针对轨道扣件表面结构复杂导致的线结构光照射分布不均匀问题，研究了一种基于改进灰度重心法的光条中心线提取方法，精准重构了轨道扣件点云模型。基于点云模型提取了轨道扣件的结构特征信息，建立了轨道扣件缺陷检测组合分类器模型，实现了轨道扣件的弹条缺失、扣件歪斜、螺母缺失等缺陷检测。研究了基于表面法向量的螺母上平面解析方法，通过螺母松动测量实验实现了轨道扣件的松动检测。搭建了扣件故障诊断实验平台并开展了相关实验研究，实验结果表明，系统扣件故障检出率达到96%，扣件松紧度测量的总体误差低于0.2 mm，扣件故障诊断系统的检测效果和鲁棒性较好，对列车安全运行具有重要的现实意义。
测量 三维图像处理 轨道扣件 线结构光 中心线提取 故障诊断
重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆400074
针对三维力传感器维间耦合干扰问题，以基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）的一体式三维力传感器为研究对象，提出了一种基于白鲨优化算法的优化极限学习机（White Shark Optimizer-Extreme Learning Machine， WSO-ELM）的非线性解耦算法。首先，设计了基于FBG的一体式三维力传感器，阐明该传感器波长漂移量与三维力的映射关系；然后，搭建静态标定实验系统，分析三维力耦合特征，并建立WSO-ELM算法三维力传感器解耦模型，利用白鲨优化算法（White Shark Optimizer， WSO）稳定、高效特点优化模型，寻找ELM神经网络隐含层神经元数与解耦时间的最佳参数组合，开展基于WSO-ELM的三维力传感器非线性解耦研究；最后，该传感器解耦后最大平均I类误差达到0.51%，最大平均II类误差达到0.65%，实现了基于WSO-ELM的三维力非线性解耦。为验证解耦效果，将WSO-ELM算法与极限学习机神经网络模型、反向传播神经网络、最小二乘法解耦效果进行对比实验。实验结果表明：WSO-ELM算法具有较好的解耦效果，能有效构建三维力维间耦合关系，同时降低传感器耦合干扰，提高传感器的测量精度，具有良好的非线性解耦能力。
白鲨优化算法 非线性解耦 三维力传感器 光纤布拉格光栅 极限学习机算法 white shark optimizer nonlinear decoupling three-dimensional force sensor fiber Bragg grating extreme learning machine 光学 精密工程
2023, 31(18): 2664
重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆400074
为了监测核工业冷却管道中冷却剂的浓度，针对目前测量仪器易受环境干扰、介质沉积、难以分布式多点监测等问题，设计了一种基于层状聚酰亚胺（Polyimide， PI）的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）浓度传感器。结合PI薄膜的吸水特性、水分子扩散原理和FBG传感理论，研究基于层状PI薄膜的FBG浓度传感机理，设计制作了层状PI薄膜FBG浓度传感器。最后，搭建浓度测量实验平台，进行浓度传感实验，得到镀层状PI薄膜的FBG浓度传感器对氯化钾（KCl）溶液的浓度特性曲线，并分析了其灵敏度与滞回特性。实验结果表明：浓度与波长漂移量呈线性变化关系，浓度特性曲线拟合度为0.994 2，正、反行程输出的最大差值为35 pm，传感器的平均灵敏度为157.6 pm/（mol·L-1），是同条件下镀一层环状PI薄膜FBG浓度传感器和腐蚀型FBG浓度传感器灵敏度的7.4倍和49.1倍。该传感器为核工业管道中冷却剂浓度测量提供了新方法，具有高灵敏度、安全、抗电磁干扰等优点。
光纤布拉格光栅 浓度 层状聚酰亚胺 高灵敏度 fiber Bragg grating concentration layered polyimide high sensitivity
1 重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074
2 重庆建设汽车系统股份有限公司，重庆 400052
基于蹦床效应提出新型蹦床声子晶体模型。借助有限元法，计算蹦床声子晶体能带结构、本征模态，并与传统声子晶体对比，选择调整蹦床声子晶体柱体高度进行彩虹捕获效应研究。按照不同柱体高度蹦床声子晶体，将16个蹦床声子晶体单胞分别以单一编号、有序及随机完全无序排列形式组合，计算对应传输损失曲线，分析不同排列组合形式对彩虹捕获效应的影响。并进一步设计了3种轻度无序排列形式蹦床声子晶体阵列，以分析无序度对彩虹捕获效应的影响。结果表明：新型蹦床声子晶体带隙宽度是传统声子晶体的2.1倍，采用蹦床声子晶体有序排列形式表现出明显的彩虹捕获现象，而完全无序排列形式则表现出强烈的“逆彩虹捕获”现象；采用3种轻度无序排列形式蹦床声子晶体阵列对激励信号的衰减能力与有序排列基本相同，表明所设计的新型蹦床声子晶体对阵列的轻度无序排列具有鲁棒性。本工作为今后定向设计衰减频域及最大衰减幅度的彩虹捕获声子晶体阵列提供了参考。
蹦床效应 声子晶体 彩虹捕获效应 阵列形式 传输损失 trampoline effect phononic crystal rainbow trapping effect array form transmission loss
1 重庆交通大学机电与车辆工程学院, 重庆 400074
2 重庆建设汽车系统股份有限公司, 重庆 400052
基于局域共振机理提出1种双侧空心不对称散射体声子晶体结构, 借助有限元法, 计算了双侧空心不对称散射体声子晶体能带结构、传输损失谱及本征位移场, 得到了起始频率为79.4 Hz、带宽为1 065.2 Hz的超宽第1完全带隙。结合等效弹簧质量系统, 分析标记点的本征位移场振动模态, 揭示出新型双侧空心不对称散射体声子晶体带隙形成机理。分析了包裹层缺口角度、连接短板宽度、空心圆柱散射体高度等几何参数对第1完全带隙的影响规律, 并改变声子晶体几何参数实现对带隙频率的调控。结果表明: 双侧不对称二维空心散射体声子晶体第1完全带隙的起始频率有效降低至80 Hz以下, 带宽超过1 000 Hz; 改变声子晶体结构参数可实现局域共振与Bragg散射带隙同时存在于一种声子晶体中, 为单一声子晶体同时调控低频、高频带隙提供了可能。
双侧空心不对称 声子晶体 局域共振 完全带隙 低频振动控制 bilateral hollow asymmetry phononic crystal locally resonance complete band gap low frequency vibration control
光学 精密工程
2022, 30(11): 1290
重庆交通大学 机电与车辆工程学院, 重庆 400074
为提高嵌入式时栅传感器测量精度, 对不同安装模态下测量精度进行了表征。从嵌入式时栅传感器传感机理出发, 分析了安装气隙变化、径向安装偏差和轴向安装偏差对传感器测量精度的影响规律, 建立了不同安装模态的误差模型。对传感器不同安装模态进行了模拟仿真与实验验证。仿真与实验结果表明: 不同安装模态均会影响传感器测量精度, 其中径向安装对传感器测量误差影响最大, 气隙间距变化对传感器测量误差影响其次, 轴向安装对传感器测量误差影响最小; 三种安装模态对测量误差的影响均体现在对一次和二次误差的影响上; 在气隙间距为0.2 mm无径向与轴向安装偏差时嵌入式时栅测量误差峰峰值为100.8″。本研究对指导嵌入式时栅传感器安装, 降低安装误差, 提升测量精度具有重要的理论与现实意义。
嵌入式时栅传感器 安装模态 安装误差 测量精度 embedded time grating sensor mounting modes lnstallation error measuring precision 光学 精密工程
2020, 28(10): 2290
1 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
2 重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程中心，重庆 400054
3 重庆理工大学 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室 重庆 400054
针对动态测量误差特点，提出了对系统误差和随机误差分别进行建模和组合补偿的思想来提高时栅传感器的动态测量精度。对具有周期性变化特征的系统误差采用傅里叶级数逼近的方法进行建模，运用最小二乘求解超定方程组的方法计算出系统误差的补偿参数。对于系统误差补偿后残留的随机误差采用灰色预测GM(1, 1)模型进行预测，通过模型残差检验和修正提高预测的准确度。实验结果表明，利用傅里叶级数逼近模型有效地补偿了系统误差，误差由±35″降至±7.8″，通过最小二乘参数寻优得到的补偿参数与传感器实际的误差成分相吻合; 灰色预测模型则很好地预测补偿了残留的随机误差，误差由±7.8″降至±3″。得到的结果表明，利用这种对误差分别建模和补偿的方法大幅度地降低了动态测量误差，有效地提高了传感器的测量精度。
时栅传感器 位移测量 动态测量误差 系统误差 随机误差 傅里叶级数逼近 1)模型 time grating sensor displacement measurement dynamic measurement error systematic error random error Fourier series approach GM(1 GM(1 1) model
1 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009
2 重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程中心,重庆 400054
提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。
嵌入式时栅传感器 离散测头 动态自标定 母仪标定 标定精度 embedded time grating sensor discrete probe dynamic self-calibration standard implement calibration calibration precision 光学 精密工程
2014, 22(10): 2757
