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关键词： 传感器   虚拟仿真   有限元   工程实践  

摘要： 传感器与检测技术是工科电类专业的一门核心课程,与工程应用密切相关,实践性很强。为解决传统教学模式所存在的问题,文章将虚拟仿真技术应用于课堂教学、实验实践以及课程设计的全流程环节,提升了学生对理论知识的感性认知,同时强化了面向工程的实践应用能力,取得了显著的成效。

关键词： 1+X证书   课证融通   三教改革  

摘要： 2019年2月,国务院发布《国家职业教育改革实施方案》,提出全面推进“1+X”证书制度。同年4月,教育部等四部门联合印发了《关于在院校实施“学历证书十若干职业技能等级证书”制度试点方案》。“1+X”证书制度是新型的国家资历框架制度,对于促进人才创业就业具有重要的意义。各省均启动“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点工程,抓住机遇、攻坚克难,推动“双高计划”,做好职业教育教师、教材、教法三要素改革,本文以汽车智能技术专业的专业核心课程《智能汽车传感器检测技术》进行“1+X”证书制度与课程内容融合研究。

关键词： 磁感应检测   磁电传感器   相位   有限元仿真   检测系统  

摘要： 磁感应检测技术因其能够无接触、无创地对导电物体的无源电磁特性进行检测分析而受到广泛关注,在无损检测、生物医学工程等领域有广泛应用。通过分析感应磁场与激励磁场之间的相位差,能够实现对被测物电导率、几何参数等信息的检测。目前,大多数磁感应检测技术都是采用线圈来进行磁场探测,线圈需要工作在高激励频率（MHz）下,但高激励频率由于趋肤效应会导致探测深度不足。而磁电传感器在千赫兹谐振频率下具有极其优异的性能,不仅将激励频率降低到千赫兹,而且能够在增加探测深度的同时保证探测灵敏度,可以有效解决激励频率过高和探测深度不足的问题。因此,本论文开展基于磁电传感器的磁感应检测技术研究:首先,利用有限元仿真软件进行磁感应检测仿真。经过对比分析,选择能够使检测灵敏度分布更为均匀的亥姆霍兹线圈作为激励线圈。在对千赫兹激励频率进行可行性分析后,选用20 kHz频率对铜球、盐水球进行体积和距离的磁感应检测仿真,结果显示相位差随体积增加而增大,随距离增加而减小,通过函数拟合得到相位差与体积和距离之间的函数关系。此外,建立头颅仿真模型,模拟头颅内部发生出血情况,结果显示相位差随出血量增加而增大。磁感应检测的仿真结果可以为后续的磁感应检测实验提供指导和依据。其次,设计并搭建了一套基于磁电传感器的磁感应检测系统,包括由磁电复合材料与前置电荷放大器构成的直读式磁电传感器,由信号源、功率放大器与亥姆霍兹线圈构成的激励模块,由采集卡和采集程序构成的采集模块以及鉴相器。基于Metglas/PZT/Metglas的直读式磁电传感器,在谐振频率20.576 kHz下的等效磁噪声为218 fT/√Hz,时域上的磁场探测极限为250 pT,性能达到了国际一流水平。结合采集模块,AD8302鉴相器的相位检测精度达到0.002°,性能能够与现有的高精度相位检测系统相媲美。最后,利用搭建的基于磁电传感器的磁感应检测系统进行测试实验。相位稳定性实验结果显示,AD8302鉴相器、功率放大器以及直读式磁电传感器在1小时内的相位漂移分别为0.005°、0.008°和0.167°,证实了系统具有良好的相位稳定性。另外,对黄铜球和盐水进行体积、轴向距离、径向距离及电导率检测实验,实验结果与仿真结果在变化趋势上保持了良好的一致性。该系统对黄铜球的体积检测极限为1.77 cm3,距离检测极限为4.5 cm,对盐水电导率检测极限为21S/m,说明了搭建的磁感应检测系统具有可靠的磁感应检测能力并且在生物医学工程领域具有重要的应用潜力。本文在磁感应检测的仿真结果的指导下,建立起一套基于磁电传感器的磁感应检测系统,然后利用黄铜球和盐水进行检测实验,实验与仿真结果具有良好的一致性,验证了该检测系统的可靠性。该检测系统的提出为磁感应检测领域提供一种新的候选技术,在无损检测和生物医学工程等领域具有重要的应用前景,并有望推动磁感应检测技术在工业界的应用。

关键词： 无损检测   无线能量传输   涡流检测技术   管道缺陷检测  

摘要： 管道运输是石油、天然气和其他重要资源的关键运输方式。管道安装在不同环境中,随着管道使用年限的不断增加,容易出现腐蚀、裂纹、变形、外力损坏等问题,会破坏管道的完整性,导致重大安全事故。因此,管道安全性检测具有实际意义。近年来,国家非常重视管道检测技术的发展,管道检测技术一般分为内管检测和外管检测:外管检测主要是通过使用仪器对外露的部分管道进行检测操作;内管检测则是使用内检测器进行管道内部在线检测,由于管道内部的情况难以掌控,实现难度高。针对国内目前缺乏成熟的小口径长输管道内表面缺陷检测手段,提出了一种基于平面线圈涡流检测方法的管道内检测器进行小口径管道内表面缺陷检测。常规的内检测工具结构比较复杂,体积较大,不适用于小口径管道的检测,本文在研究无线能量传输理论以及平面线圈涡流检测技术的基础上,创新提出基于无源谐振增强的差分耦合平面涡流传感器,通过有限元仿真、人工试件以及实地管道进行验证,集成开发了商用的管道涡流内检测器,实现了对国内小口径油气管道的检测以及开挖验证。本文的主要研究工作如下:（1）基于无线能量传输理论以及电磁感应定律,针对目前小口径管道内部空间有限、管线情况复杂等问题,设计了基于无源谐振增强的差分耦合平面涡流线圈的管道涡流内检测器,并使用COMSOL有限元仿真软件建立管道-平面涡流线圈结构模型,优化传感器结构参数,达到检测的最佳灵敏度,通过不同结构传感器对不同类型缺陷的仿真结果对比分析,该传感器在缺陷检测方面明显优于其他传感器,并且建立传感器检测信号和缺陷参数之间的关系。（2）对提出的传感器进行设计加工,搭建实验室系统硬件平台,通过对比该传感器与不同结构传感器对不同类型的缺陷测试结果,结合仿真结果有效验证了无源谐振增强效应对传感器缺陷检测能力的提升,并将得到的结论用于后续对管道缺陷的识别与定量检测。（3）集成开发适用于219 mm直径管道的涡流内检测器包括激励信号源设计、功率放大电路设计、数据采集与存储设计、以及机械结构,进行了管道人工缺陷的检测实验,对管道焊缝缺陷的检测并实现了在高速下对自然管道内表面缺陷的识别与尺寸分析,并通过实地开挖验证了其可靠性,满足国家商用内检测器标准。

关键词： 内框架测角   球面运动副   球面电容传感器   四象限差分式结构   二维角运动信号检测  

摘要： 航空光电吊舱多采用两轴四框架的万向转动机构使其内部的光学载荷同时产生俯仰（a1）、横滚（a2）角运动以实现对空间目标的精确跟踪,其中外框架的主要作用是大范围的转动和对风阻扰动的隔离,内框架可在±4°的小角度范围实现精密的惯性稳定与跟踪功能。传统的内框架结构多采用正交框架结构,其框架的尺寸跨距大、传动路径长,因此,内框架结构占据较大的尺寸空间与重量。球面运动副相比于框架结构而言,具有体积小、运动自由度多、传动路径短等显著技术优势,但其二维角运动信号难以检测,限制了其在航空光电吊舱中的应用。虽然索菲亚平流层红外天文台（SOFIA）采用了球面运动副做为轴承结构去承载光学载荷,并利用激光角度测量技术实现了对球面运动副二维角运动信号的检测,但激光式测角方法结构体积大,难以应用在航空光电吊舱有限的尺寸结构中。本文通过调研国内外球面运动副及其测量技术的发展现状,结合航空光电吊舱内框架测角的应用需求,研究一种基于电容差分测量原理的小型化两自由度测角技术。主要开展的研究工作:一、基于球面运动副的结构与传动特性,提出一种四象限差分式结构形式的球面型电容传感器,建立球面电容传感器两维角运动信号与差分输出电容信号的数学测量模型,针对运动中存在的角度耦合问题,构建信号解耦计算方法,为角运动信号的检测提供理论依据;二、设计球面电容传感器的初始结构参数,基于有限元电磁模型对球面电容传感器进行分析;将电磁仿真结果与传感器理论模型对比,进一步验证了球面运动副二维角运动信号检测方案的可行性,确定了传感器的设计要求;三、针对耦合的微弱信号难以检测的难题,提出了一种新的交流激励式驱动电路对耦合的二维角运动信号进行解耦,并设计了FPGA数字互相关检测算法对f F级微弱信号进行检测,完成了电容传感器二维角运动信号检测系统的软硬件设计;四、搭建球面电容传感器的测量装置,开展了二维角运动信号的检测实验,分析并讨论了实验数据中非线性误差、温度漂移的主要来源。针对由安装误差引入的非线性误差进行数学建模,并提出了校正方法。经补偿校准后,球面电容传感器在±4°的测量范围内能够实现0.002°的角度测量,迟滞误差为0.93%,重复性误差为±0.86%,补偿后的温度漂移为0.00008°/℃。综上所述,本文深入研究了球面电容传感器的设计理论与方法,研究了小角度运动范围的电容传感器的调制解调软硬件技术,分析了安装误差对电容传感器输出特性的影响,搭建了实验装置,完成了对设计的电容传感器的测试。课题突破了小角度球面运动副的二维角运动信号检测技术瓶颈,为球面运动副在航空光电载荷中的应用奠定了重要的技术基础。

关键词： 线上线下   课程思政   传感器与检测技术  

摘要： 2019年8月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于深化新时代学校思想政治理论课改革创新的若干意见》,其中明确提出要整体推进高校课程思政建设,发挥所有课程的育人功能。在"传感器与检测技术"课程专业知识讲授过程中适当融入思政元素,丰富了教学内容和思政内涵,提升了课程整体质量。

关键词： 多传感器融合   特征提取   卷积神经网络   车辆检测  

摘要： 随着国家经济事业快速地发展,我国累计汽车保有量截止2021年末已经基本达到3.95亿辆。庞大的中国汽车保有量,给人们的生活带来方便的同时,也带来了很大交通隐患。智能交通、无人驾驶、高级辅助驾驶等领域也随之越来越受到世界的广泛关注和研究,在这些领域中车辆检测是一个重要的研究热点,车辆检测又分为单传感器检测和多传感器检测。目前,单传感器车辆检测主要以摄像头为主,但其会受到光线、目标尺度变化、目标遮挡等因素限制;另一方面,多传感器车辆检测在摄像头基础上增加雷达传感器,因为雷达传感器不受光线、天气等一系列因素干扰,更加可靠安全,弥补了单一传感器的劣势,两者相辅相成,因此多传感器融合的车辆检测具有重要研究意义。本文主要针对多传感器融合的车流检测技术展开了探究。具体研究内容可分为以下三方面:(1)基于CARLA的多传感器数据收集与标注研究。在进行多传感器信息融合工作之前,需要首先对这些多传感器信号进行一个时间上的和在空间意义上的精确对准,最后才制作为一个相应规模的多传感器数据集。本研究利用CARLA无人驾驶仿真平台建立三维车辆交通模型,对真实的雷达传感器与摄像头传感器建立相应的信号模型,依据真实传感器的信号模型建立多传感器数据收集平台,通过CARLA设置相应的参数,收集雷达与摄像头数据,对采集的数据样本进行了分析和验证。实验证明,CARLA仿真器收集数据对比线下真实采集数据效率高,且在时空对准方面准确度高,数据量丰富,场景不受环境因素约束。(2)多传感器特征融合的瞬时车流量检测研究。将收集的雷达数据与摄像头数据制作为数据集,利用迁移学习的思想,对每一种数据进行特征提取工作,并不断改进特征提取网络,实验证明,基于改进的Res Net18和VGG16特征提取网络可以很好的对雷达数据与摄像头数据进行特征提取,准确率达到预期效果。在特征提取网络基础上,本研究进一步提出了一种基于三分支卷积神经网络的多传感器数据融合和分类检测方法,将两个传感器的特征数据进行数据融合,对融合后的数据样本进行瞬时车辆数分类检测。实验证明,本研究搭建的三分支卷积神经网络对于瞬时车辆数的检测具有良好的效果。(3)车辆检测系统的设计。为了更好的将上述检测结果可视化展示,本文设计搭建了一个基于Vue和Flask相结合的前后端可分离系统。该系统前端展示了车辆检测结果,后端部署了多传感器融合瞬时车辆检测模型,并加入YOLO v5与Deep Sort相结合的网络模型。实验证明,该多传感器车流检测系统在车辆跟踪计数与车辆类型识别方面具有良好的性能和准确度。

关键词： 传感器   虚拟仿真   检测系统   虚实结合  

摘要： 传感器与检测技术是一门实践性很强的课程,而传统实验教学模式的弊端影响了实践教学的效果。将虚拟仿真技术导入课程实验教学环节,并对虚实结合的新型实验教学模式进行了应用探索。新的教学模式打破了时间和空间的限制,拓展了实验的广度和深度,使学生能够直接面对实际工程应用问题,展开创新设计、系统构建和结果验证,打通了理论知识和实践应用的通道。学生在解决实际工程问题的过程中,工程技术素养得到全面提升,为其成长为具备创新能力的应用型技术人才奠定了基础。

关键词： 瓦斯   传感器   检测技术   检测系统   温度补偿  

摘要： 瓦斯是造成我国煤矿事故频频发生的主要因素,瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等灾害造成的生命和财产损失不可估量,严重影响了我国煤矿的安全生产。目前,国内的煤矿瓦斯检测市场仍以催化燃烧型为主,它成本低、制造简单、便于使用,但其存在几个缺陷以目前技术难以解决。一个是功耗高,催化元件的功率一般在200mW左右,中船718所研制的MJC4型瓦斯传感器其功率更是高达261mW。再者是响应慢,目前市场上的大多数矿用瓦斯传感器响应时间通常为15s左右。然后是长时间稳定性的问题,当瓦斯传感器长时间地在高温和高气体含量条件下工作时,其载体和催化剂的结构特性会发生一定变化,产生零点和灵敏度漂移,稳定性变差。针对上述问题,本文采用HTCC技术制造了瓦斯传感器,通过改变基底烧结温度提高催化剂负载率,利用碳纳米管的高导热以及结构特征对颗粒氧化铝载体进行修饰以改善催化性能,提高传感器的灵敏度和响应速度。并提出采用高低温检测法检测瓦斯浓度,大大降低了传感器的功耗,提高了传感器的输出稳定性并延长使用寿命,对于煤矿瓦斯监测具有重要意义。为了实现瓦斯的实时检测,搭建了基于STM32和QT平台的瓦斯检测系统。该系统通过控制PWM占空比实现瓦斯传感器的高低温检测,还设计了报警与断电保护电路,保证煤矿开采安全。同时采用DS18B20检测环境温度,为瓦斯传感器温度补偿提供数据。瓦斯和温度数据通过ESP8266模块传输给上位机,上位机界面采用QT编写,实现用户登录、管理、曲线显示、数据存储、时间戳等功能,能够实现瓦斯浓度的实时监测。针对瓦斯传感器温度漂移问题,提出使用PSO算法对BP神经网络的连接权重和阈值进行优化,增强网络的全局寻优能力。经过仿真分析,PSO-BP算法训练速度快、收敛误差远小于BP网络,大大降低了温度对瓦斯传感器输出的影响。最后,采用最小二乘法对传感器灵敏度和零点随时间漂移进行回归估计,并结合温度补偿结果对瓦斯测试浓度进行校正,不仅提高了瓦斯浓度的检测精度,也延长了传感器的使用寿命。经过甲烷气体试验,在室温下,采用高低温检测法的瓦斯传感器灵敏度高达24.3mV/1%CH4,平均功耗仅为112mW,传感器响应时间为7.5s,线性度为1.56%,检出限为1450ppm。传感器的检测误差满足催化式瓦斯传感器行业标准,其输出灵敏度漂移和零点漂移也远小于传统检测方法,大大延长了瓦斯传感器的使用寿命,对于煤矿井下应用具有很好的前景。

关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱学   图像处理   变分模态分解   小波变换   二次谐波   信噪比  

摘要： 空气中有害微量气体会导致环境恶化还会影响人体健康,因此对空气中微量气体的检测具有十分重要的研究意义。可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术是微量气体检测的一种高效方法。但是在TDLAS检测系统当中会存在噪声的干扰,使最后的检测结果存在一定误差。基于TDLAS传感器的噪声抑制问题,本文提出了一种变分模态分解和小波变换相结合的降噪方法。在仿真方面,本文首先对TDLAS系统进行数学建模,模拟了从衰减的光信号中提取出二次谐波信号的过程。之后提出一种基于变分模态分解与小波阈值函数降噪(Variational Mode Decomposition and Wavelet Threshold Function for Denoising,VMD-WTFD)新型算法。在变分模态分解部分,讨论了平衡参数与含噪信号的噪声水平之间的关系,提出了最佳平衡参数的选取方式。在小波阈值函数降噪部分,本文构建了带有调节因子的新型阈值函数,其调节因子能够让阈值函数在硬阈值函数和软阈值函数之间任意切换。另外,将小波分解后各层的噪声能量作为权重,在阈值估计公式中添加噪声权重因子去提高小波变换的降噪性能。之后进行了已有降噪算法以及VMD-WTFD对不同调制度下不同噪声水平的二次谐波信号降噪能力的仿真,并将相应降噪信号与原始标准二次谐波信号的峰值、峰位、峰谷值的误差以及信噪比等对比分析。结果表明本文VMD-WTFD算法在信噪比和恢复原始二次谐波的峰值、峰位等方面都优于现有其他几种算法。在实验方面,搭建了短光程的实验平台测量高浓度的CO的直接吸收信号和二次谐波信号,对直接吸收信号采用VMD-WTFD算法降噪再减去基线,得到直接吸收线型,再对其进行Lorentz函数非线性拟合,拟合度为0.99865,表明通过本文方法降噪的直接吸收线型在反演浓度方面具有可靠性。之后利用反射镜搭建了长光程的实验平台测量空气中CO的二次谐波,再采用STM32的数模转换模块将光电采集信号转化为能够算法处理的数字信号。最后,利用VMD-WTFD算法对多个浓度的CO的二次谐波信号进行噪声消除,对二次谐波幅值与浓度之间的线性关系进行拟合,其拟合度达到0.99902。