦域尺寸基本不变,如果组织声速大于水的声速,则焦域向换能器一侧靠近;如果组织声速小于水的声速,则焦域向远离换能器一侧移动。
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  基于图像处理的声相云图评价方法研究

  张沫,郑慧峰,朱勤丰

  计量学报. 2020, 41(8): 983-988. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.15

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  基于图像处理,提出了声相云图评价方法,用于评价声相仪的声源定位误差。分析了声相仪的成像原理,提出将方位角误差和俯仰角误差作为声相云图声源定位误差的评价指标。利用差影法提取声相云图的声源定位成像区域,并经过灰度二值化、腐蚀膨胀和加权平均之后,计算出成像区域中心的像素坐标。在声相仪不同抓拍距离平面内,通过图像标定得到成像区域中心在实际物理空间上的位置坐标,将其与所定位的声源实际位置坐标相比较,计算得到方位角误差和俯仰角误差。实验结果表明,该方法所得方位角和俯仰角与声源实际位置坐标计算所得到的真实值相比,两者差异较小,能够客观地对声相仪的声源定位误差进行评价,且操作简单。
电磁学计量
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  反射式Sagnac型光纤宽带大电流测量仪的研制与性能评估

  谢小军,朱才溢,李庆先,李华,罗颖

  计量学报. 2020, 41(8): 989-996. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.16

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  为解决大型装备电焊和电镀装置的大电流量值传递及在线校准的难题,研制了一种反射式Sagnac型光纤电流互感器样机(光纤宽带大电流测量仪)。采用了线性双折射抑制、温敏变比自补偿、数字闭环信号检测等关键技术,对柔性光纤敏感头进行了优化设计。对样机进行了主要技术性能验证测试,试验结果表明,在所述试验条件下的测量准确度优于±0.2%,温度、振动、磁场变化下变比误差皆小于±0.2%,频率响应1kHz衰减0.14%,-3dB带宽大于10kHz,验证了测量仪的可靠性及在线校准大电流的适用性。样机测量结果的相对扩展不确定度为0.10%,测量仪的精度等级达到了0.2级。
无线电、时间频率计量
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  一种端接负载的同轴传输线特性阻抗时域测量方法

  李俊峰,杨贵锋,黄辉

  计量学报. 2020, 41(8): 997-1001. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.17

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  针对作为微波阻抗及散射参数标准的同轴线特性阻抗准确测量的热点和难点问题,提出了一种端接负载的同轴传输线特性阻抗时域测量方法,其测量结果可溯源至几何量等物理参数,实验验证结果的有效性En＜1,该方法可以作为同轴传输线特性阻抗量值准确测量的参考方法。
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  基于速度交流的多种群多目标粒子群算法研究

  刘彬,刘泽仁,赵志彪,李瑞,闻岩,刘浩然

  计量学报. 2020, 41(8): 1002-1011. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.18

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  为提高多目标优化算法的收敛精度和搜索性能,提出一种基于速度交流的多种群多目标粒子群算法。算法引入速度交流机制,将种群划分为多个子种群以实现速度信息共享,改善粒子单一搜索模式,提高算法的全局搜索能力。采用混沌映射优化惯性权重,提高粒子搜索遍历性和全局性,为降低算法在运行后期陷入局部最优Pareto前沿的可能性,对各个子种群执行不同的变异操作。将算法与NSGA-Ⅱ、SPEA2、AbYSS、MOPSO、SMPSO和GWASF-GA先进多目标优化算法进行对比,实验结果表明:该算法得到的解集具有更好的收敛性和分布性。
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  基于速度交流的共生多种群粒子群算法

  赵志彪,李瑞,刘彬,周武洲

  计量学报. 2020, 41(8): 1012-1022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.19

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  为了提高粒子群算法的求解精度,改善算法的搜索性能,提出一种基于速度交流的共生多种群粒子群算法(SMPSO)。该算法采用速度交流机制划分整个从种群为多个子种群,负责解空间的全局搜索,将获得的最优信息分享给主种群;主种群综合从种群与自身最优经验,负责局部深度优化,获得最优信息反馈给从种群,从而建立主从群间的共生关系,实现解空间的充分搜索。迭代后期,在主种群中引入自适应变异策略,提高算法跳出局部最优的能力。将提出的SMPSO算法应用于基准测试函数中,与其它改进的PSO算法进行比较。实验结果表明,SMPSO算法在求解精度、搜索能力、稳定性等方面均有较大的提高。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  诊断X射线能谱影响因素的模拟与分析

  吕雅竹,郭彬,李德红,沙比哈·吐尔逊,张璇

  计量学报. 2020, 41(8): 1023-1026. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.20

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  诊断X射线的能谱分布受到一系列因素的影响。为了进一步了解影响诊断X射线能谱的因素,从而为评估光机自身特性导致诊断结果的差异提供技术基础,通过仿真模拟的方法建立了诊断X射线光机的物理模型。模拟计算和比较了诊断X射线光机在不同管电压、发射角、过滤材料、纹波等条件下的出射能谱。研究结果表明,管电压、发射角、过滤材料(包括厚度)以及管电压纹波都会影响射线能谱分布和平均能量。诊断X射线光机的上述关键参数可能会直接影响诊断结果的可靠性,在光机运行过程中,参数的选择和质量控制方面需要予以重视。
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  中国一级标准海水不确定度分析研究

  张川,罗嫣,于涛,赵虹

  计量学报. 2020, 41(8): 1027-1032. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.08.21

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  中国一级标准海水作为有证标准物质,不确定度是其一项重要的质量参考指标。参考了国际标准海水(IAPSO SSW)不确定度的分析方法,引入GB/T 15000.3《标准样品工作导则(3)—标准样品定值的一般原则和统计方法》等标准中相关的统计方法,对定值不确定度、均匀性不确定度、长期稳定性不确定度3个分量进行了逐一分析。以P1批次一级标准海水的数据为例,计算得出以上分量的电导率比不确定度分别为5.00×10^-6、 5.05×10^-6、 4.50×10^-6,合成标准不确定度为8.42×10^-6,扩展不确定度为1.7×10^-5。依据不确定度传播规律,计算得出盐度扩展不确定度为6.6×10^-4(或0.001)。