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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CO2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CO2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CO2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。

关键词： 气固两相流   环形静电传感器   静电信号检测   静电信号处理   数学模型  

摘要： 在火力发电的工业生产中,将粉末燃烧材料以一定速度吹入管道内,形成一种气体与粉末固体颗粒的混合流体,该流体在管道内的随机定向移动称为气固两相流。流体质量流量的大小直接影响着火力发电效率、环境污染程度以及设备的运行状态。然而,风速是影响质量流量的关键因素。因此,如何利用流体参数对管道内风速进行识别与检测成为关键问题。本文基于中北大学与提塞德大学合建的“颗粒与两相流中英联合实验室”平台,针对以上关键问题,采用静电法对风速与静电信号做了相关性研究,其主要研究内容及结果如下:1)静电传感器的理论研究与仿真分析。基于“环形静电传感器”宏观结构特性,利用Maxwell软件对其做了三维重建;利用“静电法”对电极感应电荷的微观动态物理过程做了有限元分析,模拟了电极感应电荷的全部过程,得出了环形电极表面电荷密度分布、场强矢量分布以及电位移矢量分布;多方面分析了电极感应电荷灵敏度的影响因子,得出了电极宽度与粒子空间位置对其感应灵敏度的相关性结果,为环形电极的优化提供了重要依据。2)静电信号检测技术研究。针对环形静电传感器输出的微弱电荷信号,设计了由前置电荷放大电路、二阶低通滤波电路以及信号放大电路构成的静电信号调理电路,完成了电荷信号到电压信号的转换及有效放大;基于FPGA处理器针对性的完成了数字信号处理模块的硬件与软件设计,其中硬件部分包括电源供电电路、AD采集电路以及SDRAM存储电路;软件部分包括AD采集的功能实现、ROM存储的功能实现以及FIFO存储的功能实现;仿真结果表明:AD采集模块能够通过自行调节采样率对不同频段的信号完成采集工作,其采样率最高可达250ksps;ROM存储模块完成了数据存储工作;FIFO存储模块完成了实验数据的16bit转8bit的核心工作。3)风速与静电信号的相关性研究。针对采集到的原始静电信号,通过MATLAB软件进行波形显示,做了静电信号的时域与频域的初始特征分析;利用变分模态分解算法(Variational Mode Decomposition)和粒子群优化算法(PSO:Particle swarm optimization)优化的VMD算法对静电信号进行滤波优化处理,得到了滤波后的有效静电信号;通过对静电信号的特征值提取,利用灰狼算法(Grey Wolf Optimizer)优化了支持向量机(Support Vector Machine)参数,完成了基于静电信号特征对风速的分类识别预测工作,并通过数值分析建立了风速与静电信号方差之间的数学模型。实验结果表明:经PSO算法优化处理后的VMD滤波效果更优,同时也得到了6组有效静电信号均集中分布在1～20Hz的极小范围内;经GWO算法优化前后的SVM预测模型准确率分别为72.2%和96.7%,验证了GWO算法的有效性和模型对风速识别预测的准确性;通过数学模型的验证得出了风速与静电信号方差之间存在一种正相关性,且最大误差仅有4.5%,验证了该数学模型的准确性。

关键词： 结构健康检测   叉指电极   无源传感器   无线电能传输  

摘要： 复合材料在设备制造和工程建设中的应用日益广泛,各行业对在役设备和工程设施进行结构健康检测的需求正逐年增加。针对传统结构健康检测技术评估复合材料健康状态时非接触测量、原位检测和内部状态表征困难的问题,本文在叉指电极结构健康检测技术和无线电能传输技术的基础上,提出了一种基于叉指电极无源传感器的结构健康检测技术。讨论了使用两种不同的特征参数表征目标结构健康状态的检测原理,完成了叉指电极和平面线圈的设计,给出了传感器线圈找正与工作深度补偿的方法。设计并开发了配套的传感器信号读取装置,实现了蜂窝夹层结构渗水的原位检测和玻璃纤维增强材料固化状态的原位评估。论文主要从以下四个方面进行了具体研究: (1)叉指电极无源传感器结构健康检测原理研究 基于叉指电极结构健康检测的基本理论,结合无线电能传输原理,建立了叉指电极无源传感器的基本结构与电路模型。通过对系统等效输入阻抗的推导及特征分析,提出了第一谐振峰半阻抗点阻抗测量法和第二谐振峰扫频测谐振频率法两种测量叉指电极电容变化的方法,介绍了所设计检测系统的组成及工作原理。 (2)叉指电极无源传感器设计与工作深度分析 以有限元静电场仿真分析为基础设计了两种不同结构的叉指电极,通过设计并制作配套的有线电容测量系统对叉指电极实物进行了测试。研究了平面线圈设计参数对系统性能的影响,归纳了适用于本课题无源传感器的线圈设计原则。通过实验研究了线圈提离距离与耦合系数的关系,确定了传感器的工作深度。测试了线圈的错位容余并给出了找正方法。基于对叉指电极和平面线圈的研究设计了叉指电极无源传感器并讨论了传感器工作深度的补偿方法。实验测试了传感器性能,明确了分辨力和测量范围等参数。 (3)无源传感器信号读取装置设计 设计了配套叉指电极无源传感器的信号读取装置,制作了正交锁相放大器、电流采样模块和系统电源模块等主要功能模块,搭建了完整的实验系统并测试了系统性能。 (4)无源传感器复合材料结构健康检测实验 使用叉指电极无源传感器及其配套信号读取装置,实现了蜂窝夹层结构复合材料渗水状态检测和玻璃纤维增强材料基体固化状态评估两种典型的结构健康检测作业。

关键词： 氯苯   分子印迹技术   电化学传感器   还原氧化石墨烯  

摘要： 金属冶炼排放烟气中存在大量的持久性有机污染物,其中典型有机污染物氯苯对环境造成负面影响,对生物体产生毒害作用。同时氯苯也是冶炼过程中二噁英生成的重要前驱物,经后续反应生成二噁英。目前飞行时间质谱、气相色谱质谱联用、高效液相色谱等方法已经用于氯苯的检测,但受到预处理程序复杂、分离困难、成本高昂等因素的局限。分子印迹电化学传感器可以对目标分子进行特异性检测,具有制备简单、化学稳定性好、可以重复使用等优势。本实验制备了分子印迹电化学传感器,对氯苯进行检测,展开了以下研究:(1)将还原氧化石墨烯、氧化石墨烯混合作为传感器的增敏材料,使用扫描电镜对修饰在玻碳电极上的还原氧化石墨烯与氧化石墨烯层的形貌进行表征,采用循环伏安法探究石墨烯修饰传感器的电化学性能并确定氧化石墨烯与还原氧化石墨烯最佳的用量比例。(2)使用电聚合方法,将印迹聚合物修饰在电化学传感器上,利用循环伏安法、电化学阻抗法对制备的传感器的印迹效应进行了验证。通过差示脉冲伏安法,确定传感器最佳的制备条件及参数。(3)对氯苯开展了定浓度检测,建立传感器电流响应信号与氯苯浓度间的线性相关方程;测定与氯苯分子结构相似的干扰物质对传感器的影响。实验结果表明制备的分子印迹电化学传感器能够用于水中氯苯的检测,与氯苯具有相似分子结构的干扰物对传感器的影响较小,在实际情况下的应用具有良好的前景。

关键词： 水下无线传感器网络   异常数据检测   神经网络  

摘要： 随着人们对海洋资源和海域的愈发重视,海洋的战略地位已经成为各国的重要战略内容。水下无线传感器网络由于其在海洋环境监控、海域安全、海洋资源开发等重要领域有重大意义,各国越来越重视水下传感器网络的研究。水下无线传感器主要部署水下环境中,容易受外部环境的影响、人为恶意破坏和一些不可控因素的影响产生异常数据。传感器的不稳定性,也会产生异常数据。另外,传感器采用水声通信的形式进行传输与通信,水声通信具有传播延迟、信道开放和多路径干扰等特点,容易受到攻击和干扰,产生异常数据。为确保数据的真实性准确性和完整性,保障网络安全,有必要对数据进行异常检测。现有的水下传感器异常数据检测大多关注于数据的时间相关性(以时间序列形式呈现),却很少考虑到数据的空间相关性(水下相邻传感器采集的数据总是相关的)。除此之外,水下传感器采集的数据样本分布不均衡,也增加了异常数据的处理难度。因此,本文针对水下传感器数据的时空相关性和数据样本分布不均衡问题对异常数据检测结果的影响进行了研究分析,具体内容如下所示:(1)针对水下传感器数据的时空相关性特征,提出了一个基于时空相关性的水下传感器异常数据检测方法。首先,使用门控循环单元网络学习传感器数据的时间序列特征。其次,流数据的概念漂移特点,相比于静态数据处理,传感器采集数据的动态性增加了数据处理的难度,针对流数据的概念漂移,利用滑动窗口对差值分布建模,初步判断异常数据。此外,针对数据的空间相关性,结合其邻近节点数据,利用欧氏距离进一步判定异常数据,提高异常数据的检测率。使用澳大利亚北昆士兰的水质监测真实数据进行实验,结果分析表明,该异常数据检测算法具有较好的异常检测效果。(2)针对水下传感器数据样本的分布不均衡,异常数据样本特征提取困难,无法实现重点挖掘异常样本特征的问题,提出了一个基于样本不均衡的水下传感器异常数据检测方法。首先,使用混合网络模型更好提取时间序列数据局部特征,其中混合网络模型有卷积神经网络和长短时神经网络组成。其次,针对数据样本类别分布比例失衡而导致的分类精度低的问题,使用焦点损失函数重点挖掘困难样本。然后,当数据为异常值时,使用欧式距离计算数据的空间相似度时,其表现极不稳定,所以使用皮尔逊相关性计算加权均值再次对异常数据检测。结果分析表明,该异常数据检测算法具有较好的异常检测效果。本文研究的水下传感器异常数据检测技术,可有效检测虚假异常数据,保障网络安全,确保数据信息的真实性、可靠性、准确度和可信力,为整个水下传感器网络提供有效的数据服务,对水下传感器网络的发展具有十分重要的理论意义和现实意义。

关键词： 法布里-珀罗干涉仪   多谐波联合分析法   油中溶解气体   油气分离膜   原位检测  

摘要： 建设新型电力系统对电网设备状态的在线监测提出了越来越高的要求。油中溶解气体检测是对电力系统关键设备油浸式变压器进行故障诊断的主要方法,目前检测油中气体需要先通过油气分离装置提取出溶解气体,再通过气相色谱等方法对气体浓度进行检测。气体检测系统的精度以及油路、气路和检测方法共同确定的检测时间,决定了故障诊断的准确性和及时性。利用空芯光子带隙光纤（HC-PBF）构成的全光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）作为气体传感探头具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等特点;并且可采用油气分离膜材料封装,而有望直接在油中进行快速的气体分析。本文将高分子膜油气分离技术与光热干涉技术相结合,研制了一种油气分离与气体检测一体化的微型FPI光纤探头,并提出了适用于变压器油中溶解气体检测的多谐波信号联合分析方法,实现了油中溶解C2H2气体的原位检测。文章的主要研究内容如下: 论文阐述了将HC-PBF用于光热反应的优势,并详细分析了FPI光纤传感器中光热干涉效应的具体过程。研究了利用多次谐波联合分析来进行痕量气体浓度反演的可行性,由此提出了2+4次谐波联合分析法与2+4+6次谐波联合分析法。同时详细介绍了高分子膜油气分离过程,并对气室结构、高分子膜材料与变压器油温对油气分离反应的影响进行了分析。 为了充分利用高次谐波蕴含的气体浓度信息,本文根据光热干涉原理搭建了基于FPI的气体传感平台,通过实验对不同谐波检测方法的调制参数进行了优化。实验数据显示,在痕量C2H2检测过程中,相比于单2次谐波分析法,多谐波在0.5h内的联合信号波动幅度低于1%,线性拟合优度R2均高于0.999,且2+4次谐波联合分析法与单2次谐波分析法的检测极限均约为125ppb。结果表明2+4次谐波联合分析法具有最佳的痕量气体检测效果。 针对变压器油中溶解气体原位检测需求,制作了油气分离与气体检测一体化的微型FPI光纤探头,其对比度约7.06d B,气室体积约0.2ml,油温为30℃时的油气分离饱和时间约为4.5h。利用2+4次谐波联合分析法对溶解有不同浓度C2H2的变压器油样进行检测,得到系统的线性响应系数约为0.069μV/ppm。对连续测量的1h噪声信号进行Allan偏差分析,在60s的最佳平均时间处,该初步传感系统对C2H2气体的理论探测极限为0.973ppm,能够满足变压器对油中溶解C2H2气体的检测要求,此外还能通过增加输入FPI的泵浦光功率来进一步提升系统的信噪比。

关键词： 抽油杆柱偏磨   油液磨粒监测   磨粒传感器   径向环形磁场   有限元仿真  

摘要： 有杆抽油在我国的采油技术中占据着主导地位,抽油杆柱是有杆抽油系统中的主要受力部件,杆柱偏磨会造成抽油机系统失效,从而影响油田经济效益,然而抽油杆柱偏磨监测目前尚无有效的手段。本文提出能够监测原油中金属磨粒的电磁感应式磨粒传感器,并将其安装在采油树到储油罐之间的输油管道上,用于监测抽油杆柱偏磨损伤。 为此,本文研发了一种基于径向环形磁场的磨粒监测传感器。首先,根据磁路的欧姆定律,优化了传感器的磁路结构尺寸,确定了所提出的磨粒传感器最小截面面积为40.001mm2。同时,传感器设计了楔形磁极结构,计算结果表明当两个磁极的楔角取值分别为60°和30°时,流道内磨粒感应区域可以获得近似均匀的磁感应强度分布;利用ANSYS MAXWELL软件对磨粒传感器中的磁场强度分布进行数值模拟,结果表明所设计的传感器在流道内产生的磁场强度较大,沿径向分布较为均匀,其中最大磁感应强度可达0.27T,沿径向方向上的变化仅为0.05T。同时,通过不同磁极结构数值模拟,验证了计算结果正确性,从而证明了磨粒传感器满足设计要求;根据法拉第电磁感应定律,建立了磨粒传感器感应电压的数学模型,得出所研究的传感器可有效反应磨粒的尺寸、材料等特征。通过对不同磨粒进行数值模拟,得到该传感器可有效的辨别出不同尺寸和材料的金属磨粒,并且当磨粒处于不同径向位置时,感应电压幅值变化仅在6m V以内,验证了磨粒传感器具有较高的探测精度。 最后,开展单磨粒检测实验测试,实验结果表明,本文提出的电磁感应式磨粒传感器无信号放大的情况下,可检测出直径约为280μm的铁磁性磨粒,其感应电压最大幅值可达到约50m V,验证了该磨粒传感器的高灵敏性。同时实验结果与计算和仿真的结果近似一致,从而为实际工程应用打下基础。

ISBN: (纸本)9787121441813