2022年, 第43卷, 第10期　
刊出日期：2022-10-28

  

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力学计量
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  100kN·m静重式扭矩标准装置

  张智敏,胡刚,张跃,孟峰,张伟

  计量学报. 2022, 43(10): 1245-1249. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.01

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  介绍了中国计量科学研究院研制的100kN·m静重式扭矩标准装置。该装置采用高精度大承载的刀口支承机构,力臂采用单梁结构并配置了力臂限位保护机构,砝码加载系统采用内外圈砝码组和升降机构结合的结构形式,实现了1kN·m～100kN·m范围大扭矩量值的复现。理论分析和性能验证试验表明:100kN·m扭矩装置在1kN·m～100kN·m范围内的重复性优于5×10^-5,相对扩展不确定度优于1×10^-4(k=3)。
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  基于静力衡量法和光学法的超微容量测量方法对比分析

  刘鑫行,王思贤,孙斌,张竟月,王金涛

  计量学报. 2022, 43(10): 1250-1255. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.02

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  分别使用静力衡量法和光学法对超微容量进行测量。光学法测量中,按照分光原理分别设计了以时域分光和空域分光为基础的测量系统。2套光学测量系统在1μL和10μL的容量测量数据分别为0.967μL和0.929μL以及9.976μL和9.729μL;时域分光测量系统在1μL和10μL测量点重复性为3.2%和2.54%,空域分光测量系统为3.6%和2.02%。2套光学系统相比,时域分光系统的探测器灵敏度更好,在低浓度超微容量测量中能检测到更多光强信息。光学法与静力衡量法获得了相同的结论,证明了光学法在超微容量测量领域的可行性。光学法与静力衡量法相比,光学法针对液体蒸发的处理方法更加简单,光学元件的设计可以有效减小蒸发的影响。
几何量计量
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  改进YOLOv3算法用于铝型材表面缺陷检测

  姚波,温秀兰,焦良葆,王树刚,钱峥,李子康

  计量学报. 2022, 43(10): 1256-1261. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.03

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  针对目前铝型材表面缺陷检测存在的准确率、检测效率较低等问题,提出了一种基于改进的YOLOv3铝型材表面缺陷检测方法。首先通过k-均值聚类算法对采集到的数据集进行聚类分析,选取尺寸最优的目标候选框;考虑到铝型材表面缺陷较大,对YOLOv3的网络层级结构进行调整,并将目标检测层之前的6个CBL单元改成4个,再补充2个残差单元,以提高特征的复用。将提出方法用于铝型材表面缺陷检测,并与经典的卷积网络Faster-RCNN和SSD方法进行比较,实验结果表明,采用提出的算法准确率达到97%,检测速度达到47帧/s,明显优于经典的卷积网络Faster-RCNN和SSD,适于在有高精度快速性要求的铝型材表面缺陷检测中推广应用。
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  基于激光跟踪仪折射补偿的三维模体定位精度原位检测方法

  纪振超,李加福,杜华,朱小平,张辉,禹静

  计量学报. 2022, 43(10): 1262-1270. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.04

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  提出了基于激光跟踪仪折射补偿的三维模体定位精度原位检测方法,建立了ADM和IFM测距误差补偿与靶球空间位置坐标求解模型,进行了理论模型验证实验与三维模体定位精度检测对比实验,实现了激光跟踪仪在玻璃介质下的高精度测量。实验结果表明:X、Y、Z坐标补偿前后的平均偏差分别由3.410mm、0.407mm、1.732mm减小到0.022mm、0.015mm、0.035mm,相邻点距离的平均偏差由0.266mm减小到0.017mm,与空气中激光跟踪仪的测量精度相当。在此基础上,以无玻璃遮挡的悬挂式检测方法为基准,两种方法测得的定位误差基本吻合。最后,利用蒙特卡洛法分析得到相邻点距离测量误差的标准差为0.012mm,满足检测要求。
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  基于自适应特征融合的多尺度相关滤波跟踪

  张立国,杨曼,周思恩,金梅

  计量学报. 2022, 43(10): 1271-1278. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.05

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  为了减小目标跟踪中目标变形、光照影响、运动模糊以及目标旋转对跟踪效果的影响,在相关滤波KCF基础上,提出了一种基于自适应特征融合的多尺度相关滤波跟踪算法。首先,提取VGG19网络中conv2-2、conv3-4、conv5-4层的特征以及CN特征,并在conv2-2层加入CN特征;然后,将这3个特征分别代替HOG特征进行滤波学习,得到3幅响应图;进而对3幅响应图进行加权融合预测目标位置。最后,在尺度方面引入多尺度相关滤波器进行尺度的确定。该算法比KCF跟踪算法精确度和成功率分别提高了13.6%和11.8%。与现有的其他优异跟踪算法相比,该算法在应对运动模糊、背景杂乱、目标变形、平面旋转方面更具有较好的跟踪效果。
热学计量
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  高精度真空黑体温度场均匀性研究

  武强,郝小鹏,宋健,李国占

  计量学报. 2022, 43(10): 1279-1284. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.06

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  为进一步提高真空黑体的温度控制精度,采用理论分析、数值模拟和实验等手段对真空黑体的温度分布进行研究,推导了黑体与环境之间的热传递公式,分析了真空黑体温度分布特性。对特定的黑体结构,又进一步简化了其对应的温度场控制方程,在不损失精度的前提下,将三维模型简化为一维模型,降低了计算复杂度,缩短了仿真所用时间,同时也提高了求解过程中的数值稳定性。数值结果与实验数据吻合较好,但数值模拟所得真空黑体全局最大温差大于测量点之间温差,表明黑体的实际温度控制精度可能低于实验结果。
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  一种基于主成分分析的TDLAS高频噪声滤波

  常海涛,蔡静,温悦,朱玉梅

  计量学报. 2022, 43(10): 1279-1284. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.07

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  针对TDLAS高温测量时,吸收光谱容易受到探测器和硬件电路高频噪声干扰,进而影响温度测量准确度和探测灵敏度等问题,提出了一种基于主成分分析的去噪方法。首先将原始吸光度列向量进行矩阵化排列;然后通过主成分分析将其分解为主成分矩阵和得分矩阵;取合适的主成分数,利用截取部分主成分矩阵和得分矩阵重构原始数据,其中截留的主成分代表原始数据主要信息,而剔除的部分仅包含噪声信息。实验结果表明该方法用于TDLAS测量水蒸气温度,噪声去除率达81%,温度解算标准差从8.9降至5.3。
流量计量
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  基于收缩流动的气体超声流量计声道稀疏化及测量方法

  毛显谊,崔骊水,谢代梁

  计量学报. 2022, 43(10): 1291-1297. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.08

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  为了提高低声道数超声流量计的准确度水平,在传统超声流量计的基础上设计了一种具有收缩流动结构的低声道数超声流量计。采用数值模拟研究了渐缩管中收缩流动的流场特征,确定了渐缩管的几何参数及超声探头的安装方式。通过空气实流实验,研究了单声道及双声道在收缩流动条件下流量计量的基本特性。在流量范围27~432m3/h,管径范围100~150mm进行了实验验证。结果表明:收缩流动的数值模拟结果与理论模型相吻合,当渐缩管的收缩比由2增大为6,被测流场均匀区占比显著增大;当收缩比固定不变时,随着流量的增大,边界层厚度显著降低。通过实流实验比较不同结构和配置超声流量计的测量结果,发现单声道收缩管超声流量计的准确度水平显著优于传统单声道气体超声流量计,与传统双声道气体超声流量计的准确度水平相当。
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  测井用电动挤压式橡胶集流器集流性能分析

  张曦,孔维航,赵功达,刘嘉宇,李雷,邢光龙

  计量学报. 2022, 43(10): 1298-1305. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.09

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  针对常规测井用集流器存在的漏失、易刮破等问题,提出一种以橡胶弹性件为核心的电动挤压式橡胶集流器整体方案。该方案利用有限元法和Mooney-Rivlin超弹性本构模型,对所提橡胶弹性件进行仿真,研究了其形状、几何尺寸以及材料属性等对集流性能的影响规律。研制了电动挤压式橡胶集流器,在模拟井实验平台上测试其集流性能。实验结果表明,橡胶弹性件形状、硬度、与套管之间的摩擦系数、内凹程度均对其受力形变性能有显著的影响;采用硬度58HA、尺寸80mm×12mm、内凹量4mm、圆弧内凹型弹性件的橡胶集流器,其集流性能优于常规伞式集流器。
声学计量
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  基于机器视觉的聚焦换能器焦点快速定位研究

  彭圆,郑慧峰,董照诚,姚润广

  计量学报. 2022, 43(10): 1313-1318. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.11

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  提出一种基于机器视觉的聚焦换能器焦点快速定位方法,结合聚焦换能器的几何中心即焦点的特性,基于边缘连接的快速椭圆检测算法检测换能器边缘轮廓信息,从而得到焦点位置,通过坐标间的转换关系来计算机械臂坐标系下的焦点坐标,实现机械臂对换能器焦点的快速定位。对焦平面进行声场扫描得到换能器的实际焦点坐标以验证该方法所得焦点坐标准确性。实验结果表明:该方法所定位焦点在-3dB实际焦点直径范围内定位准确。
电磁学计量
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  伺服电机转子位置检测的误差分析与补偿

  张天恒,童鹏,杨继森

  计量学报. 2022, 43(10): 1319-1325. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.12

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  针对伺服电机转子位置检测中存在安装不方便、成本高等问题,提出了基于隧道磁阻效应和时栅技术相结合的转子位置检测单元的设计方案。将空间正交的一对TMR传感单元嵌入在电机的前端盖上,实现嵌入式位置精密检测。根据检测单元转子位置解算原理,分析了检测单元的安装误差、电气误差、电磁噪声误差等引起的误差成分。提出了基于超限学习机的误差补偿方法,通过对真实值和测量值样本的训练得到模型最优参数,根据模型参数建立转子位置的误差模型。利用所得到误差模型实现对转子位置的误差补偿。实验结果表明,在2000r/min匀速工况下,补偿前转子位置最大测量误差为4.64°,补偿后转子位置误差为0.315°,精度提升了93.2%,为伺服电机转子位置检测提供了新的方法。
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  一种改进的自适应多元变分模态分解轴承故障信号特征提取方法

  时培明,张慧超,伊思颖,韩东颖

  计量学报. 2022, 43(10): 1326-1334. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.13

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  针对实际工程中轴承信号的非线性和非平稳性,提出一种自适应多元变分模态分解算法。多元变分模态的分解效果主要与本征模态数k和惩罚参数α相关,为了解决人为经验参数设置对多元信号分解结果的影响,一种自适应的信号分解算法被提出。具体内容如下:首先将混合灰狼算法与多元变分模态分解算法相结合,提出最小模态重叠分量指标,将其作为适应度函数来寻求(k, α)的最优解,按照最优解对多元信号进行分解,提取故障特征。采用仿真信号和实际数据来验证所提方法的有效性和准确性,通过与多元经验模态分解、级联变分模态分解的对比分析,验证该算法在滚动轴承故障特征提取方面的高效性和实用性。
无线电、时间频率计量
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  基于卡尔曼滤波和粒子滤波融合的UWB室内定位算法

  程雪聪,刘福才,黄茹楠

  计量学报. 2022, 43(10): 1335-1340. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.14

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  基于超宽带(ultra-wideband,UWB)室内定位技术得到了广泛的发展,然而,在LOS(line-of-sight)和NLOS(non-line-of-sight)环境下的UWB的测距信息均存在不同程度的误差,因此,提出了一种改进的卡尔曼滤波算法对UWB原始数据进行平滑处理;之后提出卡尔曼滤波(Kalman filters and particle filters,KPF)和粒子滤波融合的算法。通过卡尔曼滤波得到的状态量和误差协方差进行粒子采样,克服了传统粒子滤波进行粒子采样时的运动学模型与实际运动不相符的缺点,大幅减少了粒子退化的现象。经过实验,该算法在LOS和NLOS环境中的定位精度分别提升了20.6%和15.6%。
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  基于GST-ECNN的运动想象脑电信号识别方法

  金海龙,邬霞,樊凤杰,王金萍

  计量学报. 2022, 43(10): 1341-1347. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.15

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  在对脑电信号的解码研究中,存在着现有时频分析方法对高频信号处理能力有限,多通道信号信息冗余,常用卷积神经网络分类器ReLU激活函数受学习速率的影响较大,对不同层采用相同的正则化很难获得满意结果等问题。为此,提出了一种基于广义S变换特征提取和增强卷积神经网络分类相结合的方法,同时提出一种结合Relief算法和向前选择搜索策略的包裹式方法进行通道选择。结果表明,提出的方法利用较少的信号通道,具有更强的特征提取和分类的能力,在第Ⅳ届BCI的数据集I上取得最高98.44±1.5%的分类准确率,高于其他现有算法。该方法良好的分类性能不仅减少了计算消耗,也有效提高了分类准确率,对脑电信号特征提取和分类具有一定的参考意义。
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  时间计量理论及其发展

  王若璞,邓向瑞,佟帅,张超

  计量学报. 2022, 43(10): 1348-1358. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.16

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  时间作为基本的物理量之一,在科学研究、国防与经济建设以及人们日常生活中发挥着重要作用。通过系统回顾时间计量系统的发展历程,详细阐述了各时期时间计量系统建立的理论基础与方法,研究了各种时间尺度的定义及具体实现,给出了各时间系统之间的转换关系,分析梳理了各自的优缺点,并对计时系统未来可能的发展方向作了展望。对于系统学习并深入理解时间计量理论发展历史与高精度时间计量数据处理与应用具有一定参考价值。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  低能X射线空气比释动能国际关键比对

  赵瑞,吴金杰,樊松,王培玮,余继利

  计量学报. 2022, 43(10): 1359-1365. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.17

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  为促进我国在低能X射线空气比释动能计量领域内的量值统一并达到国际等效,中国计量科学研究院(NIM)于2018年采用平板自由空气基准电离室复现低能X射线空气比释动能,并通过传递电离室Radcal-RC6M在国际计量局(BIPM)低能X射线辐射场中开展了间接比对,其比对结果在合成标准不确定度为0.37%范围内与国际计量局等效一致,该比对结果已纳入国际计量局的关键比对数据库(KCDB)。
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  使用单能X射线辐射装置对CdTe探测效率的实验刻度

  余涛,郭思明,周建斌,蒋政,郄晓雨,郭锴悦,吴金杰

  计量学报. 2022, 43(10): 1366-1370. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.18

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  CdTe探测器对单能平行光子源的绝对测量之前,需要进行效率刻度。利用MCNP5蒙特卡罗模拟程序建立CdTe探测器物理模型,模拟计算了10~260keV能量段能点的本征探测效率,在10~60keV能量段探测效率高于75%。用单能X射线装置和HPGe探测器对CdTe探测器本征探测效率进行了实验刻度。结果表明,在10~100keV能量范围内CdTe探测器的模拟效率与实验效率趋势一致,最大误差不超过5.6%。因为Te元素在27keV和32keV处会产生逃逸峰,导致探测效率在这2个能量处有明显下降趋势。用241Am和133Ba放射源对CdTe探测器进行效率刻度验证,在能量为59.54keV和81keV放射源标定的探测效率与单能X射线辐射装置测量值相符。
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  基于最大似然原理的电厂混煤均匀性确定

  刘福国,赵中华,刘科,王守恩

  计量学报. 2022, 43(10): 1371-1377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.19

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  采用传统采样分析法对电厂混煤混合均匀性进行评估存在较大困难。将掺混原煤看作是各种成分符合不同概率分布的混合物,在原煤掺混而成的混煤中,某种成分的概率分布由原煤该成分分布、混合比例以及颗粒混合状态共同决定。以挥发分作为示踪成分,考察了掺混过程中挥发分概率分布的变化,在给定原煤挥发分分布和混煤挥发分样本集的情况下,采用最大似然原理对混煤中各种原煤掺混比例和标准差进行估计,进而对混合状态进行评估。研究表明,掺混模型对实际掺混系统的预测结果与原煤消耗量的统计数据吻合良好;多工况仿真实验也表明,掺混系统混合质量越差,模型的预测精度越高。
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  气旋式生物气溶胶采样器采集物理效率评价方法研究

  刘佳琪,张国城,吴丹,田莹,沈上圯,杨振琪,荆文杰,霍胜伟

  计量学报. 2022, 43(10): 1378-1381. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.20

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  为了评价气旋式生物气溶胶采样器的采集效率,搭建了颗粒物浓度均匀、稳定的静态箱法评价装置,对国内2款气旋式生物气溶胶采样器的采集物理效率进行了测量,最终拟合得到采集效率曲线。测量结果表明:在品牌一采样器的固定采样流量下,其采集物理效率曲线的Da50(采集效率为50%时的空气动力学直径)为0.91μm;品牌二采样器具有5种可调的采样流量,在不同流量下Da50分别为1.60μm、1.36μm、1.19μm、1.06μm和1.05μm。对比了使用初始容量分别为15mL和7.5mL的采样液得到的品牌二采样器的采集物理效率,发现采样液初始容量较少时,采集物理效率偏低。为气旋式生物气溶胶采样器性能的评价方法提供了参考。
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  生物表型和表型组标准化的现状与展望

  张永卓,高颖,牛春艳,傅博强,王晶

  计量学报. 2022, 43(10): 1382-1388. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.21

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  随着高通量测序等现代分析技术的不断进步,探索生命体内在机理与外在表征的关系特别是生物表型组的研究愈发深入。而对基因、环境和表型关联研究的精准诉求,使得生物表型组的标准化变得至关重要。由于生物表型组涵盖范围广、种类多、表型特征差异大,无标准可依严重制约了科学研究以及行业发展。从标准化的角度,对生物表型相关概念、发展以及生物表型组标准化面临的问题进行分析与展望,以期对种类繁多、数据各异的生物表型组领域高质量发展提供计量技术及标准支持。
流量计量
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  基于卷积神经网络与门控循环单元的气液两相流流型识别方法

  张立峰,王智,吴思橙

  计量学报. 2022, 43(10): 1306-1312. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.10.10

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  提出了一种基于卷积神经网络(CNN)与门控循环单元(GRU)的垂直管道气液两相流流型识别方法。该方法基于电阻层析成像(ERT)系统的重建图像,对其填充处理后进行离散余弦变换(DCT),求取最大、最小 DCT 系数的差值,选取一定帧数长度数据作为网络输入,对流型进行识别。分析了输入序列长度对CNN-GRU、CNN 及 GRU 网络分类准确的影响,确定了最佳输入向量维度分别为 60、65 及 50,使用实验数据对3种网络进行训练、测试,结果表明,CNN-GRU网络分类准确率最高,平均流型识别准确率可达 99.40%。