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仪器仪表学报
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仪器仪表学报/Journal Chinese Journal of Scientific InstrumentCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本学报是中国仪器仪表学会主办，代表中国仪器仪表及自动化最高学术水平的唯一国内外公开发行的学术性刊物。学术性强、内容创新、注重应用，优先刊登具有创新成就和观点的中英文论文、综述性文章、论坛及信息。设有学术论文、研究通讯和短文、综述、信息等栏目。
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    基于无人机航拍的风力发电机叶片表面缺陷检测综述

    宋晔吴一全
    1-25页
    查看更多>>摘要：风力发电在能源转型中占重要地位。风力发电机叶片是接收风能的关键部件，其缺陷检测是维持发电机运行的基本保障。无人机航拍与机器视觉的结合能有效检测叶片表面缺陷。本文综述了近年来基于无人机航拍的风力发电机叶片表面缺陷检测方法。首先概述了风力发电机叶片特点与缺陷分类。其次对比了4类风力发电机叶片表面缺陷检测方法，阐明了无人机航拍结合视觉检测方法的优势及技术流程。然后概述了基于传统图像处理与机器学习的航拍叶片表面缺陷检测方法，包括表面图像拼接、缺陷的分割和特征提取与分类方法。综述了基于深度学习的航拍叶片表面缺陷检测方法，包含缺陷分类、识别与分割的深度学习网络。随后梳理了叶片表面缺陷数据集以及性能评价指标。最后指出该领域面临的挑战并对其解决方法进行了展望。

    无人机航拍风力发电机叶片缺陷检测机器视觉深度学习数据集

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    圆柱滚子轴承内外圈缺陷耦合机理建模研究

    罗茂林杨松苏祖强胡峰...
    26-37页
    查看更多>>摘要：圆柱滚子轴承作为旋转机械的关键零部件，其健康状况对机械系统运行的可靠性、稳定性、及安全性有重要影响。基于动力学与物理学的圆柱滚子轴承动力学建模，有益于探明缺陷内在激励机理，揭示缺陷激励演变机理同轴承动力学行为间的映射机制，并提升工况下圆柱滚子轴承状态运维的准确度与可靠性。现有圆柱滚子轴承建模鲜有考虑其内外滚道复合缺陷耦合激励机理。有鉴于此，本文提出了新的圆柱滚子轴承内外滚道复合缺陷耦合激励机理动力学模型，建立了表征滚子仅与内圈或外圈缺陷接触和滚子与内外圈缺陷同时接触引起的时变力学参量演变机理函数模型，研究了圆柱滚子轴承复合缺陷激励同接触位移、接触力等力学参量变化规律间的映射机制，探究了多转速条件下的圆柱滚子轴承振动行为变化规律。经实验验证表明:仿真与实测信号振动特征基本吻合，仿真与实测信号故障特征频率及其倍频基本一致，验证了所建立模型的有效性和准确性，对圆柱滚子轴承状态运维的准确度与可靠性的提升有一定的理论意义和实际应用价值。

    圆柱滚子轴承复合缺陷缺陷耦合激励机理建模振动特性

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    基于轻量卷积和模型优化的电弧故障检测方法

    刘艳丽王浩张帆
    38-49页
    查看更多>>摘要：在电动汽车电路系统中，直流串联电弧故障通常发生在接触点松动或线路连接损坏处，会引起火灾、爆炸等事故。为进行电动汽车中的串联型电弧故障研究，首先，搭建了电动汽车电弧故障实验平台，详细分析了不同工况下干路电流波形变化的原因与规律。由于电弧故障检测的高实时性需求，本研究采用了轻量型的卷积操作，即深度可分离卷积，基于深度可分离卷积搭建了电弧故障检测网络，实现了电动汽车电弧故障的检测与故障线路的判别。然后，针对低维度空间中深度可分离卷积特征提取能力受限的问题，本研究对其进行了改进，提出了特征表达能力更加优越的卷积操作:分组可分离卷积。最后，采用了递进式的阶梯结构，从网络浅层至深层，分组可分离卷积内每组的卷积核数量逐渐下降，在保证检测精度的前提下，实现了网络架构的精简与优化。进一步地，对检测模型进行了卷积核尺寸调优，并在结构中添加了轻量化注意力机制。在模型的训练过程中，应用了动态学习率调整策略。通过一系列的模型优化措施，系统性地增强了模型的运行效率与检测精度。模型的检测准确率达到96。76％，同时具有较好的泛化和抗干扰能力。

    电动汽车轻量型卷积操作深度可分离卷积分组可分离卷积模型优化

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    基于空间运动特性的断路器健康状态识别

    孙曙光王浩宇王景芹李奎...
    50-62页
    查看更多>>摘要：考虑到空间运动特性差异对机械性能退化的体现更为直接，且振动信号蕴含丰富的机械状态信息，提出一种利用振动信号对空间运动特性进行表征的断路器健康状态识别方法。首先，利用位移信号获取能够反映关键机构机械状态的运动特性参数;其次，采用AAF-AAKR模型构建运动特性健康指标;然后，基于关键动作阶段三维振动信号特点提取多域特征参数，选取相关性较高的特征进行层次聚类并计算与运动特性的互信息，得到对运动特性表征能力强的关键退化特征矢量;最后，将退化特征矢量作为输入，运动特性健康指标作为输出，构建1D-CNN性能退化回归模型，以实现储能机构健康状态识别。实例验证表明，三维振动信号相对于一维振动信号对运动健康指标的拟合效果更好，回归分析RMSE为0。0186，MAE为0。0112，可精准地识别断路器的健康状态。

    万能式断路器三维振动信号空间运动特性健康状态识别

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    非完美维修下线控转向系统间歇故障预测

    郁明程区奇程瑞
    63-74页
    查看更多>>摘要：线控转向系统是自动驾驶技术的关键部分，其可靠性直接影响驾驶安全。间歇故障的随机性以及非完美维修的复杂性，使故障预测方法设计面临巨大挑战。因此，如何在非完美维修下解决线控转向系统的间歇故障预测问题，对驾驶安全性具有重要意义。本文创新性地提出基于变尺寸窗口与工况依赖复合退化模型的非完美维修下线控转向系统间歇故障预测方法。通过变尺寸窗口的概念提取间歇故障的两个特征，构建考虑非完美维修效应的工况依赖复合退化模型以预测间歇故障元件的剩余使用寿命。实验结果表明，所提方法在2种工况下的剩余使用寿命预测的相对精度分别达到95。48％和96。14％，明显优于对比实验采用的现有文献中的方法。

    线控转向系统间歇故障非完美维修变尺寸窗口工况依赖的复合退化模型

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    基于电磁法的管道屈服强度检测方法研究

    金新玖耿浩杨理践
    75-84页
    查看更多>>摘要：为评估在役管道的屈服强度，本文研究了钢材微观结构对机械性能的影响，以及微观结构对电磁特性的影响，提出了一种基于电磁法的管道屈服强度检测方法，分析了钢材电磁特性对检测线圈阻抗的影响原理，建立仿真模型研究了检测频率对磁通密度及感应电流的影响，通过实验对所提出方法的有效性进行验证，并研究了温度与表面腐蚀对检测方法的影响。研究结果表明，基于电磁法的屈服强度检测方法对于Q345及Q235钢材具有良好的检测效果，当检测频率为10 kHz时两种钢材的屈服强度均与检测线圈阻抗值具有近似线性的对应关系，皮尔逊相关系数分别为0。94与0。87，阻抗值均随屈服强度增大而增大，该方法为管道屈服强度的检测提供了理论依据及实验基础。

    屈服强度管道内检测涡流阻抗材料无损检测

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    基于涡街频率-扰动波频双模检测的湿气流量测量

    李金霞吴逸蒙丁红兵孙宏军...
    85-96页
    查看更多>>摘要：针对两相涡街湿气测量过读问题，提出基于涡街-扰动波频双模检测的过读校正与湿气流量在线测量方法。基于电导法构建了环形液膜参数测量传感器，分别设计了激励模块、采集模块、解调模块和上位机，考虑传感器的灵敏度和线性度对激励频率、电极宽度、电极间距等参数进行了优化设计。在环雾状流实验装置上进行了不同载气工况(气相流量和压力)和液相含量下的实流试验，分析了涡街过读和扰动波频随两相工况的变化。最后，建立了涡街过读与扰动波斯特劳哈儿数和气相韦伯数之间的关联式，结合牛顿迭代算法建立了湿气在线测量模型。预测结果表明，97。5％的流量点湿气测量误差在±1。5％以内，不确定度0。75％。与未进行过读校正的最大误差12。1％相比，湿气测量精度大大提升。模型利用扰动波频信息进行过读校正，无需进行液膜厚度标定，对介质导电性要求低，且标定系数少，因此模型适用性和拓展性可得到有效提升。

    湿气两相流涡街流量计扰动波频仪表过读流量测量

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    航空发动机叶片原位检测的可吸附连续体机器人运动建模及控制研究

    齐飞葛奕玮刘先军孙露...
    97-109页
    查看更多>>摘要：针对现有航空发动机叶片原位检测机器人柔顺性差、负载能力低及结构刚度不足的问题，设计了一种绳驱动可吸附连续体机器人，以解决连续体结构高柔性与低刚度间的矛盾。该机器人基于叶片环境特征及章鱼触手吸附机理，由多节卯榫柔性关节与气压吸附单元串联构成，通过主动吸附增强结构刚度并防止变形失稳。基于改进的D-H法和欧拉变换原理建立运动学模型，分析其弯曲变形与结构参数间的映射关系，并通过有限元ANSYS对结构刚度和变形特性进行分析。实验平台验证了所建运动模型及控制性能，结果表明，机器人最大负载达4。42 N，且在相同负载下末端位置偏差较传统连续体结构分别降低78％和57。5％，由此验证了所提可吸附连续体结构及所建模型的正确性和有效性。

    连续体机器人航空发动机叶片检测运动建模吸附机构

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    基于等效负载跟踪的旋转磁场耦合式WPT系统最大效率控制方法

    谢诗云吴莲李津黄杰...
    110-122页
    查看更多>>摘要：针对旋转磁场耦合式无线电能传输(WPT)系统在负载和耦合线圈互感变化条件下的最大效率和恒压输出需求，本文提出了一种基于等效负载跟踪的最大效率控制方法。首先，构建了以双层正交DD(DQDD)线圈为发射机构，交叉偶极式(CD)线圈为接收机构的旋转耦合式WPT系统;继而在考虑交叉耦合及线圈内阻的情况下进行了双能道LCC-S型WPT系统的谐振参数配置，推导了系统传输功率和效率的表达式。然后，引入复合控制方法，在直流输入端采用Buck电路来调节系统输出电压，在输出负载端采用Buck-Boost升降压电路实现阻抗匹配。最后，通过仿真与实验验证了所推导的回路电流、输入输出功率以及效率表达式的准确性，验证了计及耦合环流的谐振元件参数配置条件的可行性。结果证明了互感辨识结果的准确性，系统可以实现最大效率跟踪及恒压输出，传输效率可以保持在90％以上。

    双能道无线电能传输最大效率跟踪恒压控制互感辨识

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    基于点云分割与主成分配准的换电机器人位姿估计方法

    王立辉陈勇吉韩华春顾炜琪...
    123-132页
    查看更多>>摘要：针对新能源电动汽车换电过程中电池包加解锁精确定位问题，提出一种基于点云分割与主成分配准的电池包加解锁位姿估计方法。该方法首先使用实例分割网络分割出场景图片中的加解锁实例，将加解锁实例对应的深度数据投影成点云后，采用统计滤波和体素滤波对加解锁点云进行去噪和下采样处理;其次通过在PointNet++网络的特征提取层嵌入SGE注意力机制模块，增强点云中点的空间语义特征并分割出锁头点云;最后采用点云主成分配准将锁头点云与目标点云配准，获取加解锁的空间位姿。实验结果表明，本文提出的位姿估计算法具有较高精度和一定抗干扰能力，其加解锁分割精度为98。02％，位姿估计平移误差为2。239 mm，角度误差为1。822°，RMSE为1。495 mm，满足换电机器人加解锁定位精度需求。

    换电机器人位姿估计点云配准点云分割注意力机制

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