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仪器仪表学报
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月刊

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100009

北京市东城区北河沿大街79号

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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    基于单轴光学陀螺与MEMS IMU的室内移动机器人寻北

    谭彩铭谢晓龙
    132-138页
    查看更多>>摘要：三轴高精度光学陀螺成本高体积大，限制了陀螺寻北技术在移动机器人领域的应用。针对该问题，提出一种基于单轴光学陀螺和微机电系统(MEMS)惯性测量单元的室内移动机器人寻北方法，达到或者接近三轴光学陀螺的寻北精度，成本和体积降低约2/3。移动机器人于第1位置静止时，根据单轴光学陀螺的输出与MEMS三轴加速度计的输出，获得两个可能方位角，以相同的方式获得移动机器人在第2位置的两个可能方位角，两个位置的方位角相减得到4个可能的方位角变化值，通过和MEMS捷联惯导系统所得方位角变化值比较，确定第2位置的唯一方位角。误差分析显示在方位角接近90°和270°时，所提出的方法接近三轴光学陀螺的寻北精度，仿真实验和跑车实验证实了所提出方法的有效性。

    陀螺寻北捷联惯导单轴光学陀螺MEMSIMU室内移动机器人

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    基于WOA-ELM的空间分层结构FBG三维振动加速度传感器非线性解耦

    孙世政武宇峰何江徐向阳...
    139-147页
    查看更多>>摘要：针对三维振动加速度传感器存在的维间耦合干扰问题，以空间分层结构光纤布拉格光栅(FBG)三维振动加速度传感器为研究对象，阐述了三维振动加速度传感的基本原理。其次，构建了振动加速度动态标定实验平台，并分析了传感器的结构耦合特性。最后，提出一种基于鲸鱼算法优化极限学习机(WOA-ELM)的神经网络模型并进行了非线性解耦实验，其结果显示，在x、y、z三轴的平均测量误差分别降至1。58％、1。17％、0。95％，平均Ⅰ类和Ⅱ类误差最大值分别降至0。73％和0。37％。为验证解耦效果，将WOA-ELM与其他算法等进行解耦效果对比。结果表明，WOA-ELM更有效地降低三维振动加速度传感器的维间耦合干扰，提高测量精度。

    光纤布拉格光栅三维振动加速度传感器维间耦合鲸鱼优化算法极限学习机

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    一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套

    朱云鸿张旭娄小平董明利...
    148-155页
    查看更多>>摘要：由于远程操控的机械手具有灵活性大和环境适应性高的特点，在越来越多的特殊场合下，人类开始借助机械手完成任务。本文针对危险环境中机械手高精度远程操作的需求，提出了一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套。建立了手套中光纤光栅传感器的弯曲测量模型，发现光纤光栅的中心波长变化量与弯曲角度之间成正比关系。结合机械手舵机的控制，提出了利用光纤光栅传感器进行机械手远程操控方法，编写了上位机软件，实现了从光纤光栅中心波长到手指弯曲角度最后到机械手舵机控制编码的过程。完成了光纤光栅传感器的设计和封装，手套的四路探测光纤中共有12个栅区长度为10 mm的光纤光栅传感器，其中11个传感器被封装在人手关节的上方进行弯曲感知，1个光纤光栅温度传感器用于温度补偿，利用704硅橡胶对光纤光栅传感器进行封装。搭建了基于光纤光栅传感器的机械手远程操控系统，并对光纤光栅传感器进行了标定，实验结果表明在人手关节弯曲0°～90°的范围内，平均弯曲角度测量误差为1。147°，所有拟合直线的决定系数均大于0。993，最后设计了人机交互演示模块展示人手的运动。本文提出的基于光纤光栅传感器的手套具有小型化、高精度、抗电磁干扰的特点，在航天器在轨维修、远程医疗手术和高危排雷作业等方面具有潜在的应用前景。

    光纤光栅传感器机械手远程操控人机交互弯曲角度

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    基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统

    刘星宇郭荣翔郎玘玥刘铁根...
    156-164页
    查看更多>>摘要：随着光子芯片技术的快速发展，先进的光电芯片测试系统受到越来越多的研究关注。然而，现有光子芯片测试系统主要针对通信芯片的需求开发，缺少对环境参量的控制功能，难以满足传感芯片的研发需求。本文报道了一种基于光栅耦合技术的光子芯片传感测试系统，可以实现光栅自动耦合、环境控制与感知、数据处理与交互等功能，并利用此系统完成了基于微环谐振腔光学芯片的气体浓度传感与温度传感实验。结果表明，在常温常压条件下，此系统可以对浓度为20％-80％之间的CO2气体进行检测，灵敏度可以达到0。152 GHz/％(2。113 pm/％)，同时可以对30℃～35℃之间的环境温度进行检测，灵敏度为4。996 GHz/℃(74。891 pm/℃)。本工作为光学传感芯片的研发提供了快速高效的技术手段。

    硅基光子学光栅耦合技术光学传感芯片环境检测

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    基于标签伯努利滤波技术的多机器人随机组网协同导航

    陈红梅王海锋叶文张筱南...
    165-175页
    查看更多>>摘要：针对多机器人在间歇性观测或无绝对观测环境下的分布式协同导航问题，提出了一种基于标签伯努利滤波技术的多机器人随机组网协同导航算法(GS-EPF-LMB)。该算法通过时间更新、观测更新和显示通信3种状态更新策略，利用随机有限集对状态和观测进行建模，并生成标签化的多伯努利粒子。为了提高算法的一致性和定位精度，基于标签多伯努利粒子耦合相对观测和绝对观测，采用粒子滤波器优化带有标签的粒子状态，并利用历史信息对状态估计进行约束。此外，利用概率数据关联实现导航系统状态估计，并通过分层高斯模型和变分贝叶斯方法实现全局最优状态估计。实验结果表明，算法的定位精度达到0。11 m，相较于全局状态-协方差交(GS-CI)算法，定位状态协方差收敛性提高了 48。6％，精度提高了 11％。

    多机器人协同导航标签化伯努利滤波器显示通信随机组网

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    单气腔仿肺软体驱动器建模与变形特性分析

    张来喜文伟韬孟文强徐丰羽...
    176-188页
    查看更多>>摘要：放射治疗是肺癌治疗的重要手段，然而肺部肿瘤随呼吸运动产生的空间运动，对精准放疗提出了挑战。针对目前精准放射治疗中图像引导带来的对健康组织的额外辐射剂量问题，本文提出一种利用仿肺软体驱动器体外模拟肺的呼吸变形运动，通过建模预测肺部肿瘤运动的思路，从而减少患者接受额外辐射剂量，实现精准并安全的放射治疗。首先利用CT图像精准完成肺部的外形还原，然后得到的肺部随呼吸的变形运动规律。在此基础上，设计了肺部空腔的形态，并通过变形仿真验证了结构设计的合理性，据此制作了仿肺软体驱动器样机。最后，通过给予离散化的周期性气压来模拟实际的呼吸状态对样机进行了测试。实验结果表明:所设计仿肺软体驱动器可以按预期完成呼吸变形模拟，最大气压为45 kPa，最大轴向位移为5。9 mm，最大径向位移为3。4 mm。仿肺软体驱动器具有良好的呼吸运动变形模拟效果，可以为肺部肿瘤精准安全放射治疗提供借鉴。

    仿肺软体驱动器逆向建模呼吸运动变形控制

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    尖牙反(牙合)矫治人字形和T形曲组合正畸弓丝矫治力建模

    姜金刚李长鹏李风潇孙健鹏...
    189-199页
    查看更多>>摘要：固定矫治技术是治疗牙齿反(牙合)最为有效的矫治手段，主要通过正畸弓丝释放的矫治力来达到反(牙合)矫治中的矫治空间预留、反(牙合)牙齿回收的目的。在牙齿反胎畸形中，尖牙反(牙合)是最为常见的牙齿反(牙合)畸形，常使用人字形和T形组合曲关闭上颌牙列间隙。本文旨在正畸治疗前量化人字形和T形组合曲释放矫治力的情况，为正畸医师提供尖牙反(牙合)矫治的理论参考。分析人字形和T形组合曲的形变过程，将其形变过程分为弹性形变和弹塑性形变两类，并对两种形变下的矫治力微分方程进行了构建，将其释放的矫治力分为闭隙矫治力和倾覆矫治力两种，完成了人字形和T形组合曲理论模型的建立，其次对有限元仿真值与理论值的误差率进行计算，得到闭隙矫治力仿真值与理论值的误差率在0。43％～8。33％之间，倾覆矫治力的仿真值与理论值的误差率在2。13％～9。76％之间，搭建实验测量平台得到了闭隙矫治力实验值与理论值误差率为0％～9。30％、倾覆矫治力实验值与理论值的误差率为0％～9。76％，实验测量数据与理论值具有相同的非线性变化趋势，验证了人字形和T形组合曲理论预测模型的正确性，该模型能帮助医师在治疗前对正畸力进行详细的定量分析，从而为个性化治疗方案的制定提供依据，更好地满足患者需求。

    T形曲人字形曲矫治力模型有限元仿真矫治力测量

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    基于全方位深层加权轻量化网络的冠脉造影图像超分辨率重建方法

    张博伟何彦霖王康黄宇辰...
    200-209页
    查看更多>>摘要：针对介入手术中对冠状动脉造影图像纹理清晰的需求，本文提出一种基于全方位深层加权轻量化网络的超分辨率图像重建方法。首先通过设计局部卷积模块，降低特征图的维度减小其参数量，加快模型的处理速度;接着采用自注意力机制模块，融合图像的通道和空间信息，获得图像的丰富高频细节特征;此外，为了进一步提取图像的深层特征信息，研究设计了级联和权重匹配的层注意力结构，为图像不同深度的特征分配不同的权重，实现图像的超分辨率重建。最后为了使本文所研究方法在真实介入手术冠脉造影图像中有更强的泛化能力，本文构建了冠脉造影图像数据集(CAID)用于网络模型的训练和测试。实验测试结果表明，与Omni-SR算法相比，本文所提出算法在参数量减少32。3％、运行时间减少17。74％的同时，其重建图像的质量在客观指标和主观感受上均优于其他对比算法，且在放大倍数为4时，PSNR和SSIM的平均值在CAID数据集上分别提高了0。72 dB和0。012 2，在公共数据集上分别提高了 0。13 dB和0。004 4。

    冠脉造影图像超分辨率重建局部卷积注意力机制轻量化

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    基于胃部肿瘤病理数据特征提取的分型模型研究

    张建宋志刚王书浩付哲铭...
    210-217页
    查看更多>>摘要：胃癌的早期发现和组织病理的精准分型可有效提高患者的5年生存率，但有限的医疗资源难以满足这一需求。基于ResNet-50的DeepLab v3语义分割算法，构建了胃部肿瘤病理分型识别系统，辅助病理医生实现快速高效精准的协同分型诊断。针对不含恶性肿瘤的情况，完善实现了胃部低级别上皮内瘤变的二分类识别。医院临床及资深医师像素级标注的1 854张胃部组织数字切片进行了训练和测试，实现了在癌区识别基础上准确率为61。8％、kappa=0。496的分型诊断和敏感度100％、特异性75。8％和AUC=0。972的低级别上皮内瘤变诊断。提出的胃癌分型诊断能够标出癌区，并给出诊断参考;低级别上皮内瘤变的诊断较为精确。

    胃部肿瘤胃癌分型特征提取深度学习病理诊断

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    LIBS结合ASG-LWNet的煤中有机元素定量分析

    彭庆澳易辉郑磊
    218-226页
    查看更多>>摘要：针对LIBS在煤质检测中受到基体效应或环境因素的干扰导致定量分析准确度降低的问题，本文提出一种基于激光诱导击穿光谱结合ASG-LWNet的方法，用于快速准确定量分析煤中有机元素。首先，利用激光诱导击穿光谱仪对34组煤质样品的LIBS光谱进行采集;然后，采用自适应SG滤波算法对采集后的光谱去噪，不断更新滤波器参数以适应不同的信号特性，以获得更好的滤波效果;最后，筛选C、H和S 3种元素的对应特征谱线输入LWNet模型作定量分析。实验表明，基于ASG-LWNet模型的C、H和S元素在测试集上的相关决定系数(R2)分别为0。998 4、0。973 2和0。995 4，均方根误差(RMSE)分别为0。379 4、0。217 9和0。611，与未经去噪前相比，预测精度显著提高。结果表明，在光谱噪声复杂的情况下，该方法能够降低基体效应的影响，提高定量分析的准确度。

    激光诱导击穿光谱煤质自适应滤波线性加权网络

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