2020年, 第41卷, 第9期　
刊出日期：2020-09-28

  

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几何量计量
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  内凹形针尖的拉曼散射增强特性

  薄涛,胡佳成,蔡晋辉,李东升,高思田

  计量学报. 2020, 41(9): 1033-1038. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.01

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  利用基于时域有限差分法的FDTD Solutions软件建立了镀银膜内凹形钨针尖-玻璃基底仿真模型,在相同条件下对镀金膜内凹形钨针尖-玻璃基底、内凹形钨针尖-玻璃基底模型的近场电场分布进行数值计算,验证了所设计的模型在拉曼散射增强方面的有效性。研究结果表明:在镀银膜内凹型钨针尖-玻璃基底情况下,该结构可产生最大的拉曼增强因子,为105量级。利用中国计量科学研究院的针尖制备装置制备了优化参数的针尖实物,并利用实验室中的TERS测量装置实现了SWCNTs的TERS信号测量,验证了所设计的针尖在拉曼信号测量方面的有效性。
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  基于非对称往返测距的海洋无线传感网络节点定位算法

  覃玉华,刘浩然,邓玉静,王星淇,刘彬,尹荣荣

  计量学报. 2020, 41(9): 1039-1047. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.02

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  提出一种新的基于非对称往返测距的海洋无线传感网络节点定位(LMARR)算法,该算法利用节点间非对称的接收与发送测距信息的时间差,推算出节点间海水声速以及未知节点与其邻居参考节点之间的距离,将三维距离信息转换成二维,运用最小二乘法完成定位计算。与SWN和ARTL算法相比较,仿真结果表明:LMARR算法能有效地提高节点定位的精度,特别是在深度为20～120m海水声速持续变化的区域,定位精度比SWN算法提高了20%,比ARTL算法提高了33%;此外,LMARR算法还具有较高的稳定性。
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  基于标准球距离约束的工业机器人参数标定

  陆艺,葛文琦,郭斌

  计量学报. 2020, 41(9): 1048-1054. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.03

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  针对工业机器人绝对定位精度偏低,在工业应用中受到一定的限制的问题,提出了一种新型基于标准球距离约束的工业机器人参数标定方法。首先采用MDH模型建立机器人运动学模型;其次将接触式测头安装在工业机器人的末端法兰盘上,搭建了一个三角标定平台,平台上刚性连接了3个直径为25.4mm的标准球,每2个球之间的理论的球心距为300mm,用接触式测头分别探测3个标准球面上的点,并记录相应关节角的值;最后,通过最小二乘拟合得到标准球的球心坐标,与三坐标测量机测得的实际球心距进行距离约束,并采用Levenberg-Marquardt算法求得运动学参数误差。共进行5个平台方向的实验,并用另外5个平台方向的数据进行误差补偿验证。实验结果表明:平均球心距偏差从2.6812mm减小到0.5694mm,标准偏差从0.6738mm减小到0.1407mm。
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  多边法位姿测量系统中跟踪方式对测量精度的影响研究

  张帅,缪东晶,李建双,郑继辉,王国磊,孔明,阚英男

  计量学报. 2020, 41(9): 1055-1061. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.04

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  为了精确测量大尺寸位姿,建立了一种由7台激光跟踪干涉仪组成的大尺寸位姿测量装置。根据测量各反射镜的激光跟踪干涉仪数量的不同,采用322和331两种跟踪方式对位姿测量精度的影响进行仿真实验,从而发现被测点位置与基站构成平面的距离相关,由坐标解算公式推导被测点坐标值与测量基站之间的相对位置与测量误差间的误差模型,通过分析x、y、z 方向上误差对距离变化的敏感程度,发现z方向距离变化引起的误差最为敏感。当被测点与测量基站的距离由1300.8mm减小到0mm时,测量误差由2.2μm增大到2626.1μm。实际姿态测量结果表明:当采用一种跟踪方式时可以避免被测点与测站点平面过近,有利于提高系统测量精度,所提出的误差模型可为多边法位姿测量系统的优化布局提供一种量化的理论分析方法。
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  连续运动螺纹尺寸自适应机器视觉检测

  包能胜,方海涛

  计量学报. 2020, 41(9): 1062-1069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.05

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  针对螺纹零件尺寸检测效率低、工作强度大、检测精度不高的问题,提出了一种连续运动螺纹尺寸自适应机器视觉的检测方法。首先设计了一套在线图像采集装置用于采集运动螺纹零件的图像;其次使用NCC(normalized cross correlation)归一化匹配算法,完成对螺纹零件的识别及追踪,在此基础上设计了自适应的ROI(region of interest)裁剪区域;然后通过Canny算法提取边缘轮廓,利用最小二乘法直线拟合技术对螺纹轮廓进行直线拟合,生成螺纹中径线,完成对螺纹中径的测量;最后在使用Harris角点检测算法提取多螺纹轮廓波峰与波谷的基础上,提出了利用螺纹中径线与各角点之间的距离来完成对角点的细化。实验表明,所提方法在螺纹尺寸检测方面具有可行性和有效性。
光学计量
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  基于表面等离激元的LED参数优化研究

  李志全,魏文婧

  计量学报. 2020, 41(9): 1070-1076. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.06

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  为有效提升氮化镓基蓝光发光二极管的发光效率,构建一种基于表面等离激元的复合光栅氮化镓基发光二极管结构模型。通过对表面等离激元的激发方式与发光二极管内、外量子效率的理论分析,详细阐述该结构增强发光二极管发光效率的原理;同时讨论了该模型的制作工艺,并运用有限元分析法,对结构进行参数优化和仿真分析,得到该结构在最优参数下的辐射功率、吸收功率以及电场分布图。仿真结果表明,经参数优化后,当复合光栅发光二极管发射光的波长为460nm时,其辐射到空气中的平均电场模约为单光栅发光二极管的38倍,验证了该结构可以有效提升二极管的发光效率。
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  3D打印复杂点阵结构的缺陷三维可视化方法

  温银堂,高亭亭,张玉燕

  计量学报. 2020, 41(9): 1077-1081. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.07

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  针对3D打印的复杂点阵结构容易出现裂纹、未熔合或孔洞等缺陷,严重影响结构件的功能性能问题,开展了对3D打印的一种复杂点阵结构件的缺陷三维可视化检测方法研究。基于CT图像中结构件内部缺陷的灰度值差异特征,采用集合灰度值法自动识别一类缺陷并分割提取,由光线投射法对分割得到的缺陷序列图像进行三维重构。实验结果表明:所提方法有效获得了点阵结构件内部一种典型缺陷的三维可视图,从三维角度可对缺陷的形状、大小等形貌细节信息进行描述,为进一步分析缺陷对结构性能的影响提供了有力的依据。
流量计量
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  基于激光跟踪仪的超声流量计几何参数实测方法

  崔航,胡鹤鸣,李丽霞,郭晨曦,谢代梁,杨卓,程震

  计量学报. 2020, 41(9): 1082-1088. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.08

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  针对需要现场安装的大口径超声流量计的几何参数外部测量问题,建立了基于激光跟踪仪的大口径超声流量计几何参数测量方法。利用跟踪仪在管道外部测量管段壁面和超声探头的三维特征,并通过三维建模工具获得管段和探头的相对位置关系,进而计算得到流量计几何参数。结合现场测量案例,评估了内径、声道长度、声道角、声道高度等参数对流量不确定度的贡献。该方法不仅解决了管道外部几何参数实测问题,而且能将不确定度水平控制在0.2%左右。与跟踪仪实测值相比,几何参数厂家设置值存在一定的差异,建议厂家和用户给予几何参数实测更多的关注。
力学计量
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  压头曲率半径对硬质薄膜结合力划痕测量影响的比较研究

  于杰,陶兴付,秦林,李晓兵

  计量学报. 2020, 41(9): 1089-1094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.09

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  硬质薄膜的膜/基结合力是表征材料可靠性的重要特性参数。采用划痕法测试硬质薄膜的结合力时,有很多因素会影响到临界载荷Lc的判定,例如薄膜和基底的硬度、模量,薄膜的表面粗糙度等;此外,仪器机架刚度、划痕速率、压头的曲率半径等仪器的测量参数也会影响临界载荷Lc的判定。采用划痕测量法,研究了曲率半径为20μm,50μm和100μm的压头对单晶硅和304基底的亚微米类金刚石薄膜与基底的结合力测量的影响。研究结果显示:随着压头曲率半径的增加,2种材料的临界载荷也随之增大。
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  法向载荷对紫铜的微米划痕测试的影响

  刘明,严富文,高诚辉

  计量学报. 2020, 41(9): 1095-1101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.10

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  使用Rockwell C金刚石圆锥压头对紫铜进行微米划痕实验,研究了法向载荷对样品的微米划痕测试的影响。结果表明:随着法向载荷的增大,压入深度和残余深度均线性增加,弹性恢复率线性减小;划痕宽度随压入深度的增加先非线性地增大,之后趋于线性增加。当法向载荷在0.08~0.11N的范围内时,摩擦力线性增大,摩擦系数趋于一个常数,摩擦机制为粘着摩擦;当法向载荷在0.11~17N的范围内时,摩擦力和摩擦系数非线性地增大,摩擦机制为犁沟摩擦;当法向载荷在17~28N的范围内时,摩擦系数趋于一个常数,摩擦力线性增大,摩擦机制为微切削。
声学计量
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  基于磁共振图像的多层介质声学特性分析

  朱勤丰,郑慧峰,王月兵,曹永刚

  计量学报. 2020, 41(9): 1102-1108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.11

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  基于磁共振图像,提出了一种多层介质声学特性分析方法,并推算了超声经过分层结构的焦点定位。首先对蔗糖溶液的磁共振T1加权图像进行区域提取、阈值分割、腐蚀膨胀等边缘处理后,得到局部区域的灰度均值;通过磁共振图像上的灰度信息与对应蔗糖溶液的浓度、声速计算关系拟合函数;最后建立模拟生物组织的蔗糖溶液分层结构,运用关系函数推算超声经过分层结构的声透射及聚焦超声的焦点前移量。实验结果表明,该方法从蔗糖溶液磁共振图像中分析得到的声速、声透射系数及焦点前移量与真实值相近,最大差异为0.6239mm,验证了可通过磁共振获取生物组织声参数的可能性。
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  基于圆环阵列的声场仿真及校准实验

  高兰,王月兵,贾梦雯

  计量学报. 2020, 41(9): 1109-1114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.12

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  针对圆环阵列中声波多途效应难以消除的问题,提出了采用不等间距圆环阵列的方法破坏声波各径的相干性来降低旁瓣性能,减少边缘衍射反射的干扰。通过仿真验证不等间距圆环阵列能够有效降低聚焦波束旁瓣,并根据仿真结果设计最佳环形阵列结构。最后,在实验水池中对圆环阵列进行声场校准实验,分别利用脉冲波与连续波在4～8kHz频率下激励换能器阵列工作,结果表明采用脉冲正弦信号激励的方法可在有限空间内准确测量换能器的轴向声压的特性。
无线电、时间频率计量
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  捷变正弦信号源波形建立时间的精确测量

  梁志国,何昭,刘渊,张亦弛,吴娅辉

  计量学报. 2020, 41(9): 1115-1121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.13

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  针对正弦信号源捷变状态切换后的建立时间、开机后波形建立时间以及过载恢复时间等的精确测量问题,提出了一种基于局域波形四参数拟合的测量分析方法,然后将拟合模型参数拓展到全局,进而获得拟合回归波形与过渡过程波形的回归残差波形。该波形的收敛过程反映了正弦波建立过程中的残差收敛变化过程。以它为目标对象,加上主观设定的建立时间的条件判据,可以获得正弦建立时间的起始和终止两个时刻点,最终获得完整的正弦信号建立时间。在两组不同条件下的状态切换实验结果,验证了该方法的有效性和可行性。该方法也可以推广应用到脉冲调频、脉冲调幅、脉冲调相、捷变频信号的建立时间测量评价中。
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  基于改进混合遗传细菌觅食算法的贝叶斯结构学习算法

  刘浩然,常金凤,庞娜娜,李晨冉,卢泽丹

  计量学报. 2020, 41(9): 1122-1126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.14

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  针对利用启发式学习算法学习贝叶斯网络时容易陷入局部最优和寻优效率低的问题,提出一种改进的混合遗传细菌觅食优化算法的贝叶斯网络结构学习算法。该算法首先通过遗传算法求得较优种群并作为细菌觅食算法的初始种群;然后利用交叉和变异策略改进细菌觅食算法的复制行为,增加种群多样性,扩大搜索空间;最后通过改进细菌觅食算法的迁移行为的初始化操作更新种群,防止精英个体的丢失。通过种群的迭代搜索最终获得最优的贝叶斯网络结构。实验仿真结果表明,与其他算法相比,该算法的收敛精度和效率有所提升。
流量计量
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  基于lp范数的ECT图像重建算法研究

  马敏,孙美娟,李明

  计量学报. 2020, 41(9): 1127-1132. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.15

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  针对在ECT图像重建过程中,基于lp-范数的非凸压缩感知算法常存在计算量较大以及现有的近端映射算法受一些特定的p值限制而导致成像分辨率较低的问题,利用改进的插值函数替换lp-范数xpp,通过调整参数使得改进的函数无限逼近lp-范数xpp,同时引入阈值表示理论,并在此基础上提出新的自适应阈值迭代算法对新模型进行求解。实验结果表明,改进后的自适应lp-范数重构算法相对于Landwebr算法、迭代重加权最小二乘法具有更强的适应性,更高的图像分辨率,更快的成像速度。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  X射线剂量当量仪校准因子不确定度评估

  吕雅竹,赵瑞,李德红,沙比哈·吐尔逊,郭彬

  计量学报. 2020, 41(9): 1133-1137. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.16

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  为了准确评估X射线剂量监测用防护仪表的校准因子的不确定度,依据有关技术规范,用标准电离室对参考点位置处的剂量当量率参考值进行测量;采用替代法获得待校仪表的显示值,从而确定校准因子结果的相关影响因素,并分别对影响量的不确定度进行评定;得出仪表校准因子的相对扩展不确定度为5.0％(k=2)。影响校准因子不确定度的主要来源包括校准用辐射场的均匀性、标准电离室本身的刻度因子及能量响应、剂量当量转换因子、待检仪表显示值的统计标准偏差等。在对该类仪表的校准过程中,通过提高标准参考值的不确定度水平可以改善校准因子的不确定度。
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  改进的快速跟踪回声状态网络及PM2.5预测

  刘彬,李德健,赵志彪,武尤

  计量学报. 2020, 41(9): 1138-1145. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.17

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  针对递归最小二乘回声状态网络在噪声环境中预测精度不高的问题,提出了一种改进的快速跟踪回声状态网络。首先在递归最小二乘回声状态网络结构的基础上,将自适应调节的可变遗忘因子加入其代价函数中,用改进的递归最小二乘法对网络输出权值进行训练,得到快速跟踪回声状态网络;然后利用经典Lorenz混沌系统验证快速跟踪回声状态网络的有效性;最后利用灰关联法分析各相关变量与PM2.5的关联度,建立PM2.5浓度值辅助变量集合,将辅助变量集合输入到快速跟踪回声状态网络进行PM2.5浓度值预测。实验表明,与传统回声状态网络、递归最小二乘回声状态网络预测效果相比,快速跟踪回声状态网络的预测方法精度佳,抗噪声能力强。
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  基于改进樽海鞘算法的锅炉NOX排放模型优化研究

  牛培峰,苗孔号,尚士新,常玲芳,张先臣

  计量学报. 2020, 41(9): 1146-1151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.18

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  为了建立高效的NOx排放质量浓度预测模型,以某330 MW的煤粉锅炉为研究对象,利用自适应樽海鞘算法(ASSA)优化快速学习网(FLN)建立预测模型。首先用8个基准测试函数检测ASSA的性能并与其它3种算法进行对比,结果显示ASSA算法的收敛速度更快,寻优结果更好;将该模型与差分进化算法(DE)、粒子群算法(PSO)和樽海鞘算法(SSA)优化的快速学习网进行比较,结果表明ASSA-FLN模型具有更好的预测精度和泛化能力,可有效准确地预测煤粉炉的NOx排放质量浓度。
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  基于时间序列单维卷积神经网络的水泥熟料游离钙软测量方法

  赵彦涛,何永强,贾利颖,杨黎明,郝晓辰

  计量学报. 2020, 41(9): 1152-1162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.19

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  水泥熟料游离钙(fCaO)含量对水泥质量和生产能耗有着重要影响,现阶段主要通过化学分析的方法离线测得水泥熟料fCaO含量,但是该方法对于烧成系统操作指导具有明显的滞后性。针对熟料fCaO无法在线实时监测的问题,提出基于多变量时间序列单维卷积神经网络(TS-CNN)熟料fCaO软测量建模方法。该方法利用影响熟料fCaO的多个过程变量历史时间段的时间序列作为输入,结合水泥数据特性,采用单维卷积池化的方式提取各过程变量特征,同时降低网络的复杂度,最后经全连接层整合提取的局部信息。通过实验对比,结果表明基于TS-CNN的软测量方法预测精度更高、泛化能力更强。
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  酸性橙II纯度标准物质的研制

  周瑾艳,黄彦捷,许俊斌,黄梓宸,陈玲,林铿,花秀兵,王世超

  计量学报. 2020, 41(9): 1163-1170. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.20

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  质量平衡法是确定有机类标准物质纯度的经典方法,利用质量平衡法研制了GBW(E)100373酸性橙Ⅱ纯度标准物质,介绍了标准物质样品的制备、均匀性检验、稳定性检验、定值、不确定度评定及比对和验证等严格的研发程序。最终获得了纯度认定值为99.2%,相对扩展不确定度为1.0% (k=2)的酸性橙II纯度标准物质,可以在食品和化妆品分析中的仪器校准和方法评定等领域发挥重要作用。
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  枯草芽孢杆菌黑色变种芽孢测量方法研究

  隋志伟,王斌,刘思渊,王晶,傅博强,卓婷烨,王义

  计量学报. 2020, 41(9): 1171-1176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2020.09.21

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  枯草芽孢杆菌黑色变种芽孢是生物防护和灭菌效果评价的重要指示微生物,其量值准确可以保证评价的有效性和可比性。对枯草芽孢杆菌涂布平板法进行了方法验证和协同实验验证以及不确定度分析。结果显示,当平板上的菌落数在30～300CFU之间时,该方法重复性和再现性均较好,室内重复性相对标准偏差为10.0%,室间相对标准偏差为14.1%。经统计分析,胰蛋白胨大豆琼脂培养基平板涂布法相对扩展不确定度为12.0%(k=2),适用于枯草芽孢杆菌黑色变种芽孢定量测量,对于人员防护装备防护性能评价、消毒剂检测及灭菌质量控制具有重要意义。