计量学报

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熊祎缇,康果果,张诚,徐同同,顾林棚,甘雪涛,潘奕捷,屈继峰

计量学报. 2022, 43(9): 1109-1114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.01

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针对线上耦合结构的高品质因数一维光子晶体微腔具有极低透射率的缺陷,提出研制一种具有高分辨率、高信噪比、高动态范围的侧边耦合一维光子晶体温度计。通过调制光子晶体单元结构的反射系数以及微腔和耦合波导之间的模场重叠,光子晶体器件的品质因数和透射率得到提高。制备得到的器件品质因数值、灵敏度、消光比和基模与二阶模之间的模式间隔分别为2.7×104、65.6pm/℃、0.45和18.5nm。采用扫频测量技术 ,该光子温度计具有mK量级分辨率和超过280℃的温度感应范围。

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基于坐标反推法的偏心轮轴升程测量

杨武伟,石照耀,林虎

计量学报. 2022, 43(9): 1115-1121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.02

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采用极坐标测量仪、三坐标测量机等通用型测量仪对偏心轮轴进行坐标测量,其主要配备的都是球形测头,无法直接测得偏心轮轴从动件所对应的升程及升程误差。针对此问题提出了一种基于坐标反推法的偏心轮轴升程测量方法。详细介绍了偏心轮轴的结构、对应不同测头的理论升程计算方法。推导了偏心轮轴表面轮廓点坐标反推平面测头、滚子测头和刀口测头的升程模型公式,利用最小二乘圆圆心和回转中心点确定了偏心圆轮的“桃尖”位置。在一台极坐标测量仪上进行了偏心轮轴测量实验,实验结果表明:基于坐标反推法的升程测量方法是有效的,对应3种测头的坐标反推升程与理论升程的差值分别为0.87, 0.90及0.90μm,基于坐标反推的升程能够更准确反映从动件实际运动规律。

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低噪声触针式表面粗糙度探测系统及测量不确定度分析

史舟淼,张树,施玉书,皮磊,胡佳成

计量学报. 2022, 43(9): 1122-1127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.03

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为了提升现有触针式表面粗糙度测量仪的计量能力,从降低仪器噪声水平的角度出发,研制了具有低噪声、无阿贝误差特性的触针式表面粗糙度探测系统。该系统采用样品扫描的方式进行接触测量,利用高精度电容传感器对触针的垂直运动进行实时测量,从而表征被测物的真实微观表面,实现了纳米尺度测量下的低噪声水平。系统使用校准触针式表面粗糙度测量仪的标准样板进行Ra测量和不确定度评估,结果表明:对Type C3标准样板测量的扩展不确定度U=2.8nm(k=2)。

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基于3D视觉的微通道换热器定位与尺寸测量

舒子超,曹松晓,蒋庆,徐志鹏,楼旭东

计量学报. 2022, 43(9): 1128-1134. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.04

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为实现微通道换热器生产线的自动化与智能化,提出一种基于3D视觉的微通道换热器定位与尺寸测量方法,以引导机械臂进行抓取上下料。首先,用3D相机以俯视角度拍摄产品,矫正获取的图像并将RGB图像与深度图像对齐;其次,通过产品3D信息的辅助实现精确的二维图像分割以及角点的二维坐标定位;最后,加权拟合角点的深度值,通过角点二维坐标及深度信息进行坐标转换得到其三维坐标,计算产品尺寸。实验结果表明:该算法能够在复杂的背景中实现精确的图像分割与尺寸测量,在测量距离为4000mm时相对测量误差可控制在1%以内,能够满足系统需求。

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基于微机电系统与径向基函数的水下航行器姿态检测

张春宇,刘福才,程雪聪

计量学报. 2022, 43(9): 1135-1141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.05

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为实现水下航行器自主运动控制,准确掌握水下航行器的运动姿态至关重要。微机电系统惯性传感器因具有体积小、成本低和功耗低等特点,被广泛应用于姿态检测系统当中。由于海底的工作环境复杂,故水下航行器在实验过程中设定有一定的非合作性;因此设计采用径向基函数神经网络算法对采集数据进行训练与分类。实验结果表明,微机电系统惯性传感器结合径向基函数神经网络算法对水下航行器的基本行为识别的平均召回率可达94%。

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用于光热反射显微热成像的位置漂移修正方法

刘岩,翟玉卫,丁晨,乔玉娥,荆晓冬,吴爱华

计量学报. 2022, 43(9): 1142-1146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.06

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光热反射显微热成像测试过程中需要采集若干被测图像,整个过程中图像各像素与被测表面位置的对应关系应保持不变,但是被测表面不可避免地会发生位置漂移,从而引起测量误差。结合光热反射显微热成像的具体应用场景和位置漂移的特性,设计了有针对性的亚像素图像配准算法,结合PID控制驱动三轴纳米位移台实现实时的位置漂移修正。实验验证了算法性能以及漂移修正效果,位移修正残差在5nm以内,与未补偿测量相比,位置漂移引入的误差得到了较好的抑制,提高了光热反射显微热成像测试的准确性。

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基于迈克尔逊干涉法的太赫兹波长精密测量

邬佳璐,方波,李剑敏,王震,高艳姣,蔡晋辉

计量学报. 2022, 43(9): 1147-1153. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.07

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搭建了以迈克尔逊干涉法为基础并引入参考激光作为光程变化度量值的分光路波长测量系统。利用理论分析配合软件仿真的方式研究测量光路中存在的影响因素,以动镜偏转、分束镜偏转和光束偏转导致的相对附加光程差作为评价标准进行分析与判定。测量结果表明:100GHz的太赫兹源波长为3.1142mm,相对扩展不确定度为0.9%(k=2)。使用标准太赫兹频率计对同一太赫兹源进行比对实验,获得修正系数为1.0035,从而验证了测量结果的准确性和太赫兹波长测量系统的可靠性。

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基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法研究

张超超,王建波,殷聪,张宝武,刘若男,席路,李孟瑶

计量学报. 2022, 43(9): 1154-1160. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.08

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报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,并通过高速模拟PID实现整个系统的闭环锁定。利用该光学锁相环系统进行了TECDL偏频锁定至光学频率梳(OFC)的实验,实验结果表明环路锁定后拍频频率波动在±0.3Hz范围内,偏置频率为50MHz时,光学锁相环系统在1s和1000s积分时间的相对阿伦方差分别为1.5×10^-9和8.5×10^-13。系统锁定后,拍频线宽由500kHz压缩至2kHz。该研究表明采用基于光学锁相环的激光稳频方法可以实现亚Hz级的激光频差控制,通过将TECDL偏频锁定至高稳定度的参考激光源可显著提高其频率稳定度,使其能够满足超精密测量、冷原子/离子干涉测量等领域对激光频率稳定度和准确度的要求。

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常温黑体光谱发射率校准技术研究

马宇轩,冯国进

计量学报. 2022, 43(9): 1161-1165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.09

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为了能够实现常温状态下的黑体光谱发射率的准确测量,基于连续可调激光器,搭建了一套中红外波段黑体光谱发射率测量装置。采用自行设计10mA恒流源对MCT探测器进行驱动,测量结果的动态范围从7.29×10⁴提高到4.32×10⁵,有效提升了探测系统的动态范围。该装置实现了覆盖光谱范围7.5~10.6μm,发射率测量量值范围0.01~0.9999的高精度测量,最优不确定度为4.0×10^-5(k=2)。

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基于离心-振动复合装置的加速度计整流误差校准

董雪明,王敏林

计量学报. 2022, 43(9): 1166-1171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.10

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通过对加速度计传统整流误差校准方法的分析研究,提出了基于离心-振动复合加速度输入的加速度计整流误差校准方案。并通过建立加速度计的非线性耦合模型,给出恒加速度和振动加速度复合作用下加速度计整流误差计算方法。利用研制的离心-振动复合校准装置, 进行了恒加速度和振动加速度复合作用下加速度计的整流误差试验,结果验证了基于恒加速度和振动加速度复合输入的加速度计整流误差校准方法的合理性和可行性。

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基于循环自编码网络的冷轧轧制力建模方法

孙浩,叶国良,翟博豪,呼子宇,赵志伟

计量学报. 2022, 43(9): 1172-1177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.11

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在钢铁冷连轧生产过程中,轧制力预测结果直接影响带材的轧制精度和产品质量。为进一步提高轧制力预测精度,同时实现模型的在线更新,避免漂移问题,提出了基于循环自编码网络的轧制力模型。首先,使用循环自编码网络对处理好的输入数据进行特征提取,为了加速网络训练,加入了小批量训练方法,然后使用高斯过程回归模型对提取到的特征进行回归拟合。仿真结果表明,该模型预测精度可达3%以内,能够实现轧制力的高精度在线预测。

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基于动态贝叶斯网络与DS证据理论的轧机颤振监测方法

时培明,刘奥运,张逸伦,高浩

计量学报. 2022, 43(9): 1178-1185. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.12

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提出了基于动态贝叶斯网络和DS(Dempster/Shafer)证据理论的轧机颤振实时监测方法,该方法预选多个时域和频域的特征参数表征轧机不同工况下振动信号的不同特征,利用稳定判别率方法筛选敏感度高的特征参数;使用动态贝叶斯网络与DS证据理论实时监测模型建立轧机颤振状态实时监测系统,构建连续的速度载荷时间片,将3个连续的速度载荷时间片作为DS证据理论的证据体,给出了优化基本概率分配的信任度方法,解决了DS证据理论的证据体间冲突问题;最后在轧机实验平台进行实验,诊断结果表明:该方法对轧机颤振不同状态的识别率达到99.05%。

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基于声速核查方法的天然气能量计量标准装置

王海同,李春辉,李梦娜

计量学报. 2022, 43(9): 1186-1191. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.13

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为解决天然气能量测量中组分数据测量频率低带来的测量周期内发热量变化无法核查的问题, 利用声速核查天然气组分变化导致发热量、压缩因子的变化,研究了声速核查能量模型,搭建了具备10MPa、2000m3/h测量能力的天然气能量计量标准装置,该装置测量能量的时间由原有的分钟级提升到秒级。通过天然气实流测量,对天然气能量计量标准装置的不确定度进行系统评定,其相对扩展不确定度为0.33%(k=2)。

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非刚性管中换能器灵敏度的测量方法研究

于龙晶,王月兵,唐佳玄,郑慧峰

计量学报. 2022, 43(9): 1192-1199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.14

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为实现非刚性管中的换能器低频灵敏度校准,提出了基于互易常数修正的管中灵敏度校准方法。首先,基于管中非刚性边界条件和声压的方程进行了互易常数的推导及修正,并围绕管中互易常数的修正开展了仿真分析,得到测量频率段互易常数的修正值;其次,搭建实验系统开展了基于互易法的管中换能器的灵敏度测量研究。研究表明,管中互易常数的修正使互易换能器灵敏度值更加接近自由场互易法测得的灵敏度值。在0.5~4kHz 频率范围,补偿后的互易换能器灵敏度级最大起伏为-1.41dB,极大改善了未修正的测量情况,与自由场测量值的误差较小,符合声学计量要求。通过对实验与仿真进行对比分析,验证了该方法的有效性和准确性。

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基于RFF及GWO-PF的锂电池SOC估计

吴忠强,胡晓宇,马博岩,侯林成,曹碧莲

计量学报. 2022, 43(9): 1200-1207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.15

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为了提高锂电池剩余电量估计的准确性,提出一种在线参数辨识与改进粒子滤波算法相结合的锂电池SOC估计方法。针对粒子滤波中的粒子退化问题,引入灰狼算法,利用灰狼算法较强的全局寻优能力优化粒子分布,保证粒子多样性,有效抑制粒子退化现象,提高滤波精度。采用带遗忘因子的递推最小二乘法实时更新模型参数,并与改进粒子滤波算法交替运行,进一步提高SOC的估计精度。实验结果表明,改进算法的平均估计误差始终保持在±0.15%以内,相比扩展卡尔曼滤波与无迹卡尔曼滤波算法,在电池SOC估计上有更高的估计精度与稳定性。

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基于熵权法的卫星钟差预报研究

梅长松,李天智,李铭,程昊,尹永珍,孔祥文

计量学报. 2022, 43(9): 1208-1215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.16

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星载原子钟是全球导航卫星系统的核心设备之一,其性能及钟差预报精度直接决定着导航定位授时服务的精度。针对卫星钟差组合预报技术中子模型权值难以确定的问题,将熵权法引入到北斗卫星钟差组合预报中。对卫星钟差数据中的粗差、钟跳等异常值进行相频域组合探测,并使用滑动拉格朗日内插法进行修补,得到“干净”钟差序列。以灰色模型和二次多项式模型作为基础模型,构建基于信息熵这一新的评价指标的钟差组合模型,建立北斗卫星钟差熵权组合预报模型。使用武汉大学IGS数据中心发布的北斗精密钟差数据产品,分别进行了连续多天的短期预报和中长期预报试验,多天的平均试验结果验证了熵权组合模型在北斗卫星钟差预报精度和稳定性方面较传统组合模型均存在一定优势。

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基于空气动力学的浮游菌采样器采集物理效率检测方法的研究

刘佳琪,张国城,吴丹,杨振琪,潘一廷,田莹,荆文杰,霍胜伟

计量学报. 2022, 43(9): 1216-1219. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.17

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基于空气动力学原理,提出了一种针对浮游菌采样器采集物理效率的新型检测方法,并搭建了检测装置,可以得到连续的采样效率曲线,直观获取不同动力学粒径对应的采集物理效率。分别评价了2款国产及1款进口的浮游菌采样器采集物理效率,结果发现国产采样器采样效率不及进口品牌,质量还有待提升。研究了多分散的亚利桑那超细试验粉尘与单分散颗粒物标物检测结果的差异,发现国产采样器的差异大于进口采样器。所提检测方法有助于提高浮游菌采样器采集物理效率检测的准确性、科学性及检测效率。

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双氧法测量烟气再循环率及不确定度分析

曾吉鹏,潘登,管坚,于吉明,高乃平,朱彤

计量学报. 2022, 43(9): 1220-1225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.18

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为准确测量、计算得到烟气再循环率,在燃气组分及浓度不变的情况下,基于化学反应平衡方程式推导得到烟气再循环率的计算公式,进而提出测量燃气锅炉烟气氧浓度和烟气-空气混合气氧浓度的双氧法。为定量分析测量结果的质量,基于国标中的GUM法对双氧法进行不确定度评定,并根据不确定度要求为仪器选择提出指导意见。研究发现,当烟气氧浓度测量结果为1.91%、混合气氧浓度测量结果为18.64%时,通过双氧法计算烟气再循环率R为13.45%,扩展不确定度为1.56%。混合气氧浓度测量不确定度对双氧法扩展不确定度影响很大,在选择测量仪器时,混合气氧浓度测量仪器的扩展不确定度可小于烟气氧浓度测量仪器。

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氢燃料电池用氢中杂质分析方法综述

王乐,胡树国,杨扬仲夫

计量学报. 2022, 43(9): 1226-1235. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.19

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介绍了质子交换膜燃料电池用氢气中14种气态杂质的可能来源以及对氢燃料电池系统的影响。对国际标准中的建议方法以及国内外相关文献中的离线检测方法进行总结,分析各种检测方法的优缺点。根据国内相关标准物质的数据,分析了标准研制的难点,并提出了可行的研制方案,报道了研究进展。概述加氢站氢气在线分析的相关文献,总结了在线分析可能的发展趋势。最后,根据氢燃料电池的现状与应用范围,展望了氢燃料电池的未来发展方向。

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气相色谱法测定邻苯二甲酸酐纯度的测量不确定度评定

丁新燕,周吉,王伟,闫海军,白苗苗

计量学报. 2022, 43(9): 1236-1240. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.20

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按照GB/T 15336-2013《邻苯二甲酸酐》,用气相色谱法测定邻苯二甲酸酐的纯度并建立数学模型,对测定过程中影响检测结果的各不确定度来源进行分析和评定。通过计算重复性、样品质量、溶剂体积、响应因子等因素带来的不确定度,得到邻苯二甲酸酐纯度测量结果的合成不确定度。实验结果表明,不确定度的主要影响因素为溶剂体积,其次为响应因子和样品质量。通过对不确定度进行评估,有利于提高检测结果的可靠性,可以为准确测定邻苯二甲酸酐的纯度提供理论依据。

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基于测量不确定度的测量过程特性分析

王勇,梁基超

计量学报. 2022, 43(9): 1241-1244. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.09.21

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为了合理评估测量过程,应全面掌握过程特性,分析因测量不确定度产生的合格概率和误判风险及其影响。结合测量管理体系对测量过程的要求进行定量分析,给出不同测量能力指数下合格概率的精确数值和计算实例,为测量过程的符合性判定提供参考。计算结果表明,当测量结果位于合格区间上、下限附近时,误判概率增大,应采取相应措施降低风险,满足测量要求。

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2022年, 第43卷, 第9期　
刊出日期：2022-09-28

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