2021年, 第42卷, 第4期　
刊出日期：2021-04-28

  

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电磁学计量
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  一种基于三端口网络的互感器电压串联加法

  周峰,雷民,王乐仁,殷小东,刘浩

  计量学报. 2021, 42(4): 401-408. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.01

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  1954年Zin E和Forger K成功研究出互感器串并联电压加法线路;1988年国家高电压计量站成功研究出互感器双边串联电压加法线路,2006年使用串联型电压互感器进行双边电压加法,2008年试验电压达到1000/3kV,电压比不确定度不大于4×10^-5(P=95%)。要进一步减小电压比的不确定度,需要最大限度地消除串联型电压互感器的屏蔽误差以及邻近干扰误差。除了设计电磁屏蔽更完善的串联型电压互感器外,还可以使用三端口网络理论实施电压加法,通过三端口网络的响应叠加性,使得在加法过程中的屏蔽误差和邻近干扰误差很大程度上得到补偿。2013年使用广东电网电力科学研究院的500kV工频电压比例自校系统装置进行了验证试验。与1988年数据相比,110/3kV电压下的屏蔽误差从18×10^-6减小到1.5×10^-6,与2006年数据相比,500/3kV电压比例不确定度从15×10^-6减小到7×10^-6(P=95%)。
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  光纤直流大电流传感器非线性机理及校准技术

  李奇,李传生,梁波,蔡晋辉,邵海明,梅国健

  计量学报. 2021, 42(4): 409-414. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.02

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  非线性误差是干涉型数字闭环光纤电流传感器超大电流测量的主要误差源之一。借助琼斯矩阵方法,推导了光纤1/4波片不理想条件下传感器输出与被测电流的理论关系,确定了1/4波片的方位角和相位延迟误差是造成光纤电流传感器超大电流测量非线性的主要原因之一。仿真结果表明:在5~300kA范围内,方位角误差小于4.53°,相位延迟误差小于9.05°,可保证传感器的测量误差小于0.2%。搭建了光纤直流大电流传感器校准系统,提出了分段线性插值补偿方法校准光纤电流传感器的非线性误差。测试结果表明:非线性补偿后传感器的测量误差由最大的0.6%降低到0.1%以内,证明了非线性补偿方法的有效性。
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  基于混沌搜索的改进狮群算法及其在光伏电池参数辨识中的应用

  吴忠强,谢宗奎,刘重阳,王国勇

  计量学报. 2021, 42(4): 415-423. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.03

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  目前已有多种智能算法应用到光伏电池模型的参数辨识中,然而大都存在易陷入局部最优、收敛速度慢等问题,基于改进狮群算法,提出了一种有效的光伏电池参数辨识方法。首先,通过引入混沌初始化、自适应参数和混沌搜索,弥补了狮群算法收敛速度慢、寻优精度不高等不足;将改进狮群算法应用到光伏电池的单二极管模型和双二极管模型的参数辨识中,与5种优化算法的结果进行对比,证明了该算法在光伏电池参数辨识中的有效性和优越性;最后,通过在不同辐照度和不同天气类型下进行辨识,探究了外部环境变化对模型参数的影响,进一步验证了该算法的有效性和实用性。
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  多重分形去趋势波动分析及改进决策树在电能质量分析中的应用

  张淑清,张赟,刘海涛,胡皓,李华,姚玉永,刘勇,王涛

  计量学报. 2021, 42(4): 424-431. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.04

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  通过多重分形去趋势波动分析方法分析了6种常见的电能质量信号,证明了电能质量信号具有多重分形特征。据此提出基于多重分形去趋势波动分析的电能质量特征提取方法,选取多重分形谱参数(h_qmax、α_min、α₀)和信号能量E作为特征向量矩阵,结合改进决策树分类,进行电能质量分析和识别。该方法与DTCWT、HHT和EEMD方法进行对比实验,结果表明,该方法表现出更好的识别结果,为电能质量信号的特征提取提供了一种新的思路。
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  永磁无刷直流电动机位置传感器精度对脉动转矩抑制效果的影响研究

  朱高林,肖遥剑,赵浩,冯浩

  计量学报. 2021, 42(4): 432-437. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.05

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  采用峰谷互补方法对永磁无刷直流电动机的脉动转矩进行抑制时,2台电机脉动转矩波形的对称性和正弦性与抑制效果密切相关,而位置传感器的精度直接影响电机脉动转矩的波形特性。基于此,首先通过实验测定了2种位置传感器在电机运行时其输出信号的相位差、占空比和响应速度,并进行了分析。然后搭建实验平台测定了电机在2种位置传感器工况下脉动转矩的对称性和正弦性。最后,对比了2种位置传感器运行时电机脉动转矩的抑制效果,结果表明在光栅位置传感器工况运行时电机脉动转矩的抑制效果约提升30%。
几何量计量
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  基于FPGA高速信号采集的多角度动态光散射法纳米粒径测量

  张泽瑞,黄鹭,高思田,蔡晋辉,孙淼,崔震

  计量学报. 2021, 42(4): 438-444. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.06

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  根据动态光散射装置测量纳米粒径原理,开发了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的纳米粒径测量系统。该系统通过光电倍增管(PMT)输出光子脉冲信号,利用FPGA实现高速脉冲采集及自相关运算,采用双脉冲计数器实现高精度可控的连续计数,并实现DDR3异步存储以及USB通信交互等接口功能。自研板卡既可实现自相关函数实时采集运算,又可无丢失地保存海量原始数据信号。采用该系统对200nm聚苯乙烯颗粒进行了测量,分析了不同采样时间及延迟时间等参数对粒径测量结果的影响。实验结果表明:自研FPGA采集板卡测量重复性为1.2%,具有很好的稳定性和重复性。
电磁学计量
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  微小型移动机器人的路径规划及编队研究

  李江昊,闫亚楠,彭丹

  计量学报. 2021, 42(4): 445-450. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.07

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  针对微小型移动机器人的路径寻优及编队问题,提出了路径规划与轨迹跟踪相结合的方法来实现多机器人的编队任务。首先提出了基于传统蚁群算法的改进算法,仿真结果证明,改进算法通过改进参数及初始信息素矩阵,使其收敛速度提高了50%,全局寻优能力提高了30%。其次设计了基于李雅普诺夫算法的轨迹跟踪控制器,仿真结果证明,其误差最终趋于0,验证了该控制器的稳定性。最后结合李雅普控制器和路径寻优算法,实现了多机器人在最优路径上的稳定编队。
几何量计量
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  振动条件下的尼龙拉链厚度尺寸视觉在线测量算法

  洪涛,程诚

  计量学报. 2021, 42(4): 451-457. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.08

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  针对尼龙拉链厚度尺寸的视觉在线测量过程中,振动对测量结果影响较大的问题,通过对拉链振动的机理分析,建立并求解出被测拉链横向振动模型的运动方程,再结合LK(Lucas Kanade)光流法测量原理,求取出某一时刻的拉链全局振动信息。在此基础上,提出了一种振动条件下的尼龙拉链厚度尺寸的视觉在线测量算法。首先提取出待补偿图像中被测拉链的边缘点坐标,其次根据运动补偿算法修正边缘点坐标,接着利用最小二乘法将边缘点坐标拟合成平行直线并求出其间距,最后根据像素当量转换为拉链厚度的实际尺寸。实验结果表明:该算法测量结果的不确定度为0.00051mm,远优于无运动补偿的视觉测量方法测量结果,能有效地抑制拉链振动对测量结果的影响。
热学计量
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  微型双温度固定点容器研制

  曾佳旭,潘江,孙建平,杨月,朱天梦,王成科

  计量学报. 2021, 42(4): 458-462. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.09

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  基准固定点传递技术应用于现场温度校准已成为提高工业温度测量水平的一种重要途径。采用多孔石墨坩埚半包围结构,内部对称填充了高纯铟(In)和锡(Sn)2种金属,研制了一种应用于现场校准的微型双温度固定点容器。实验结果表明,In点熔化温坪持续时间约为2 h,Sn点熔化温坪持续时间约为3 h,In和Sn的温坪复现的扩展不确定度分别为4.0 mK 和4.4 mK(k=2),可满足工业现场对精密铂电阻温度计的校准需求。
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  电厂燃煤虚拟采样及发热量均值不确定度评定

  刘福国,国钦光,殷炳毅,王守恩

  计量学报. 2021, 42(4): 463-468. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.10

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  电厂锅炉燃煤发热量还未能实现广泛的连续测量，在发电厂效率检测时，采用少量样品煤的实验室化验数据表示检测周期内全部燃煤的发热量，由此带来较大的测量不确定性。研究了入炉煤多次采样样品发热量平均值的不确定性，当发热量样本是正态分布，或求取平均值的样品个数大于30时，根据中心极限定理，可采用传统方法对样品均值的不确定度进行评定；当发热量样本是非正态分布，且求取平均值的样品个数小于30时，可采用挑选样抽法产生发热量的随机样本，然后利用发热量均值的虚拟样本，进行非正态分布下扩展不确定度的计算。实际应用表明，本文给出的方法结果合理，能够满足发电机组效率检测不确定度分析的需要。
流量计量
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  基于图像光散射颗粒粒度测量方法研究

  曲佩玙,蒋瑜,苏明旭,蔡小舒

  计量学报. 2021, 42(4): 469-475. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.11

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  研究了基于图像的光散射颗粒粒度测量系统。结合图像处理技术,提出一种最小二乘原理圆拟合光环定中方法,设计CCD探测器光环尺寸与颗粒粒级划分数目。搭建了颗粒光散射图像测量硬件系统,利用非独立模式差分进化算法反演出颗粒粒度。通过8种聚苯乙烯乳胶球标准颗粒实验对测量系统准确性进行验证,测量误差在3%之内;对2种不同体积分数的大豆蛋白乳液进行了测量,与图像粒度仪对比偏差在5%之内。实验结果表明:采用最小二乘原理圆拟合方法定中提取到的散射光能与理论分布更加吻合,35环的光环划分方式有利于获得相对良态特性的光能系数矩阵,该测量方法为颗粒粒度测量提供了一种光散射法有效改进方式。
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  基于深度信念网络的ECT图像重建算法

  马敏,孙颖,范广永

  计量学报. 2021, 42(4): 476-482. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.12

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  为提高图像重建质量,针对电容层析成像技术(ECT)中的电容数据复杂多样且与介电常数呈非线性关系的特点,提出一种基于深度信念网络(DBN)的重建算法,利用DBN的深层非线性网络结构来实现电容值与重建图像灰度值非线性关系。并对DBN进行了改进,将自适应步长(AS)引入到对比散度(CD)算法中,解决固定步长寻找全局最优困难的问题,改善图像质量;在微调阶段采用拟牛顿法加快收敛速度,减少训练时间。在COMSOL5.3软件上进行仿真试验,通过MATLAB2014a对图像进行重建。试验结果表明:DBN能够有效地重建图像,并且要优于传统算法;改进后的DBN训练时间缩短了5.51s,图像误差低至0.0094,相关系数高达0.9973,是研究ECT图像重建的新方法和手段。
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  科氏质量流量计测量含气液体流量关键技术综述

  徐浩然,徐科军,张伦,刘文,乐静,黄雅,刘陈慈

  计量学报. 2021, 42(4): 483-494. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.13

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  含气液体流量测量是科氏质量流量计面临的测量难题,对科氏质量流量计的驱动技术、信号处理技术都提出更高的要求。从驱动、信号处理、误差修正这3大核心技术出发对科氏质量流量计测量含气液体流量进行综述,分析含气液体流量下,驱动、信号处理以及误差修正技术的难点,并针对难点总结出含气液体流量下最佳的驱动技术、信号处理技术和误差修正技术。分析含气液体流量科氏质量流量计原始测量误差大的原因以及采用修正方法修正后的测量精度依旧无法达到单相流测量精度0.1级的原因,为提高科氏质量流量计测量含气液体流量的准确度提供参考。
力学计量
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  用于生物力学测量的新型电容式三维力传感器

  杨述焱,孙东杰,李丹若,宋爱国

  计量学报. 2021, 42(4): 495-502. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.14

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  针对生物力学测量的应用需求,考虑到电容型传感器温度特性好、功耗低等特点,研制了一种新型电容式三维力传感器。该传感器基于一种新颖的弹性体结构,以聚氨酯泡沫作为介质构成了3组电容,使得传感器能够同时感知3个维度的输入力分量并转化为3个通道的电容变化,利用ANSYS有限元分析确定了传感器的尺寸,使其各维度的量程达到±200N,安全过载大于150%。设计了由电容采集模块和信号处理模块组成的测量系统,嵌入传感器内部,一体化的设计实现了测量数据的实时解算和输出。此外,针对电容式传感器存在的迟滞效应和维间耦合干扰问题,建立了迟滞补偿与解耦模型。通过实验验证,该传感器的Ⅰ类误差低于2.8%,Ⅱ类误差低于4.6%。
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  一种基于残周期拟合的激光测冲击信号解调方法

  梁志国

  计量学报. 2021, 42(4): 503-510. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.15

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  针对激光干涉法冲击加速度校准中调频信号的数字化解调问题,提出一种基于残周期正弦波拟合的解调方法,使用约1/5周期的残周期正弦波模型进行滑动拟合,实现FM信号的数字化解调,对激光多普勒冲击信号波形具有良好的适应性,无需信号的截取等操作,拥有良好的算法稳定性和一个采样间隔的时间分辨力。在一组实际测量波形上的实验,验证了所述方法的正确性与可行性,为冲击加速度的计算提供了另外一种有效实用的数据处理方式。上述方法也可用于外差式激光干涉振动信号的解调。
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  激光测速仪定焦系统设计

  吕丹,林军,周健

  计量学报. 2021, 42(4): 511-514. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.16

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  为满足激光测速仪在米级距离的测速需要,设计了一种激光测速仪定焦系统。通过光束分析仪测量距离激光出射口不同位置处的光斑半径,利用函数拟合的方法得到激光束腰斑半径与腰斑位置。采用望远镜系统作为定焦系统的基本结构,通过MATLAB软件穷举定焦系统的各项参数,记录满足条件的参数。根据操作过程中的实际条件选择其中一种数据搭建定焦系统,作用于激光测速仪的探测激光,在4.5m或5.5m处光斑半径小于0.6mm,符合预期目标。
无线电、时间频率计量
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  基于改进BiSeNet的室内场景语义分割方法

  张立国,程瑶,金梅,王娜

  计量学报. 2021, 42(4): 515-520. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.17

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  室内场景的语义分割一直是深度学习语义分割领域的一个重要方向。室内语义分割主要存在的问题有语义类别多、很多物体类会有相互遮挡、某些类之间相似性较高等。针对这些问题,提出了一种用于室内场景语义分割的方法。该方法在BiSeNet(bilateral segmentation network)的网络结构基础上,引入了一个空洞金字塔池化层和多尺度特征融合模块,将上下文路径中的浅层细节特征与通过空洞金字塔池化得到的深层抽象特征进行融合,得到增强的内容特征,提高模型对室内场景语义分割的表现。该方法在ADE20K中关于室内场景的数据集上的MIoU表现,比SegNet高出23.5%,比改进前高出3.5%。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  低空气比释动能率系列过滤X射线辐射质的测量与研究

  王鹏,邢立腾,蒋伟

  计量学报. 2021, 42(4): 521-525. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.18

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  以ISO 4037中推荐的低空气比释动能率系列过滤X射线参考辐射为研究对象,设计合理的半值层测量实验,测量获取第一半值层的值;对建立的辐射质,利用碲锌镉能谱仪测量其过滤X射线能谱,将测量得到的脉冲高度谱经过数据处理和转换,计算出平均能量;根据X射线在材料铝和铜中的衰减规律,拟合单能X射线衰减曲线,计算出该系列过滤X射线的有效能量。测量和计算结果与推荐值进行了比较,两者符合较好。与ISO的半值层数值进行对比,偏差均小于5.0%。
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  基于傅里叶红外光谱仪的高温含水烟气中低浓度一氧化氮精确测量研究

  吕洪震,马若梦,张亮,林鸿,冯晓娟,方立德,张金涛

  计量学报. 2021, 42(4): 526-531. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.19

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  随着国家超低排放政策的深入,对烟气中污染物浓度精确测量提出了更高的要求。基于傅里叶红外光谱仪建立了高温含水条件下一氧化氮(NO)气体精确测量系统,在191℃条件下测量了含5%～20%水蒸气与摩尔分数为5～40μmol/mol NO混合前后的吸收光谱,通过修正混合物中H₂O的吸光度来精确确定NO浓度,并评价了系统测量不确定度。结果表明:NO在高温含水条件下测量结果与标准气体量值相对偏差小于1.8%,测量的扩展相对标准不确定度最大为2.8%(k=2),此系统具有良好的测量准确性和稳定性,对国家超低排放政策的执行和环保税的征收具有重要意义。
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  进气流量对PM_2.5切割器捕集效率的影响

  刘佳琪,张国城,赵晓宁,吴丹,荆文杰

  计量学报. 2021, 42(4): 532-536. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.20

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  市面上常见的切割器均规定了固定的工作流量,当进入切割器的气流量不符合其标准工作流量时,就会带来捕集效率的偏差。通过搭建基于静态箱法的切割器捕集效率评价系统,对国产、进口的旋风式PM2.5切割器的捕集效率进行了评价,研究了切割器标准工作流量及该值的70%、80%、120%、130%作为抽气流量时对PM2.5切割器的捕集效率的影响。实验结果表明,PM2.5切割器的Da50会随着进气流量的改变呈现相反的变化趋势,Da50值分布范围为标准工作流量下该值的140%至80%;但捕集效率曲线的几何标准偏差在不同进气流量下几乎不变,对比标准工作流量下的偏移量不超过0.9%。该研究结果对于进一步规范切割器的制造及使用提供参考。
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  基于CT图像卷积神经网络处理的新冠肺炎检测

  郭保苏,庄集超,吴凤和,车小双,袁林栋,齐军

  计量学报. 2021, 42(4): 537-544. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2021.04.21

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  为增强对新冠肺炎与普通肺炎的区分能力,协助医护人员对肺炎患者进行胸部CT检测,在人工智能图像分析的基础上提出了一种基于CT图像卷积神经网络处理新冠肺炎的检测方法。首先,搭建一个卷积神经网络模型,通过评估模型深度对检测结果的影响,以选择最佳的网络结构;其次,提出了一种禁忌遗传算法,用以获取网络模型中最优的超参数组合,增强模型的辨识能力;最后,通过最佳的卷积神经网络模型来辨别新冠肺炎与普通肺炎。实验结果表明:所提出的检测算法的准确率、MCC值和F1Score值分别为93.89%,93.32%和91.40%,相对其他模型具有更高的检测精度。