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关键词： 数字全息   金属基复合材料   粉末粒子   谱分布   粒子群速度  

摘要： 研究金属基复合粒子雾化过程,对复合材料制备有着重要的意义。通过全息在线检测系统对雾化场进行拍摄,通过处理粒子全息图,可以获取粒子直径、三维位置、速度和群速度,为雾化过程的改进提供关键参数。粒子的大小和分布信息可以指导喷雾器的优化;粒子的速度信息可以了解喷雾器的性能以及粒子在空气中的运动,这对于研究金属基复合材料粉末的飘移和分散性能至关重要。论文对金属基复合材料全息检测系统进行集成设计,实现在金属基复合材料原位制备器上进行观测实验,通过拍摄得到的粒子全息图,处理分析金属基复合材料粉末的粒径、三维位置和速度信息。以下是论文的研究内容: 对数字全息检测系统的光路进行优化设计,将全息在线检测系统集成于金属基复合材料原位制备器,实现对金属基复合材料制备雾化阶段的实时拍摄,并对系统结构进行模拟仿真实验,验证结构的稳定性。进而对数字全息检测系统进行标定实验,得出系统的最小分辨率为22.1μm。进行模拟拍摄实验,在实验室搭建模拟系统,在模拟雾化系统的下方,利用收集到的铜粉粒子,包括粒径范围在38μm～53μm和75μm～90μm,进行模拟拍摄实验,通过拍摄到的粒子全息图,处理分析得到粒子谱分布,粒径在区域内的占比达到了 84.6%和79.5%,验证通过软件输出数据的可靠性。设计了在线检测处理软件,可获得金属基复合材料粉末粒子的粒径、三维位置、速度和群速度。将拍摄的连续两帧的铜粉粒子全息图,利用软件进行处理,对软件的功能和输出数据进行验证。 通过不同气压的输入,包括1MPa、3MPa和5MPa,进行金属基复合材料制备的观测实验,对三组结果进行数据处理,分析所得粒子谱数据,得出结论:在三种不同气压条件下,峰值直径区间内平均粒径分别为90μm、70μm和50μm,随着气压的增加,粒子直径分布减小。为了验证数据的可靠性,通过激光粒度仪对收集金属粒子粉末进行测量,得到粒度分布数据,分析结果可得:随着气压的增加,熔体更容易破碎,粉末粒度减小。两者的结论是一致的,可以证明观测实验数据的可靠性。并且通过第四章设计的软件对粒子的群速度进行求取,通过粒子群速度的均值求得粒子场速度分别为7.630m/s、13.568m/s和17.219m/s,随着气压的增加,粒子场的速度不断提升,符合实际测量。

关键词： 电动车   无线电能传输   辅助结构   位置检测  

摘要： 在全球积极促进节能减排的背景下,我国“双碳”策略的实施加速了无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)的发展。WPT技术因其环保、高安全性和良好的环境适应性而得到了研究人员的广泛关注和大力倡导,并在电动车无线电能传输领域展现出了巨大潜力。对于无线充电型电动车而言,WPT系统能否准确识别车辆处于有效充电区域是当前研究的关键。现有的车载接收线圈定位方法主要依靠传统传感器或是特殊磁磁耦合机构,这通常需要对电动车本身构造进行一定改动,不仅增加了成本,还可能影响充电效率。对此,本文提出了一种免于对安装在车身的接收线圈进行改动的4U型位置检测辅助结构,同时提出了一种匹配于该结构的接收线圈宽范围位置检测方法。该新颖的辅助结构及其配套的位置检测方法符合国际电工委员会(SAE)制定的传输距离标准,且不会降低原磁耦合机构的能量传输效率,为无线充电型电动车位置检测技术的广泛应用提供了有效的解决方法。 首先,考虑到用于接收线圈位置检测的辅助线圈应当具备的磁场分布特性,对比现有常见线圈绕制方式及其磁场分布,介绍了所设计U型位置检测辅助线圈的设计来源和优化思路,并阐述了基于该特定结构和常用主磁耦合机构的位置检测工作原理。同时对提出的宽范围位置检测系统进行了电路特性分析和磁场特性分析,前者主要描述了本文选取补偿结构的理由和输出特性;后者主要结合简单线圈磁场特点,通过数值计算方法来总结了该基于特殊辅助线圈的位置检测系统的互感变化规律。 其次,通过有限元仿真软件Ansys/Maxwell分析当所设计的4U型位置检测辅助结构内置于方形主磁耦合机构下方时,接收线圈与呈“十”字架分布的四个U型线圈之间的互感变化规律,并从中总结出适用于该结构的位置检测方法。 最后,通过完成位置检测系统所需的软硬件设计,搭建基于U型辅助线圈的电动车宽范围轴向位置检测系统样机,来验证本文提出的特定辅助结构和相应定位思路的可行性。经实验验证,该位置检测辅助结构的整体可识别范围为ΔX∈[-300 mm,300mm]∩ΔY∈[-300 mm,300 mm],且接收线圈的实际位置与实验位置之间的相对误差很小,基本保持在10mm内。因此,通过所涉及的4U型位置检测辅助结构及其配套的定位方法基本能在较宽范围内实现接收线圈的准确定位。

关键词： 复合结构   胶层固化   界面弱化   缺陷检测   有限元仿真  

摘要： 多层复合结构是指由两种或两种以上具有不同机械性能的材料通过粘接等复杂工艺组成的新型材料,本文以两种不同介质通过环氧树脂粘接而成的粘接层复合结构为研究对象,通过超声垂直入射法对粘接层复合结构中的粘接性能进行研究,提出了一种采用弹性模量对胶层固化过程进行表征的方法,并采用界面刚度系数对界面的粘接状态进行表征,借助有限元分析软件和超声检测实验,分析了胶层固化过程和存在缺陷时超声波在介质中的传播特性。首先,结合介质中声压连续、质点振动速度连续和双界面弹簧模型,建立了粘接层复合结构超声反射系数数学模型,通过数值求解得到了粘接层本体固化过程与粘接层界面弱化时反射系数的频谱、厚度谱。结果表明,入射频率、单界面的刚度系数和粘接层的厚度均会对反射系数造成影响。其次,通过有限元仿真模拟了超声波在粘接层复合结构中的传播过程,仿真结果表明,随着粘接层的本体固化,表现为弹性模量的增大,来自粘接层上界面的反射回波幅值呈现逐渐减小的趋势,而来自粘接层下界面的反射幅值呈现逐渐增大的趋势,但回波时间逐渐减少,在时域图中变现为向左侧偏移;当上界面弱化时,得到来自粘接层上界面的反射回波幅值最大,有更多能量被反射至碳纤维中,只有小部分能量透射至粘接层中,下界面弱化时,得到来自粘接层下界面的反射回波幅值最大,因此,通过对反射回波的时间和幅值进行分析,确定发生弱化的界面位置;另一方面,当对含缺陷的粘接层复合结构进行检测时,根据回波信号的时间信息,可确定缺陷在被测物体内的位置,同时根据回波信号的幅值信息,可评估缺陷的大小和形状。最后,借助超声检测实验平台进行了超声垂直入射实验,实验结果表明,随着粘接剂固化时间的持续增加,来自胶层底部的反射回波,有向x轴负方向移动的趋势;当粘接层复合结构界面出现弱化时,可以通过对得到反射回波的时间和幅值来进行分析,从而确定发生弱化的界面位置。进行缺陷检测时,通过生成分析法对缺陷的位置进行定位,同时采用测长法对缺陷的长度进行定量测量。所得实验结果与有限元仿真吻合度较高,具有一致性。

关键词： 海珍品   水下图像增强   目标检测   轻量化   PyQt5  

摘要： 海珍品作为食物来源,为人类提供了丰富的蛋白质和其他营养素。海珍品的捕捞工作大多是采捕人员潜入海底进行捕捞,长时间水下工作会对采捕人员的身体会造成一定的损伤。因此使用水下机器人捕捞逐渐替代了人为捕捞。然而,水对光线的吸收和散射导致的光线衰减现象,水中的悬浮颗粒导致的散射现象,都会造成水下图像色彩失真,使水下环境中的颜色与空气中观察到的颜色有所不同,不利于海珍品的识别。此外,在保持高检测精度的前提下减小目标检测算法的参数量,提升检测速度也是目前水下捕捞机器人所需要解决的重要问题。因此,对于海底环境的水下图像增强与目标检测算法的轻量化处理在海珍品捕捞方面有着重要的研究价值。为此,本文提出了基于注意力机制和双向多尺度特征融合的水下图像增强算法和ES YOLOv7-tiny轻量化海珍品检测算法。主要工作内容如下:(1)针对水下图像增强过后的图片存在小目标模糊不清或者消失的问题,本文提出融合注意力机制的双向多尺度特征融合的水下图像增强算法MSBUIEN(Multi-Scale Boosted Underwater Image Enhancement Network)。首先设计混合注意力模块,提取图像中重要的信息,其次提出横向多尺度特征融合模块,与DFF(Dense Feature Fusion Module)模块实现了双向多尺度特征融合,并且优化了图像恢复模块,增强对细节信息的感知能力,最后使用VGG感知损失和L2损失构建联合损失函数,提升图像恢复效果。在UIEB数据集上,UIQM、PSNR、SSIM分别达到0.9599、21.0571、0.8847。实验结果表明,本文方法增强后的图片细节恢复好,极大程度上减轻了图像增强过后小目标模糊或丢失的问题。(2)针对海珍品捕捞机器人使用的水下目标检测算法参数量大,不适合部署在移动设备上等问题,提出一种基于YOLOv7-tiny的轻量化海珍品检测算法ES YOLOv7-tiny(Efficient Net-S YOLOv7-tiny)。在YOLOv7-tiny基础上,首先将主干网络替换为改进的Efficient Net,引入轻量化卷积代替颈部网络中的常规卷积,其次使用k-means++算法聚类锚框尺寸,加快推理速度,最后使用知识蒸馏算法使精度进一步提升。在RUIE(Real-world Underwater Image Enhancement)数据集上,改进后的算法平均精度均值(m AP)达到73.7%,检测速度达到123FPS,参数量为4.45M,与原YOLOv7-tiny算法相比,m AP提升了1.2个百分点,检测速度提升25FPS,参数量降低了1.56M。实验结果表明,所提算法在提升精度的同时降低了参数量,并且加快了检测速度,证明了该算法的有效性。(3)开发海珍品检测系统,该系统包含两个部分:用户登陆部分和检测部分,在登陆界面中,用户登陆成功即可进入主界面,主界面可以完成图像增强海珍品检测等功能,并将输入数据和检测结果一同呈现在使用者面前,方便使用者对检测情况有一个及时的了解。

关键词： 多传感器信息融合   多速率采样系统   分布式融合估计   事件触发机制   网络化不确定性  

摘要： 随着多传感器的性能多样化以及网络化系统的发展,传感器受到固有延迟与通信延迟等因素的影响,导致传感器之间采样速率不同、采样时间不统一。此外,鉴于传感器网络中通信带宽和资源有限,为了有效降低网络通信频率节约资源,引入事件触发机制显得十分重要。本文针对多传感器多速率均匀采样系统,考虑到传感器网络中存在的相关噪声、乘性噪声、Markov跳变和衰减观测等问题,引入不同事件触发机制,研究了分布式融合估计算法。主要研究内容如下: 针对带衰减观测、相关噪声和乘性噪声的多传感器多速率采样系统,基于方差事件触发机制,提出了按矩阵加权分布式融合估计算法。首先通过迭代系统的状态方程将多速率采样系统转化为同步采样系统,利用射影定理,提出了局部状态滤波器和白噪声估值器。为了提高网络资源的利用率,进一步在局部估值器与融合中心之间引入方差事件触发机制,由此来判断局部估计是否被传输到融合中心。最后推导出任意两估值器间的误差互协方差阵,提出了矩阵加权分布式融合滤波估计算法。 针对带相关噪声和衰减观测的多速率均匀采样Markov跳变系统,基于方差事件触发机制,提出了按矩阵加权分布式融合估计算法。首先采用伪观测法将多速率系统转化为单速率系统。进而,通过状态增广处理Markov跳变参数,建立了等效于原系统的状态空间模型,进一步利用射影定理,提出了局部状态滤波器和白噪声估值器。在局部估值器和融合中心之间引入了方差事件触发机制,以减少冗余数据传输,并减轻通信负担。最后推导出局部估值器间的误差互协方差阵,提出了矩阵加权分布式融合滤波估计算法。 针对带衰减观测、相关噪声和乘性噪声的多传感器多速率均匀采样系统,基于Send on Delta(SOD)事件触发机制,提出了分布式融合估计算法。首先通过伪观测法将多速率系统转化为同步采样系统,提出按矩阵加权最优分布式融合估计。为提高算法精度,基于先验融合估值,进一步提出了不带与带反馈的两种分布式融合估计算法。最后证明了带反馈的分布式融合估计具有全局最优性。

关键词： 深度学习   缺陷检测   电机定子绕组   YOLO   PyQt5  

摘要： 电机作为工业生产中不可或缺的设备,其性能和稳定性直接受到定子绕组质量的影响。然而,在生产过程中,由于受各种外部因素的干扰,定子绕组的表面往往会出现各种缺陷。目前,传统的电机定子绕组缺陷检测方法通常需要复杂的工序且效率低下,不利于电机生产自动化产业的发展。 本次研究以电机定子绕组缺陷检测系统设计为研究内容。首次将改进后的深度学习模型YOLO-v8应用于电机定子绕组的表面缺陷检测,并结合改进算法设计相应的缺陷检测系统,以实现对电机定子绕组表面缺陷的自动化检测。主要研究内容与如下: (1)工厂实地采集1780张电机定子绕组表面缺陷图像数据,并通过几何变换类型的数据增强与基于GAN生成对抗网络的数据增强对采集数据中的少样本进行扩增。最后,进行数据集的制作、标注。 (2)在YOLO-v8的基础上提出多项改进策略。首先,通过在YOLO-v8的主干部分引入自定义的Pyramid GAM注意力机制,使其能够更好地学习图像中的上下文信息,从而提高对各种缺陷类型识别的准确性;其次,为了更好获取相似类型缺陷图像中的语义信息,将颈部部分的C2f模块替换为Conv2Former;最后,替换WIo U作为新的损失函数,以平衡不同质量图像的梯度信息差异,从而使模型更稳定地学习。对改进后的模型进行性能对比评估,用于后续的系统开发。 (3)使用GUI框架Py Qt5设计电机定子绕组缺陷检测系统,结合本研究提出的新型算法,能够实现高效、精准的电机定子绕组表面缺陷检测。

关键词： 质谱仪   离子检测   电子倍增器   微电流检测  

摘要： ICP-MS作为一种可测定不同离子质荷比从而鉴定化合物含量和类型的分析技术,在痕量元素分析和同位素研究方面,发挥着重要作用,广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等多科学领域,为环境污染和公共健康危机这类全球性挑战提供了解决方案。ICP-MS中的离子检测部分作为整个仪器中的重要部分,直接决定了分析结果的准确性和灵敏度,国内相关研究开展较少。本文以ICP-MS的离子检测技术为研究内容,基于分离打拿极电子倍增器的理论研究,独立设计并搭建了基于分离打拿极电子倍增器的离子检测系统,为ICP-MS的性能提升提供了新思路。 首先,对分离打拿极电子倍增器的工作原理进行理论分析,并利用多物理场仿真环境建立粒子流模型,验证了材料、电压等关键参数对二次电子产额的影响,对应确定整个系统的设计方案。系统以电子倍增器为基础,针对其工作电压设计了一套带有保护功能的高压控制模块,并针对电子倍增器两种工作模式下输出信号均过于微弱的情况,设计了微弱电流检测与信号调理系统。同时围绕核心系统,设计了多种必要的外围电路,如DAC模块、电压转换模块、系统工作状态可视化模块等。 基于硬件电路和控制逻辑对系统软件进行总体设计,通过上位机与下位机的通信,实现对高压模块输出和信号调理电路中鉴别器所需阈值电压的精确控制,并通过ADC数据采集处理反馈,实现了电子倍增器的保护工作,同时实现了整个系统的工作状态可视化。上述工作为离子检测系统提供了一套完备的解决方案。 在测试方面,首先通过Multisim仿真软件建立了系统关键部分微弱电流检测电路的SPICE模型,并进行了整体链路的仿真计算验证。然后对设计的ICP-MS检测系统进行实验测试,验证系统的可行性和稳定性。实测表明,高压模块的控制策略无误且工作正常,信号调理电路对电子倍增器输出的微弱电流信号进行放大、整形后满足后续采集要求。整个研究过程涉及了物理底层分析、模数电路设计、单片机平台编程、核心系统集成以及较完善的实验测试,确保了相关理论和原理方案设计的准确度,为该领域的工程化应用和产品实现奠定了可靠基础。