教学课程资源库 更多>>

关键词： 电磁感应效应   FHN神经元   相干共振   随机共振   图像复原  

摘要： 本文以二维的Fitzhugh-Nagumo（FHN）神经元模型为研究对象,在无外部周期力作用下,使用忆阻器模拟神经元所处的电磁场环境,以相位噪声的参数作为主要变化因素,忆阻器的参数作为次要变化因素,系统在相位噪声驱动下表现出了丰富的相干共振行为。当系统在外部周期力作用下,使用忆阻器模拟神经元所处的电磁场环境,将相位噪声和忆阻器的参数均作为主要变化因素,以周期信号的参数作为次要变化因素,分析在双参数变化的平面区域内神经元系统的随机共振行为,并发现一些具有研究价值的变化规律。基于FHN阵列神经元随机共振的图像复原模型,对含噪声彩色数字图像进行处理,并取不同的阵列大小,发现神经元的阵列越大,对噪声图像的复原效果越好。本文的主要研究内容如下:首先,研究了相位噪声驱动下电磁场诱导的FHN神经元相干共振行为。主要以相位噪声的振幅、周期和噪声强度作为主要变化参数,以忆阻器的参数变化作为辅助条件,分别从相位噪声的振幅和周期、相位噪声的振幅和噪声强度以及相位噪声的噪声强度和周期等三个角度作了双参数变化下,对FHN神经元系统相干共振行为的动力学展开分析。在这几种参数组合的变化区域内,系统表现出相干单、双或多共振行为,特别地,在忆阻器产生的电磁场作用下,随着相位噪声的振幅和周期的变化,系统出现最佳的相干多共振现象,并在相干共振出现的区域内呈现出周期峰放电向加周期簇放电转迁的放电节律。相干共振是在系统和噪声的协同作用下可能产生的一种现象,可以使系统输出的振幅增加和方差减小,在此基础上,加入适当参数的外部信号时,便可诱导系统发生随机共振,故本文研究了相位噪声驱动下电磁场诱导的FHN神经元随机共振行为。以忆阻器模拟神经系统所处的电磁场环境,在相位噪声的驱动下,分析FHN神经元系统丰富的随机共振行为。一方面,主要以相位噪声的振幅、周期和噪声强度作为主要变化参数,以忆阻器参数和外部周期信号的变化作为辅助条件,分别从相位噪声的振幅、周期和噪声强度三个角度的双参数变化下,分析FHN神经元系统随机共振行为的动力学行为。在相位噪声的振幅和周期的双参数变化区域内,随着外部周期信号的周期增大,系统与外部周期信号发生较强的共振时,相位噪声的周期也随之增大,系统簇放电的周期数也随之增大。特别地,当相位噪声的周期与外部周期信号的周期几乎相同时,系统发生的随机共振现象更加明显;另一方面,以忆阻器的参数k、k和k为主要变化参数,以相位噪声的参数和外部周期信号的变化作为辅助条件,分别从k和k、k和k以及k和k等三个角度详细分析了FHN神经元系统的随机动力学行为。在k和k、k和k的参数平面区域内,随着外部周期信号的周期逐渐增大,系统的共振行为表现出比较相似的变化趋势,由单个共振峰逐渐演化为两个共振峰,最后演化为一个共振峰。在k和k的参数平面区域内,随着外部周期信号的周期逐渐增大,系统整体只呈现出一个共振峰,且不同的周期信号对系统随机共振行为的影响相近。最后,神经系统随机共振在图像复原中的应用。通过建立阵列神经元模型,对含噪声彩色数字图像进行处理,作为阵列神经元模型的输入,通过基于FHN阵列神经元随机共振模型去除图像噪声,完成噪声图像的复原。

关键词： 金刚石氮-空位色心   量子精密测量   扫描探针显微镜   磁场成像   射频测量  

摘要： 对电场、磁场等物理量的测量和高分辨率成像技术推动了前沿学科的发展,使得人们能够观测到样品中更细微的结构,为理解其背后的客观规律提供了必需的研究手段。近年来,基于量子精密测量的高灵敏度、高分辨率电磁场成像技术不断发展。金刚石中氮-空位缺陷(NV色心)电子自旋作为一种纳米尺度电磁场量子传感器,它可以在低温真空到室温大气的环境中工作,允许电子自旋与待测样品间的距离小到几个纳米,可测量的电磁场频率范围覆盖了直流到微波波段。此外,作为NV色心的载体,金刚石可以在真空、大气甚至溶液等复杂环境下保持化学惰性,同时保持其中NV色心的量子相干性。基于NV色心的量子传感提供了适用于众多学科中电磁信号的纳米尺度测量手段。本论文旨在研究基于NV色心的纳米尺度电磁场成像的方法、技术和应用。本论文发展了适用于NV色心的射频电场测量方法,自主搭建了快速扫描NV色心显微镜(Scanning NV center microscope,SNVM),并且在自主搭建的 SNVM上开展了凝聚态物理和地学中磁性测量相关的跨学科应用研究。论文具体内容如下:1.提出并实验演示了基于NV色心的射频电场测量方法。射频电场可以驱动NV色心基态电子自旋|ms=±1>能级间的拉比振荡,本论文利用电场驱动拉比振荡的频率测量了射频电场幅值,达到了 265 V·cm-1·Hz-1/2的电场测量灵敏度。随后,本论文利用电场驱动在|ms=±1>叠加态的相位积累实现了射频电场的相位测量,在本论文的实验中最小相位测量标准差为0.2°。本论文的方法将NV色心的电场测量频率范围提升到了GHz,并且实验演示了从13.85 MHz到2.02 GHz的电场测量。另外,本工作演示了电容器件产生的射频场电分量和磁分量分别测量,为纳米尺度射频电磁场成像打下理论基础。2.研制了快速扫描NV色心显微镜。本论文采用全硬件触发扫描序列,在自主搭建的SNVM平台上实现了最快16 ms·pixel-1的扫描速度。本论文的快速扫描技术不仅提升了实验效率,还可以提升成像质量。对于扫描探针显微镜,热漂会使得探针和样品间出现相对位移,导致成像分辨率降低,甚至出现失真的图像。本论文的快速SNVM缩短了成像需要的时间,减弱了成像时探针样品之间热漂带来的负面效应。快速扫描技术使得SNVM未来有望用于动态过程观测。3.在自主研制的SNVM装置上,围绕磁学和地学相关前沿科学问题,开展了跨学科应用探索。(a)在磁学研究中,为了探索磁晶各向异性方向与表面磁畴的关系,本论文获得了 MnNiGa块材多晶磁体表面磁畴的杂散场分布图像。在磁体的不同区域,本论文发现了两种宽度的条纹畴和奈尔帽结构。成像结果与不同易磁化轴方向的微磁仿真结果可以相互印证,为磁畴调控提供了新的思路。(b)在地学研究中,本论文演示了对嫦娥五号月壤样品单个纳米颗粒杂散场成像。单畴颗粒是地学中最为稳定的古地磁场记录者,但目前缺少合适的手段对地学样品中单个纳米颗粒进行磁矩测量。本论文测得单个纳米颗粒最小磁矩为5 × 10-18 A·m2。该工作将有助于地外稀有样品的磁性测量。4.展望了 SNVM装置在技术和应用方面的未来发展方向。在技术上,扫描速度可以通过优化测量序列等手段继续提升。在应用方面,SNVM电磁场成像技术未来有望应用于凝聚态物理学和生命科学等广阔领域。

关键词： 射频   螺旋输送机   加热均匀性   加热速率   红枣  

摘要： 作为一种介电加热技术,射频(Radio frequency,RF)加热凭借其穿透深度大,快速整体加热、选择性加热、无化学残留等特点,已广泛应用于农产品的产后加工研究,并在部分领域展现出广阔的工业化应用前景,但加热不均匀仍是困扰其发展的主要障碍,特别是在连续化射频处理时的加热不均匀。因此本文设计了一种适用于射频电磁场的双螺旋输送机,利用螺杆连续搅动和推进以改善连续化射频处理时的加热均匀性。本研究首先评估了螺旋输送机工作参数对射频加热速率和加热均匀性的影响,在确定最优参数后对比了螺旋输送与静止状态下样品的品质参数。在此基础上,以红枣杀虫为例,对比了螺旋输送模式中移动和混合与仅移动输送条件下在连续化射频处理时的加热均匀性、害虫死亡率、样品烧焦率和能量效率,确定了螺旋输送两种运动方式在射频处理时的特点,促进了射频技术的发展。主要研究内容和结论如下:(1)以红枣为研究对象,设计了一种适用于射频处理的双螺旋输送机,其可在样品连续化射频处理过程中对样品持续搅拌,从而改善射频加热均匀性。提出了该设备的技术要求并制定了其工作技术参数。依据上述技术要求并结合颗粒状食品杀虫的工艺要求,制定了设备的整体方案和工作流程。该设备采用卧式水平双螺杆结构,其螺杆配置采用啮合式。螺旋输送机主要由变频器、驱动电机、传动装置、螺杆和输送槽构成。设备动力由驱动电机提供并通过联轴器传递至螺杆,变频器可控制螺杆在0～4rpm转速范围内进行无级调速。(2)采用双螺旋输送机评估了不同工作参数(输送方向、螺杆转速、填充率、极板间距)对红枣加热速率和均匀性的影响。结果表明,正向和逆向输送条件下样品的射频加热速率和均匀性无显著差异。螺杆转速对样品加热速率无显著影响,但其加热均匀性随转速的提高而逐渐改善。射频加热速率随着填充率的增加或极板间距的减小逐渐增大。除在较大填充率时(即80%)样品具有较高的加热均匀性指数外,在正常填充范围内(即填充率为20%至60%),加热均匀性指数没有显著变化。此外,加热均匀性指数随极板间距的减小而增大。品质分析表明,螺旋输送条件下射频加热后样品的品质与对照组在色泽、质构、抗坏血酸含量和水分含量方面无显著差异。(3)以三个等级的红枣为模型食品,开展了螺旋输送模式中移动和混合与仅移动条件下连续射频杀虫的对比研究。结果表明,样品加热速率随极板间距的减小和样品等级的提高而增大。加热均匀性指数随样品等级的降低而呈下降趋势,但仅在仅移动下观察到加热均匀性指数显著减小。此外,在输送和混合条件下加热均匀性指数随螺杆转速的增加先减小后增大,而在仅移动条件下随水平速度的增加而持续增大。与移动和混合条件下射频处理的样品相比,即使采用最低的输送速度,仅移动条件下的样品仍可观察到明显的烧焦现象和较低的害虫死亡率。此外,螺旋输送条件下能量效率均随输送速度的增加而增加。

关键词： 电小尺寸   开孔屏蔽体   电磁场分布   精细化  

摘要： 屏蔽防护是电工、电力、无线电技术中经常遇到的问题,电磁环境日益复杂,现代工业对电磁屏蔽的要求也日益增高,尤其是对紧凑化的要求。使用屏蔽体对敏感对象进行屏蔽防护时,通常,出于布线和通风的需要,屏蔽体上会进行开孔。开孔处附近的屏蔽效果较差,工程上,为保证有效的屏蔽效果,多根据经验确定敏感对象和开孔之间的距离,容易造成裕度过剩,不能适应现代工业对紧凑化的要求。合理选取敏感对象在屏蔽体内与开孔之间的距离,需要建立在对开孔屏蔽体内电磁场的精细化分布的认知基础上,而现有的相关研究大多围绕个别场点和高频段,对低频段范围屏蔽体内的场的分布的研究相对缺乏。本文针对电小尺寸开孔屏蔽球壳的电磁场分布进行研究,首先基于叠加原理提出了任意方向的外加电磁场作用下开孔导体球内部的电磁场计算的模型。对叠加子模型的电磁场计算解析公式进行了详细的推导,得出了位和场强两种形式的计算公式,并用有限元仿真软件对其有效性进行了验证。接着搭建了电小尺寸开孔电磁场分布规律探究的有限元仿真模型,分析了不同开孔情况下的电磁场的分布规律。外施电磁场的方向考虑垂直于开孔面和平行于开孔面两种情况。结果表明:本文的仿真模型的计算和理论计算的相对误差在5%以内。电小尺寸屏蔽球开单孔时,等dB线距离开孔的距离与球半径的比值与开孔圆心角近似成正比关系,且衰减倍数越大,正比关系的斜率越大。电小尺寸屏蔽球开双孔时,从场域的角度来说,整个屏蔽球壳内部均满足叠加原理;随着双孔的逼近,在计算电场时,在两开孔之间无面积交叉的情况下子模型的结果和总模型的结果的相对误差在10%以内,在精度要求不是很高的场合下满足叠加原理,在计算磁场时在双孔逼近的过程中的多数情况下不满足叠加原理。

关键词： 贯流式水轮发电机   阻尼条损耗发热   电磁场-热网络耦合   有限元法   涡流密度  

摘要： 贯流式水轮发电机作为一种开发利用低水头、大流量水电资源的优良机型,具有效率高、过流量大、发电机尺寸小等一系列突出优点。仅在川渝地区便装设有超过100台贯流式水轮发电机,但作为一种卧式机组,与立式机组不同的是,其内部空间狭小且气隙宽度较窄,致使其电磁与发热分析设计长期面临着较大困难。为了更为准确高效地分析此类在不同工况下的阻尼绕组损耗发热,保障运行安全,本文建立了三维电磁场模型与磁极三维热网络模型,对阻尼绕组实施了损耗发热综合分析,具体如下:首先,以麦克斯韦电磁场理论为基础,结合电路相关的知识,建立了纯场、场-路耦合模型,并对比分析了其对发电机损耗求解的精度、效率与适用性,得出结论:场-路耦合更适合与本文的研究工作。进而,充分考虑磁极区域实际几何结构与热源分布规律、不同方向的导热差异、迎风面与背风面之间、端部与直线部分之间的对流散热能力差异等关键热学影响因素,提出了一种兼顾求解的全面性、准确性与高效性水轮发电机磁极区域三维热网络计算模型。并从计算、实测两个方面对模型的计算误差进行对比分析,结果证明,本文所建立的三维热网络模型能够较好的兼顾计算效率与精度两方面要求。在此基础之上,对阻尼绕组损耗发热实施电磁场-热网络综合计算,研究在不同工况下的贯流式水轮发电机的磁场、阻尼绕组的损耗发热与涡流密度的变化规律。为贯流式水轮发电机的损耗发热分析设计与运行维护水平的进一步提升,提供了有益技术支持与方案参考。

关键词： 动脉粥样硬化   热消融治疗   斑块热损伤   有限元法   电磁场   生物热传导  

摘要： 动脉粥样硬化(AS)是一种慢性炎症疾病，是心、脑血管等疾病形成的主要原因。目前，微波技术已广泛应用于肝脏肿瘤等实体组织热消融。研究微波用于AS热消融治疗具有重要的理论和现实意义。　　本文旨在探究微波热效应及其应用于动脉粥样硬化斑块热损伤，以实现对AS治疗的目的。建立了一个AS斑块热消融的流-固-热耦合模型，运用有限元法对电磁场和生物热传导方程进行求解。基于不同参数影响，计算了血管内电磁场、温度场和血流场的分布，以及AS斑块内的热损伤分布。一方面，探讨了一些微波参数(如频率、功率、微波的作用时间)分别对AS斑块热损伤效应的影响。另一方面，探究了非傅里叶效应对动脉粥样硬化斑块区域温度分布的影响;与此同时，还分别比较了傅里叶热传递方程(Penns方程)和非傅里叶热传递方程(TWMBT方程)对斑块热消融的结果，并分析了热弛豫时间对斑块热损伤效应的影响;最后，在AS斑块边缘增加了一个盖帽，并且分析了AS斑块在有、无盖帽的条件下，电磁场中AS斑块的温度变化和热损伤分布。　　研究结果表明，AS斑块的温度变化和热损伤面积大小与微波频率、微波功率以及加热时间呈正相关。相比于Penns方程，TWMBT方程表现出明显的热传递滞后行为。热迟滞对斑块的温度变化，以及损伤程度具有较大的影响，并且影响程度跟时间的迟滞尺度有关。在相同的时间内，TWMBT方程对斑块所造成的损伤面积要小，热弛豫时间相应延长，滞后效应越明显。在相同热弛豫时间的条件下，AS斑块在有盖帽比在无盖帽的情况下，其温升和热损伤值均要高一些。采用天线组合时，不但有利于控制微波加热时的温度分布，还可控制AS斑块治疗时间，有助于微波热消融AS治疗，减少对健康组织的热损伤。　　利用本文构建的微波热消融模型，可评估微波对AS斑块的热消融效果，及其相关参数热消融AS斑块的影响。可用于解释微波在临床上用于治疗AS斑块的热消融机制及其潜在的应用价值。

关键词： 工程电磁场   课程思政   思政元素   教学改革  

摘要： 专业课是大学生人生观、价值观形成阶段的重要载体。本文围绕工程教育专业认证背景下“工程电磁场”课程融入思政教育的教学改革进行研究和探索。首先分析了课程思政现状与思政元素的挖掘方式，然后重点针对课程的教学内容与教学方式设计典型教学案例，最后提出了对融入思政教育的课程考核方式的改进措施。上述研究为本课程实施全过程思政教育融合的教学方式奠定了基础。

关键词： 机器学习   循环展开   有限元计算   模型融合   并行算法  

摘要： 对于大型电力设备而言,其物理尺寸非常大,利用有限元法去分析电力设备的电磁场时,为了保证计算精度,需要剖分大量的网格,导致计算规模太大,其计算时间随有限元分析网格数量的增加而迅速增加。为了提高计算效率,本文研究指令级并行技术循环展开,通过机器学习预测不同循环中最佳循环展开因子,并应用于电磁场有限元计算的程序代码。建立不同的机器学习回归算法模型预测不同特征变量的循环计算时间。通过大量的循环计算程序,提取循环的相关特征量和循环计算时间,建立循环展开的回归数据集。建立多种机器学习算法模型,预测不同特征变量的循环计算时间,比较选取适合数据集的最佳机器学习算法。通过对数据集进行预测、分析和比较,对模型参数进行优化。为进一步提高预测准确率,使用模型融合技术对参数优化后的机器学习模型进行融合,找到拟合数据集最优的方法,将其作为最终预测时间的回归模型。将最佳模型预测后的时间结果进行择优,计算时间最少对应的展开因子为最佳展开因子,实现特征到最佳展开因子的映射,由此建立循环特征变量与展开因子之间的机器学习分类算法模型。建立能够进行多分类的神经网络算法对映射数据集进行多分类计算,预测得到最优循环展开因子。将算法应用于一台单相三柱变压器和三相感应电机磁场有限元计算程序,使用最佳展开因子在C++有限元计算程序中进行循环展开,并将程序计算结果和使用软件计算的结果进行比较,证明循环展开在电磁计算中准确性和可行性,能够在循环程序中实现计算加速。

关键词： 立体卷铁心变压器   匝间短路   电磁场   振动   噪声  

摘要： 变压器在电力系统中承担着电能的传输与变换任务,是电力系统中关键的设备之一。立体卷铁心变压器由于其硅钢片之间没有气隙,且填充系数高,具有节约成本、减少铁损、减小振动、磁路长度相同及噪声低的优点,在配电网中得到了广泛的应用。据统计,变压器故障中60～70%的故障是匝间短路和出口短路故障,基于此,本文针对一台50k VA的SG-RL-50/0.38/0.22型敞开式立体卷铁心变压器开展了匝间故障下的电压、电流、电动力、漏磁场和振动噪声等研究工作,主要研究内容如下:(1)基于单片硅钢磁致伸缩测量系统,对首钢20SQG090硅钢片的B-H曲线和磁致伸缩曲线进行了测量,给出了磁化曲线及磁致伸缩曲线。为后续的电磁,振动及噪声的分析提供了数据支持。其次,在有限元分析的基础上,对立体卷铁心变压器的电磁,振动特性进行了仿真与分析,建立了立体卷铁心变压器的稳态模型,并将仿真结果与出厂值进行了对比,验证了模型的有效性,为立体卷铁心变压器匝间短路故障的特征分析奠定了基础。(2)建立了立体卷铁心变压器绕组匝间短路故障下的等值电路模型和有限元模型,对匝间短路时的电流、轴向漏磁场和径向漏磁场、轴向电动力和径向电动力进行了仿真。通过对短路时过渡过程的仿真,分析了不同短路时刻对变压器状态的影响。给出了不同短路匝数的轴向漏磁场和径向漏磁场、轴向电动力和径向电动力的大小及分布。(3)采用有限元仿真软件对立体卷铁心变压器发生匝间短路后的磁场、振动和噪声进行了计算。深入研究了立体卷铁心变压器在正常运行和不同短路匝数下的磁场、振动、噪声。分析了匝间短路对立体卷铁心变压器性能和稳定性的影响。(4)对不同匝间短路下的变压器振动及噪声进行了实验研究。实验中,设置了不同短路匝数的匝间短路状态,测量了铁心和绕组振动位移,加速度等关键参数。验证了所提方案的正确性。

关键词： 感应加热   电磁场   流场   温度场   中间包  

摘要： 经济建设的快节奏发展一直需要钢铁行业的支撑,其作为工业基础和城市建设最重要的一环,市场需求也是不可或缺,低成本高效率的洁净钢生产工艺技术成为新世纪前言钢铁冶金工业的重要核心集成技术和发展方向之一。本课题以感应加热中间包为主要的研究对象,通过有限元分析方法讨论了在不同功率下不同线圈布置的感应加热中间包模型中磁感应强度、电磁力、电流密度及焦耳热的分布情况;并将电磁力和焦耳热导入到动量和能量方程中,计算并分析相同功率下双通道式双流中间包的热流场;考虑到壁面剪切应力对耐火衬里的侵蚀作用,探讨了不同功率、不同中间包模型中的剪切应力分布特征。基于平衡机制和和高加热效率的思想去评判选择最佳操作工艺参数和预测多物理场空间分布,并得到了以下结论:(1)不同感应加热功率(400k W、600k W、800k W)下的磁感应强度比值与功率间存在着一定的线性关系,电磁力、电流密度和焦耳热与功率也存在着一定的线性关系。通过以上四点的综合考虑,当加热功率为600k W的时候加热效率更高,在进行温度场和流场的模拟时优先选用。(2)无感应加热时,钢液从通道流出后由于速度的原因部分钢液会直接冲击壁面和自由液面,且通道中的钢液的最大流速为0.13m/s;有感应加热时,钢液在电磁力的驱动和箍缩作用下产生旋转运动,使其流动路径延长,直至分配室内,通道中的钢液的最大速度达到了0.45m/s。(3)无感应加热时,中间包在出口处温度下降5～6K,而施加感应加热热源后,原双通道式感应加热中间包、双铁芯线圈结构布置的双通道感应加热中间包、大铁芯结构布置的双线圈感应加热中间包和大铁芯单线圈结构布置的感应加热中间包出口处温度上升都在20K左右,温度能够进行很好地补偿,从而减小了注入室和分配室的钢液温度梯度。(4)无感应加热中间包的剪切应力在入口处的下方直冲底墙,造成正下方的应力值最大;感应加热中间包中的剪切应力大小随着铁芯线圈的布置方式而变化。并且随着功率的增大,通道壁面上的剪切应力也是增加的。(5)基于独立电磁场进行分析,从四个方面来进行考虑大铁芯双线圈感应加热中间包的效率更好;基于流场和温度场研究,得出的结果是大铁芯双线圈感应加热的效果更好;基于通道中的剪切应力和包衬的侵蚀程度进行对照研究,可以看出大铁芯双线圈感应加热中间包更优。基于以上四个大的方面综合分析判断,大铁芯双线圈布置方式的感应加热中间包综合效果是最好的。