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关键词： 柔性聚合物传感器   信号检测   微弱信号   工频滤波   DSP  

摘要： 随着机器人电子皮肤技术和可穿戴人体健康监测技术的快速发展,多种柔性聚合物传感器被研制出来,而不同类型的传感器产生信号的特点、伴随噪声以及检测方式不尽相同。研究表明,对于产生电压、电流以及电荷信号等无需外部电源激励的柔性聚合物传感器来说,由于人体静电和工频干扰的存在,传感器产生的信号容易被噪声淹没,其输出信号的检测较为复杂,这对传感器信号检测提出了较高的要求。针对以上情况,本文以PTFE材料制作的摩擦起电柔性聚合物传感器作为主要测试对象,设计了一款能够实现微弱电信号提取的便携式柔性聚合物传感器信号检测装置。首先,对PTFE材料制作的摩擦起电柔性聚合物传感器的材料及结构特点进行分析,研究其工作原理,通过阻抗分析仪测量传感器在不同工作频率下的内部电容和内部阻抗,利用示波器初步检测传感器输出信号,同时验证对含有内部电容的电荷输出传感器进行电压检测的可行性,对比分析噪声和实际信号特点,结果表明传感器的内部阻抗越高,将会引入越高的工频噪声。其次,提出包括信号提取、低通滤波、二级放大抬压以及DSP信号采集处理的整体检测电路设计方案,且前级信号提取部分设置电荷放大和差分放大两种检测方式。经过电路的仿真调试和实验测试,差分放大电路和低通滤波电路达到了较好的信噪改善效果,并且能够实现微弱电荷和电压信号的检测。测试结果表明,经处理后的信号信噪比约为48d B,信噪改善比高达3.45。对比电荷检测和电压检测两种柔性聚合物传感器的采样方式,电荷检测方式具有更好的检测效果。在DSP端设计FIR带阻滤波器,实现进一步的工频滤波处理,通过液晶显示能够较为清晰的看到传感器输出的动作信号,而且通过在触控屏端操作,可以更细致的观察柔性传感器的输出信息。最后,对DSP进行操作系统的移植,并利用其片上DMA功能,实现信号的高速实时采集,通过仿真器完成DSP与PC的信号数据传输。利用设计的检测装置检测人在走路时柔性传感器输出的信号,设定固定距离,以不同步速走完,在PC端记录回传数据,处理数据并通过对比提取回传信号特征,得到了人的步速与传感器输出信号幅值之间的正比关系,表明本文设计的检测装置对摩擦起电传感器有较好的信号检测效果,为柔性聚合物传感器的信号检测提供了理论和设计依据。

关键词： 桥梁特性   光纤传感器   单模光纤光源  

摘要： 随着科学技术和社会经济水平的快速发展,桥梁在交通运输行业中的地位也愈加重要。全国80多万座桥梁如何准确地获知每座桥梁的健康状况,并对桥梁损伤进行针对性的维护和保养已经关系到千千万万人民的人身和财产安全。光纤在检测物理量的变化方面具有传统传感器所不具备的高灵敏度、高抗干扰能力、广阔的适用范围等优点,对桥梁的应变、振动频率等方面都能准确快速地进行测量。本文首先介绍了光纤传感器的发展和应用,并对光纤传感器的原理、优缺点进行了阐述,然后便是利用光纤对桥梁的挠度、应变、自振频率进行了详细的测量和分析。本论文的主要研究内容包括:(1)针对半导体或其它类型光源在桥梁挠度检测实际使用时存在的问题,研究了采用单模光纤输出的光纤光源在系统中应用的可行性。推导了单模光纤纤芯半径和远场光斑半径的关系,发现随着纤芯半径的减小,基模的模场直径或光斑尺寸先减小后增大,并在实验上做了测量和验证,为选择最佳的光纤尺寸提供了依据。接着,设计制作了采用光纤光源的挠度测量系统,对该系统进行标定,然后在厦门市BRT桥梁进行实际检测,得到桥梁在行车时的挠度动态变化曲线。(2)介绍了光纤布拉格光栅的原理和基本特征,运用光纤布拉格光栅应变传感器检测桥梁应变的变化。通过研究简支梁跨中挠度和应变的关系,提出通过测量桥梁跨中的最大应变值实现桥梁跨中最大挠度的监测方法,并在厦门BRT实桥上做了测试和验证。测量结果表明,通过桥梁跨中的最大应变估算桥梁的最大挠度,与挠度直接测量结果的误差在3.3%之内。采用这一方法,可以比较准确快速地获得桥梁挠度信息,为实时监测桥梁挠度变化提供了一种新的途径。(3)为了提高无载情况下桥梁自振频率测量的准确性,我们首次采用平均周期图法对光纤布拉格光栅应变传感器获得的实验测量数据进行分析,得到了桥梁的自振频率。另外,还对有载和无载情况下桥梁振动频率进行了比较和分析,得到了有价值的结果。

关键词： 课程思政   协同育人   传感器检测技术   智能化机器人  

摘要： 本课题探索了在智能化机器人快速发展推广的时代背景下,如何将专业教学中融合课程思政,隐性教育与显性教育齐头并进。本文主要从课程思政设计、课程思政推进措施、提升教师育人能力等方面作了阐述,为德育工作融入专业教学提供借鉴。

关键词： 传感器与检测技术   课程教学   改革创新  

摘要： 根据教育部对高校学生的培养目标以及高校对传感器与检测技术专业教学的基本要求,该课程包含了十分丰富的专业理论知识和实训操作内容。但是反观学校的实际教学现状与社会的人才能力水平,笔者认为该课程取得的教学效果并不乐观。因此在本文中,笔者将根据传感器与检测技术在课堂教学中出现的问题分析探讨该课程的教学改革方案,以便于更好的推动高校教育改革,从而使培养出来的技术人才更加适应社会高速发展。

关键词： 应变传感器   小型化设计   短路孔微带天线   射频识别   结构缺陷   无线检测  

摘要： 微带天线应变传感技术作为一种新型检测技术，对高端装备的结构健康监测具有重要意义。为了实现传感器的小型化，本文提出一种短路孔微带天线传感器，并将微带天线技术与射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术相结合，研制了一种基于RFID标签的短路孔微带天线传感器，不仅实现了传感器的小型化，而且有效提高了微带天线传感器的无线检测距离。主要研究内容包括:　　(1)短路孔微带天线传感器的研制。建立矩形微带天线的电场模型，根据短路加载技术，分析加载短路孔和短路面后微带天线的谐振频率和表面电流分布、以及加载不同数量的短路孔对微带天线性能的影响，优化设计了一种短路孔微带天线传感器;基于馈线式和无线式两种激励方式，分别利用微带线馈电和喇叭天线馈电对短路孔微带天线传感器的检测性能进行分析，结果证明，小型化的微带天线传感器性能可靠。　　(2)短路孔微带天线传感器的检测技术研究。设计3.5GHz和4.5GHz两种谐振频率的馈线式短路孔微带天线传感器，并建立多物理场力磁耦合仿真模型，明确了其谐振频率与应变之间的线性关系;同时，针对喇叭天线馈电的无线激励方式，设计了谐振频率为1.5GHz的短路孔微带天线传感器，通过数值计算及仿真分析，明确了增大传感器的品质因数有利于提高无线检测距离;建立应变微波无损检测系统，分别利用馈线式和无线式开展实验研究，结果表明，短路孔微带天线传感器谐振频率的偏移量均与应变呈线性关系，且传感器频率越高，应变检测灵敏度越高。　　(3)基于RFID标签的短路孔微带天线传感器研制与检测技术研究。为提高系统稳定性并提高检测距离，将RFID技术和短路孔微带天线技术相结合，提出一种基于RFID系统的无线检测方法，将标签天线设计成短路孔微带天线形式，建立仿真模型分析增益、方向图、场强等特性参数，明确传感器在金属环境下的方向性和增益效果。研制RFm标签短路孔微带天线传感器，在微波暗室和实验室两种环境条件下测试传感器激活功率曲线，分析传感器的有效识别范围。建立RFID无线检测系统，对结构应变和缺陷开展检测实验研究，结果表明，RFID标签微带天线传感器可实现结构应变及缺陷深度的无线检测。

关键词： 卫星结构微角振动   磁流体动力学   微角振动传感器   测量系统   地面实验验证  

摘要： 卫星结构微角振动限制了高精度卫星指向精度和姿态控制稳定性,因此有必要对其进行在轨测量,以获取微角振动特性并做主动补偿等处理。为准确测量卫星结构微角振动,本文在对比国内外使用的几种测量方法后,提出了基于磁流体动力学（MHD）微角振动传感器的卫星结构微角振动测量方法,设计了基于此种测量方法的卫星结构微角振动测量系统,并针对由动量轮引起的有效载荷微角振动特性,应用实验室已有资源进行了实验验证。具体工作如下:首先,介绍了卫星结构微角振动原因、特点及影响,并对国内外卫星微角振动测量的发展及主要方法进行分析,最终设计了使用MHD微角振动传感器作为敏感元件测量卫星结构微角振动的方法。然后,对基于MHD微角振动传感器的卫星结构微角振动测量系统的总体设计方案以及硬件软件具体设计进行了阐述。针对测量系统在太空环境中可能遇到的各种不稳定因素,对MHD微角振动传感器的安装固连、信号的传输过程、系统器件的针对性选型、容错方法和信号处理算法等方面做了创新性设计,并对信号处理算法进行仿真。以上工作保证了系统对微角振动测量的准确性和可靠性。最后,根据上述设计,对实验系统各部分器件进行选型,对实验平台进行搭建,并应用实验室已有资源进行地面实验验证,实验内容包括单频模拟实验和混频模拟实验。实验结果表明:实验系统能够获取相对误差小于0.2%的微角振动频率信息和相对误差小于10%的微角振动幅值信息,能够获取有效载荷微角振动特性。本文研究内容可为卫星有效载荷微角振动的补偿和卫星姿态控制稳定性的提高提供数据参考。

关键词： 无线传感器网络   分布式检测   决策融合   序贯概率比检测   幅度触发采样   广义似然比检测  

摘要： 无线传感器网络(WSN)在军事侦察、环境监测和医疗卫生等领域具有广阔的应用前景,受到了研究者们的广泛关注。基于WSN的检测技术作为WSN应用的一个重要分支,有潜力实现非合作目标、频谱空隙以及非合作信号等对象的高效可靠检测,具有重要的研究意义。本文针对无反馈并行拓扑结构WSN中的分布式检测问题,提出了分布式固定样本数(FSS)检测和分布式序贯检测的相关算法,为基于WSN的检测应用奠定了理论基础。本文的主要贡献总结如下:(1)以FSS条件下非合作目标的分布式主动检测为算法的研究背景,考虑了(目标存在时)节点观测值与未知的目标反射角和位置都相关的特点,提出了基于均匀量化和广义似然比检测(GLRT)的分布式FSS检测算法。首先通过最大化备选假设与零假设之间的Kullback-Leibler距离,优化设计了均匀量化的门限,提高了检测性能。然后将提出的分布式FSS检测算法推广到了节点信息经二元对称信道(BSC)传输的场景,扩展了算法的应用范围。最后设计了节点观测值的自适应量化方案,显著降低了节点所需传输的信息比特数。(2)在简单假设检验背景下研究了基于幅度触发采样(LTS)的分布式序贯概率比检测(SPRT)算法。推导得到了该算法的误判概率近似表达式,并在此基础上改进了SPRT判决门限的设计方法。与现有的瓦尔德公式相比,推导的表达式更准确地描述了基于LTS的分布式SPRT算法的误判概率。因此,提出的SPRT判决门限设计方法能够在满足误判概率指标的前提下,选择更有利于降低检测时延的判决门限。随后,分析了非理想信道对基于LTS的分布式SPRT算法的影响,给出了一种基于信息传输误码率(BER)的分布式SPRT算法。(3)以非合作高斯随机信号的分布式检测为算法的研究背景,提出了基于改进LTS的分布式截断单边序贯(TOS)检测算法。设计了基于改进LTS的节点观测值预处理方案,在此基础上推导了融合中心的广义似然比(GLR)统计量并提出了TOS检测规则。与FSS检测相比,提出的TOS检测规则能极大地加快备选假设下的检测速度。同时,TOS检测规则避免了检测停止时间过长的问题。与基于传统均匀采样和1比特量化的分布式TOS检测相比,提出的基于改进LTS的分布式TOS检测算法不仅明显降低了节点与融合中心之间的通信开销,而且显著提高了检测算法的性能,这得益于改进LTS的自适应采样机制。为避免求解计算复杂度较高的GLR统计量,进一步提出了采用广义局部最佳检测(G-LOD)统计量的分布式TOS检测算法。(4)针对非合作确定性信号的分布式检测,重新设计了节点观测值预处理的LTS方法并推导了GLR统计量,在此基础上给出了分布式TOS检测算法。随后,考虑到GLR统计量的计算复杂度较高,提出了一种基于改进LTS和广义Rao(G-Rao)检测统计量的低计算复杂度分布式TOS检测算法。

关键词： 智能交通系统   车辆移动状态检测   对称三轴微震传感器  

摘要： 交通数据采集是构建智能交通系统的基础,车辆检测技术作为交通数据采集的重要组成部分,通过车辆检测技术可以快速精准的获得交通参数,为智能交通系统提供所需要的基础数据源,从而实现交通管理部门的智能化管控。本论文首次将对称三轴微震传感器技术应用到车辆运动状态检测中来,可以对现有车辆检测器进行补充,为车辆检测技术提供了新的思路和方法。对称三轴微震传感器技术区别于现有的线圈、雷达、激光、磁阻、视频等常见的车辆检测手段,具有灵敏度好、精度高等优点,本文研究内容如下:首先,对常见车辆检测技术的原理进行介绍,分析了常见检测技术的研究现状。重点介绍了微震技术的特点,并对微震传感器的工作原理进行简要的概述。其次,结合车辆震动信号的特点,建立了三轴微震传感器技术的车辆检验的相关算法:对于车辆存在检测,本文采用了改进的自适应阈值算法,提高了算法的适用性;对于车辆行驶方向的检测,提出了峰值时间节点排序算法;对于车辆速度检测,提出了双节点峰值测速算法。最后,通过试验对算法进行了验证。结果表明,车辆存在检验的算法平均正确率为97.5%以上,车辆方向检测算法的正确率为100%,车辆速度检测的算法平均误差约为±1.75km/h,说明本文提出的算法可行。

关键词： Arduino技术   自动检测   模块化编程   一体化教学  

摘要： 传感器与自动检测技术这门课程是工科学生的必修之课,特别对电气自动化专业、机械制造及其自动化专业、电子技术专业、物联网专业、工业机器人专业等,是非常重要的课程。但目前广东省粤东高级技工学校这门课程主要是以理论课的形式上课,在教学效果上出现理论与实践脱节,学生上课兴趣持续下降,不能满足现代企业对这类人才的需求。根据几年来的课程探索与改进,将Arduino技术引进传感器与检测技术的课程,变理论课为一体化课程,以项目实施的方法进行课程改革。让学生真正了解各类传感器,并能通过编程调试、监测传感器将非电量转换为电量并对其进行处理控制的过程。

关键词： 高频电压激励   简化虚拟传感器   检测技术   双重凸极性SPMSM  

摘要： 随着“中国制造2025”战略的推进,我国对工业自动化的要求越来越高,工业机器人作为衡量工业自动化水平的主要标准,备受世界各国青睐。近年来,随着3C电子等行业的崛起,衍生出一种新型的轻负载、小型化、模块化的人机协作机器人。为了逐步实现其关节模组的高度集成,缩小体积、降低成本,其伺服系统虚拟传感器反馈控制技术是最核心的技术之一。在此背景下,本文以自主设计的双重凸极性表贴式永磁同步电机（SPMSM）为研究载体,通过简化的虚拟传感器检测技术实现其高精度运行效果。并利用SIMULINK仿真分析模型证明该方案的可行性和优势。主要工作如下:（1）首先对协作机器人关节中采用的永磁同步电机（PMSM）的结构特点以及优缺点进行详细的研究,全面分析了 PMSM在各坐标系中的模型方程以及矢量控制技术,并详细推导了空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的实现算法。为证明本文设计方案的可行性奠定了坚实的理论基础。（2）考虑到SPMSM在高频激励时的饱和凸极性比较小,在此基础上提出双重凸极性SPMSM的设计方案,使其同时具有饱和凸极性与结构凸极性。利用MAXWELL进行双重凸极性SPMSM的本体设计。在高频激励情况下,对传统SPMSM和双重凸极性SPMSM的磁链分布进行对比分析并详细分析了高频激励频率、幅值以及改进电机时采用的金属闭合线圈半径、材料对其凸极性的影响。最后分析了上述四个因素对电机损耗的影响,综合分析以上结果选择最佳方案。（3）基于设计的双重凸极性SPMSM,提出双重凸极性SPMSM高频等效模型并证明了构造双重凸极性的重要性。另外,考虑到新型电机采用传统高频脉振电压激励法会产生转矩脉动,提出新的高频电压激励法和简化的虚拟传感器检测技术,取消了带通滤波器,缩小了信号延迟,提高了响应速度和估算精度。（4）针对提出的基于高频电压激励及简化虚拟传感器检测技术的双重凸极性SPMSM控制方案,通过MATLAB/SIMULINK仿真结果证明了该方案的优越性。