2024年, 第45卷, 第12期　
刊出日期：2024-12-28

  

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几何量计量
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  光纤长度标准装置及其结果修正研究

  袁伟炳,孟飞,林百科,杨凯,陈亮,方占军

  计量学报. 2024, 45(12): 1745-1752. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.01

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  为了更好地满足国内光时域反射计(OTDR)的长度量值计量需求,研制了一套基于调制相移法原理的光纤长度标准。装置采用模块化设计,实现了激光器驱动、信号调制、光电转换及频率变换等主要系统单元,并增加了1550nm窗口的长度测量能力。通过独立测量光纤温度修正系数及波长修正系数,在国内已报道的光纤长度标准研究结果中实现对温度及通信窗口测试光源波长不同而引起长度量值变化的归一化修正,并给出完整的不确定度评估结果,为面向OTDR检定领域的光纤长度量值溯源提供了实验依据及新的思路和方法。实验结果表明,光纤长度测量结果不确定度在1310nm窗口和1550nm窗口下分别为U=(0.016+7.2×10^-6L)m(k=2)和U=(0.028+7.2×10^-6L)m(k=2)。使用该标准标定OTDR传递标准用14km光纤,不确定度为0.13m(k=2),相较于现行标准指标提升近1倍。
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  六轴串联机器人关节转角误差补偿及运动学标定

  陈立峰,林俊言,王凌,林剑,钱家杰,王斌锐

  计量学报. 2024, 45(12): 1753-1761. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.02

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  机器人运动学标定是几何量计量领域的热门研究方向之一。针对现有串联机器人运动学标定方法一般都忽视关节转角误差补偿的问题,在六轴串联机器人关节转角误差实验数据分析基础上,提出一种基于切比雪夫多项式拟合的机器人关节转角误差补偿,并在关节转角误差补偿之后进行机器人本体运动学标定。然后,利用激光跟踪仪对ABB IRB 1410机器人进行关节转角误差补偿和本体运动学标定实验验证,实验结果表明:该方法可以将机器人的绝对定位误差均值由2.11mm降至0.66mm。研究工作将为进一步提升机器人定位准确度提供理论基础和技术条件。
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  基于单传感器的晶圆校准器旋转轴回转误差补偿研究

  郑鹏,陈锃琰,唐之晨,阮育娇,王若宇,赵岩,刘暾东

  计量学报. 2024, 45(12): 1762-1771. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.03

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  半导体晶圆校准器旋转轴的回转误差补偿是提高晶圆校准器定位精度的关键技术,为此提出一种基于单传感器的晶圆校准器旋转轴回转误差补偿方法,可有效避免在装置中引入多传感器等辅助设备带来的新误差和多次标定问题。该方法采用集合平均和小波阈值去噪的双重滤波法降低采集信号的随机噪声,通过数理统计误差分离法精确分离高信噪比测量信号中混入的圆度误差;同时根据多步法计算准确的回转误差,利用得到的误差数据对传感器检测的晶圆圆周数据进行修正实现补偿。实验结果表明:晶圆校准器定位的校准偏差在0.02mm左右,提高了校准精度,验证了方法的有效性。
光学计量
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  基于无人机航拍视频车辆多目标跟踪算法研究

  朱奇光,商健,刘博,岑强,陈卫东

  计量学报. 2024, 45(12): 1772-1779. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.04

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  为了提高无人机视觉平台下的车辆多目标跟踪精度,提出了一种改进YOLOv7网络与优化ByteTrack算法相结合的无人机视觉车辆多目标跟踪算法。首先,针对小目标特征不明显的情况,增强了YOLOv7网络浅层语义信息的特征提取能力,同时采用SIoU-Loss对坐标损失函数进行优化,加快锚框收敛速度;其次,根据车辆运动特点,在ByteTrack算法的基础上,将卡尔曼滤波算法的状态向量融入加速度信息;最后,在VisDrone2021数据集上验证算法的有效性。实验结果表明:改进YOLOv7网络的平均检测精度比原网络提高3.2%,跟踪算法准确度比基准算法提高1.2%,高阶跟踪精度提高2.9%。
热学计量
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  防护热板导热仪校准热流计的研究

  孙泽龙,许淑惠,张金涛

  计量学报. 2024, 45(12): 1780-1786. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.05

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  热阻式热流计在建筑行业、工业节能等方面有着广泛的应用,但目前我国尚无规范的热流计量标准,且缺少标准化的热源,导致热阻式热流计测量热流的一致性不佳。防护热板导热仪具有在计量板上产生精确可测量的单向热流的能力。为此,采用中国计量科学研究院研制的高性能单试样防护热板导热仪对2支国外精准热流计与2支国产热流计进行校准方法的研究,以40mm厚岩棉作为热阻尼围护材料,设计了将热流计的测试面贴近计量板(工况1)、放置在岩棉的中间(工况2)和贴近冷板(工况3)三种工况,测量各个热流计的灵敏度系数C。工况2下,C的实测值与2支国外的热流计示值的偏差最小,相对偏差约7%;4支热流计的实验结果一致显示,工况2下C值最低,工况1最高。分析认为是构成热流计的有机固体物的导热系数大于岩棉,同时接触计量板或冷板面,热流穿过热流计单元的阻力小于穿过岩棉,导致热流的分布不是单方向的,接触面上的热流分布不均匀,热流计单元吸收了更多的热流,使得C的示值偏大。
流量计量
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  永置式石油生产地面单井口电导阵列多组分测量装置及应用研究

  孔德明,郝虎,陈晓玉,陈基亮,吴培良,孔维航,孔令富

  计量学报. 2024, 45(12): 1787-1796. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.06

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  为了解决石油生产领域可供长期、稳定、可靠使用的地面单井口油气水三相流参数监测装置的紧迫需要,采用有限元法建立了所研制监测装置的数值仿真模型,对其结构参数、电学特性、灵敏度分布及响应特性等进行了分析与优化设计,从而确定了该监测装置的最优结构和最佳性能指标。在此基础上,研制了一种永置式石油生产地面单井口电导阵列多组分测量装置(PSSWCAMMD_OP),搭建了电导阵列多组分测量平台,并开展了实验研究,实验结果表明:在气相流量为5～20m³/d、液相流量为30～70m³/d、液相含水率为70%～90%等油气水三相流工况下,该测量装置具有良好的多组分测量性能,多组分测量精度优于3.7%。
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  基于1-bit压缩感知非凸算法的平面ECT图像重建

  唐志浩 张立峰

  计量学报. 2024, 45(12): 1797-1803. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.07

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  为提高平面电容成像系统的成像质量并提高重建速度,提出了一种基于1-bit压缩感知(1-bit CS)非凸算法的平面ECT图像重建方法。首先,利用离散余弦基(DCT)对灰度值进行稀疏表示;其次,引入极大极小凹惩罚(MCP)作为正则化项,并建立1-bit CS MCP正则化模型;然后,通过MCP非凸算法迭代更新对偶解的近端算子,以求取最优对偶解;最后,根据对偶解求出重建灰度值并进行图像重建。仿真与实验结果表明,相比于Tikhonov算法、Landweber算法及传统压缩感知算法,所提方法得到的重建图像平均相对误差和相关系数分别为0.0496和0.9435,平均重建时间约为0.1723s,均优于其他3种算法,缺陷还原度及重建速度有明显提升。
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  基于L1+p范数的ECT正则化图像重建算法研究

  马敏,林琮皓

  计量学报. 2024, 45(12): 1804-1810. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.08

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  针对基于正则化方法优化电容层析成像过程中, L1 范数过度忽略图像特征,L2 范数过于平滑,导致成像质量不佳的问题,提出了一种基于 L1+p 范数的 ECT 正则化图像重建方法。利用 L1+p (0<p< 1)范数作为损失函数的正则化项,通过调节参数 p的值,使得 ECT 图像重建同时兼具稀疏性和光滑性。
  仿真结果表明,在复杂多泡流模型的成像中引入L1+p范数的改进正则化算法后,相关系数相较LBP算法平均提升了77.04%;相较Tikhonov正则化算法平均提升了36.18%,相较L1正则化平均提升了41%。气固两相流实验表明,算法能够有效提升成像质量,且能够实时调节成像稀疏性。
  
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  基于雷达波的非侵入式排水管道流量测量

  吴静,吕婧,李小玲,路瑞利

  计量学报. 2024, 45(12): 1811-1817. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.09

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  依据连续波雷达测位移原理和雷达波穿透性强的特点,在建立了传播路径与雷达波信号强度的关系模型的基础上,确立了液位与雷达波中频信号的关系,提出了一种非侵入式管道中水流的液位测量方法,并根据曼宁公式计算重力流排水管道水流流速,实现了基于雷达波的非侵入式排水管道流量测量。通过与参考电磁流量计测量数据比对,实验结果表明:提出的非侵入式流量测量方法的平均误差在3.5%以内,能满足绝大多数重力流的流量测量准确度要求。
力学计量
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  货场集装箱空重混装匹配及计量算法

  宫兴琦,姜会增,刘宗东,安爱民,周美灵

  计量学报. 2024, 45(12): 1818-1823. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.10

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  针对铁路货场集装箱装车空重混装匹配及计量难的问题，创新性的将集装箱的称重信息及空间信息相结合。结果表明：两个二十尺寸的集装箱装在同一辆货车上时，通过上升沿、下降沿判断集装箱作业状态，位置丢失时根据速度进行拟合，最终判别一个货车上的两箱落点距离为6000mm左右，与二十英尺集装箱外径长度一致。通过将匹配到的两个集装箱的八个受力点进行力矩平衡运算，将两个集装箱的偏载偏重状态转换为整车计量状态，并与铁路货运安全平台中的数据进行对比，总重误差平均值为0.4%，X向偏重误差平均值为0.3t，Y向偏移误差平均值为3.46mm。
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  基于改进Resnet-LSTM模型的系泊缆仿真张力预测

  张火明,黄敏,陆萍蓝

  计量学报. 2024, 45(12): 1824-1831. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.11

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  对海洋浮式平台系泊系统在复杂多变的作业环境受到的线性、非线性作用力进行了预测,预测过程中对长短周期记忆(LSTM)单模型预测网络隐藏层数、迭代次数和学习速率做了优化。提出了具有可变卷积和小波基激活函数的多层特征提取特性和变阈值残差收缩预测功能的混合预测模型,对平台运动响应多点系泊系统整体受力进行非线性映射,分析了多点系泊缆模型,得到了风浪流联合作用下的系泊缆张力值。使用LSTM单模型、Resnet-LSTM混合模型和改进混合模型对系泊力仿真数据集进行训练预测。结果显示:采用Resnet-LSTM混合模型预测准确度可达0.9974,使用可变卷积改进的Resnet-LSTM预测效果优于未改进模型,各项网络参数和预测指标得以优化。证明基于Resnet-LSTM的改进混合预测模型应用在多点系泊系统张力非线性时序特征预测应用方面具有提升网络性能的作用。
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  基于MPGCN-Resnet的滚动轴承故障诊断研究

  严胜利,付辉,李浩

  计量学报. 2024, 45(12): 1832-1840. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.12

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  滚动轴承装设在各类机床等生产机械中,易出现故障并失效,需要持续监测以确保其安全可靠运行。基于此,设计了多路并行图卷积残差网络(MPGCN-Resnet)完成滚动轴承故障诊断。MPGCN-Resnet共包含4个部分:基于Cmor小波的时频图获取部分完成了各类故障振动信号中重构与拆解的细化处理;基于多路平行网络的特征获取部分可提升泛化性并加快收敛;残差结构图神经网络下的特征学习部分完成了特征学习,并实现了滚动轴承故障特征的深度发掘;GAP-Softmax故障分类部分完成了滚动轴承故障的有效诊断。采用CWRU轴承数据集完成MPGCN-Resnet和IHDSVM-Alexnet、MSATM方法在变工况、变噪声情况下准确度和损失值的对比与分析实验。结果表明,MPGCN-Resnet对滚动轴承的平均故障诊断准确度可达96.4%,在-6dB的噪声环境中高于91%,在负载突变3×0.75kW时大于90%。MPGCN-Resnet在各类变工况和变噪声环境中的滚动轴承故障诊断准确率均高于其他两种方法,并能缓解参量增加和过度计算的问题。
声学计量
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  基于希尔伯特-黄变换的2.2MW风力发电机噪声特征研究

  何杰,张世玮,孙兵川,薛明华,苏明旭

  计量学报. 2024, 45(12): 1841-1848. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.13

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  在某大型风电场2.2MW水平轴风力发电机周围,上下风向及60°夹角处布置了6个测点,实验测量风力机气动噪声,经1/3倍频分析获得了6.55~15.00m/s风速条件测点总声压级变化关系。在此基础上,运用经验模态分解(EMD)和希尔伯特-黄变换(HHT)方法,结合边际谱分析获取了关键的风力机噪声时频变化特征。结果表明:与标准测点对比,同向60°测点的总声压级非常接近,风力机上风向4#测点噪声水平偏低;通过EMD得出的方差贡献率和相关系数均表明:噪声主要能量集中在770~1120Hz频段;边际谱的主频与其对应风速间存在较好的3次方拟合关系。
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  基于光子自相关法的声压测量研究

  卢涛,刘纪龙,朱卫民,齐芳

  计量学报. 2024, 45(12): 1849-1854. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.14

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  为解决传统基于自相关器的实验系统检测空气自由场声压时自相关延迟时间τ 值步进过大的问题,基于光子自相关法搭建了消声箱环境、并设制了无固定频移的光路系统、信号采集及处理系统。该系统将自相关延迟时间的步进值减小到1 μs,相较于传统基于自相关器的实验系统声压测量误差减少0.2dB。最后,与传声器法和传统光子自相关法进行了比较,在600~1200Hz范围内对106.4dB声压的测量结果表明:该声压测量方法对空气声场声压的测量最大偏差为0.6dB。
电磁学计量
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  量子电压芯片中片上功分器的研究

  李晓宇,徐思思,程千硕,钟源,曹文会,李劲劲

  计量学报. 2024, 45(12): 1855-1861. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.15

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  在量子电压芯片中使用功率分配器实现多条约瑟夫森结阵微波供给是提高量子芯片输出电压幅值的重要方法之一。通过π型LC电路可缩减片上威尔金森功分器的面积,在其基础上可增加1个λ/4变换器以拓宽工作带宽。在设计仿真的基础上研制了1种片上宽带威尔金森功分器,通过仿真得到在13~23GHz的范围内,2路功率范围为(3.0±0.25)dB。在12~23GHz的范围内,端口输入和输出回波损耗分别低于-12dB和-10.5dB。在1.5~30GHz的范围内,分别对有无功分器的3条阵列进行馈入微波,测试结果表明3条约瑟夫森结阵列电磁特性一致,证明该功分器能够有效实现2路等分输出。
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  基于叉指电容结构的双频段谐振复介电常数传感器

  杜鸣鹤,王泽宇,袁昊云,邵琳湘,房丽丽,鲍秀娥

  计量学报. 2024, 45(12): 1862-1867. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.16

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  基于叉指电容结构设计了一种双频段谐振传感器,用于液体复介电常数的测量。通过仿真分析、加工和实测,验证了该传感器在灵敏度、小型化和工作带宽等方面的优势。仿真和实测结果均表明,该双频段谐振传感器灵敏度高达5.2%,能够用极少量的液体同时实现两个频点液体复介电常数的无损测量,并可基于一定的校准操作测量甲醇-乙醇混合溶液的浓度。通过同时获取两个频点的测试数据,测量误差由4.2%下降至2%,有效提高了液体复介电常数测量的准确度。此外,可进一步调整叉指电容结构尺寸,拓展成多频段谐振传感器,以实现液体宽频带介电谱的准确获取。
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  基于多项优化哈里斯鹰算法的同步电机参数辨识

  廖正霖,沈艳霞

  计量学报. 2024, 45(12): 1868-1875. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.17

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  针对永磁同步电机(PMSM)参数辨识领域的传统方法存在难以同时辨识多参数、辨识精度不够高等问题,提出一种参数辨识算法。该算法中采用了哈里斯鹰优化算法。为了提高参数辨识的准确度和稳定性,从3个方面对哈里斯鹰算法进行改进:首先,从种群的初始化方向引入Logistic混沌映射来初始化鹰群的位置,增加种群的多样性,加快辨识算法的收敛速度;其次,从鹰群位置更新的角度考虑,通过随机反向学习策略优化鹰群中位置最差个体,使算法的模糊性和随机性提高,增强全局搜索性能,使辨识结果更精确;最后,为了防止过早收敛,将目前的最佳个体位置保留进入下一次迭代,改善传统哈里斯鹰算法易陷入局部最优和精度下降的问题。在基于PMSM电压方程建立的数学模型基础上,将多项优化的哈里斯鹰算法(MIHHO)和标准哈里斯鹰算法(HHO)、粒子群算法(PSO)以及麻雀搜索算法(SSA)进行测试。经过仿真和实验证明,MIHHO对于PMSM参数辨识具有更加优秀的稳定性、收敛速度以及更高的辨识精度。
无线电、时间频率计量
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  基于改进混沌粒子群算法的交通信号控制

  吴鹏,叶宝林,吴维敏,陈滨,张一嘉

  计量学报. 2024, 45(12): 1876-1884. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.18

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  由于全局搜索能力有限,基于传统粒子群优化(PSO)算法的交通信号控制(TSC)方法容易陷入局部最优。另外,采用固定信号周期的TSC模型在应对随时间变化的复杂交通流量时缺乏灵活性。针对这些问题,提出了一种基于改进混沌粒子群优化(ICPSO)算法的TSC方法,利用混沌运动增强全局搜索能力以克服局部最优。所提ICPSO算法为种群中适应度较高的精英粒子引入邻域半径参数,实施邻域混沌搜索,保留粒子有利特性的同时可提高其跳出局部最优的能力。此外,设计了一种根据时变车流量动态调整信号周期长度的变周期TSC模型(VTSC),以灵活应对复杂交通状况。为了评估所提方法的性能,在VISSIM仿真环境中进行了仿真实验。实验结果表明,与基线方法相比,所提方法降低了9.34%的平均排队长度和15.28%的最大排队长度,并减少了9.45%的平均延误时间和5%的平均停车次数。
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  用于守时系统的小型铯原子喷泉钟

  金双浩,林平卫,茹宁,马彦宁,江文松,罗哉

  计量学报. 2024, 45(12): 1885-1891. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.19

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  小型铯原子喷泉钟由于具有优异的长期稳定度性能,同时具有高可靠、自动化、小型化、可移动的优点,有潜力通过车载形式实现移动式的守时钟,作为守时原子钟组的节点钟,保证准确的频率信号和时间信号。经研制,小型铯原子喷泉钟NIM-TF3的频率稳定度为2.7×10^-13@s,5.3×10^-15@天。NIM-TF3采用了集成式激光系统和一体化电控系统,能够实现长期自动连续运转,并将研制的小型微波频率综合器和物理系统集成,显著减小了系统体积,增强了整体稳定性与可靠性。此外,通过评估发现其C场分布不均引起的二阶塞曼相对频移为7.3×10^-14,不确定度为0.2×10^-15。NIM-TF3整体体积小于0.7m³,具有成为车载喷泉钟的潜力。
电离辐射、化学计量与生物计量
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  医用乳腺X线机管电压量传技术研究

  任国月,郭思明,秦峰,马伯轩

  计量学报. 2024, 45(12): 1892-1899. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.20

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  随着诊断X射线质量评价体系的不断完善,管电压已经成为与半值层、同质系数以及等效组织深度等评价X射线辐射束质量的重要指标。主要研究了医用乳腺X线机管电压的测量方法和溯源方法。管电压的测量采用了分压箱分压法和能谱终点法2种方法。将测量结果对市场上常用的几种半导体探测器进行了量传。实验结果表明,2种方法测量管电压的最大误差在1.0%以内,验证了分压箱分压法以及能谱终点法测量得到的管电压的结果是可靠的 。对国内市场上常用的4种半导体探测器管电压测量结果进行了校准,相对固有误差的偏差都在2.0%以内,满足医用乳腺X线机质控的需求。
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  基于个性化特征分析的表面肌电手势识别

  刘栋博,刘韵,房玉,易民升,王维博

  计量学报. 2024, 45(12): 1900-1908. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.21

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  使用表面肌电信号对手势动作进行识别是实现人工智能假肢控制的重要方法。表面肌电信号是从皮肤表层采集的肌电信号,在一定程度上可以反映神经肌肉的活动。由于其随机非平稳的特性,利用表面肌电信号控制人工智能假肢始终无法达到理想的效果,特别是体现在性别等个体差异的影响上。通过差异化性别特征分析,针对7类手势动作提出了一种基于表面肌电信号的手势识别方法。实验结果表明,该方法在5种分类器中的识别准确率都有明显提升。其中线性判别分析的提升最为显著,达到了15.84%;支持向量机和极端梯度提升在手势识别中效果最好,准确率达到了98.41%。
计量学总论
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  非国际单位制单位及其与国际单位制词头的结合使用

  Richard J C Brown，译者 曹晶,任思源,于连超

  计量学报. 2024, 45(12): 1909-1916. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.12.22

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  国际单位制(SI)是近代最伟大的科学、技术和政治成就之一。由于历史沿袭原因,在SI被正式引入后,一些非SI单位仍在继续使用,但这样会丧失SI的一致性优势。回顾了历次SI手册修订中允许使用的非SI单位的情况,特别是它们与SI词头结合使用的相关规则,并指出随着SI在现代社会中的深入应用,非SI单位的使用正显著减少。分析了目前的情况,即仍有一小部分非SI单位在与SI一起使用,这可能是因为这些非SI单位被列入了SI手册,从而获得了类似SI的地位。因此,应当尽可能减少这些非SI单位数量,并制定明确的使用规则,特别是要改进其与SI词头的结合使用。研究了历史情况,形成一些建议,并将在下次SI手册修订时加以讨论。