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具有温度自补偿的保偏光纤布拉格光栅多参量传感器的设计与制备

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物理学报 2023年第14期72卷 123-130页

作者：李建宇董忠级张吉宏史雯慧郑加金韦玮南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院南京210023 中国有色金属工业西安勘察设计研究院西安710051 江苏省特种光纤材料与器件制备及应用工程研究中心南京210023

多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义,开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标.为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的多参... 详细信息

多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义,开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标.为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的多参量传感器结构和原理复杂、制作成本高等问题,本文基于保偏光纤布拉格光栅(PM-FBG)设计并制作了一种结构简单且高灵敏度,单点可同时测量多个参量的新型传感器.该传感器通过传感臂可以同时测量某一点在两个垂直方向上的位移和扭转变化,并具有温度自补偿功能.实验结果表明:该传感器的快轴和慢轴对于温度的响应不同,其线性灵敏度分别为11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,温度补偿系数为0.8 pm/℃,平均扭转灵敏度为0.20 dB/(°);该传感器的快轴和慢轴对位移/弯曲的响应相同,线性灵敏度为31.5 pm/mm.当改变传感器周围的温度场,其位移和扭转传感性能不受影响,可实现3个参量的同时测量.本文研制的PM-FBG新型多参量传感器可以保证高精度的温度、位移和扭转测量,同时具有较低的制作成本,有望为多参量动态检测提供一种新的手段.

关键词：光纤传感器保偏光纤布拉格光栅温度补偿多参量传感

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一种灵敏度漂移自补偿型MEMS电场传感器

电子与信息学报 2023年第8期45卷 3040-3046页

作者：储昭志杨鹏飞闻小龙彭春荣刘宇涛吴双中国科学院微电子研究所北京100029 北京信息科技大学北京100192 北京科技大学北京100083 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室北京100094 北京中科飞龙传感技术有限责任公司北京100089

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和... 详细信息

针对温度和应力变化带来的电场传感器灵敏度漂移和测量误差问题,该文提出一种具有灵敏度漂移自补偿功能的微机电系统(MEMS)谐振式电场传感器。传感器结构中,感应电极用于测量外部电场,参考电极用于监测可动结构振动信息;基于振动相位和锁相环技术实现传感器谐振频率自动跟踪,利用参考电极输出信号对感应电极输出信号进行实时补偿,提高传感器灵敏度的稳定性。该文开展了敏感结构设计和理论分析,研制出传感器样机,并进行了样机标定测试。测试结果表明,在±18 kV/m电场范围内,传感器线性度达到0.21%,3个往返行程总不确定度达到1.34%;在–40℃~70℃温度范围内,灵敏度相对漂移量小于3.0%,具有良好的灵敏度漂移自补偿效果。

关键词：微机电系统电场传感器灵敏度漂移温度补偿

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MEMS加速度计全温性能优化方法

中国惯性技术学报 2024年第1期32卷 64-70页

作者：刘国文刘宇李兆涵王学锋金仲和王巍浙江大学航空航天学院杭州310027 北京航天控制仪器研究所北京100039 中国航天科技集团有限公司北京100048

针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专... 详细信息

针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专用集成电路(ASIC)粘接参数、加速度计敏感结构点胶方式与点胶参数进行仿真分析,从而确定了加速度计的低应力粘接形式和粘接工艺;最后,对加速度计零偏和标度因数设计了三阶温度补偿方法并进行了实验测试。实验结果表明,加速度计全温零偏稳定性达到47.3μg(1σ)、全温标度因数稳定性达到43.6 ppm(1σ),提高了加速度计的全温性能。

关键词： MEMS加速度计应力对消低应力粘接温度补偿

基于改进的粒子群优化算法的测冰系统温度补偿

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北京邮电大学学报 2023年第6期46卷 115-120页

作者：于天河吴迪哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院哈尔滨150080

利用三端压电陶瓷片设计的结冰传感器测量值受温度的影响较大,为了提高传感器测量的准确度,提出了一种自适应模拟退火粒子群优化算法进行温度补偿。该算法将模拟退火算法和粒子群优化算法进行融合,采用非线性双曲正切函数来控制惯性权... 详细信息

利用三端压电陶瓷片设计的结冰传感器测量值受温度的影响较大,为了提高传感器测量的准确度,提出了一种自适应模拟退火粒子群优化算法进行温度补偿。该算法将模拟退火算法和粒子群优化算法进行融合,采用非线性双曲正切函数来控制惯性权重系数的变化,利用线性变化策略来控制社会学习因子和自我学习因子的值,使寻优重点在不同阶段有所变化,自适应地改变惯性权重系数、社会学习因子和自我学习因子,并解决了算法容易陷入局部优解的问题。实验结果表明,经该算法温度补偿后,结冰状态下测量的误差减少3%左右,测量精度提高0.1 mm,说明该补偿算法能有效地减小-5℃~-55℃的低温环境对传感器测量结果的影响,提高了测量精度。

关键词：压电陶瓷结冰传感器温度补偿模拟退火算法粒子群优化算法

恒压法安全壳泄漏率测量技术的开发与可行性研究

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哈尔滨工程大学学报 2023年第7期44卷 1124-1130页

作者：李建发陈广恒张瑞刘丰初炜钰孟兆明中国核电工程有限公司北京100840 哈尔滨工程大学核科学与技术学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室黑龙江哈尔滨150001

为探究更加稳定、可靠的核电厂安全壳泄漏率测量方法,完善国内外核电厂安全壳泄漏率测量技术,本文开展了恒压法测量泄漏率的可行性研究。通过对试验数据的分析,揭示了恒压补偿计算模型的测量机理及其相比传统绝对压力衰减法的明显优势... 详细信息

为探究更加稳定、可靠的核电厂安全壳泄漏率测量方法,完善国内外核电厂安全壳泄漏率测量技术,本文开展了恒压法测量泄漏率的可行性研究。通过对试验数据的分析,揭示了恒压补偿计算模型的测量机理及其相比传统绝对压力衰减法的明显优势。研究表明:恒压法可在不同压力环境下获取稳定的补偿流量和泄漏率测量值,温度、湿度补偿量在总补偿量中的占比约分别为20%和1%。壳内气温变化是影响恒压法测量泄漏率的关键因素,尤其在钢制安全壳内,更需充分考虑温度补偿。

关键词：安全壳泄漏率恒压法温度补偿湿度补偿压力衰减法可行性研究气温变化钢制安全壳

基于光纤陀螺的温度补偿模型改进、压缩和FPGA实现

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中国惯性技术学报 2024年第1期32卷 79-87页

作者：杨雷静王竣可苏杭北京邮电大学电子工程学院北京100876 湖北三江航天红峰控制有限公司孝感432100

为提高光纤陀螺(FOG)在变温环境下输出误差的补偿精度,在长短期记忆神经网络模型(LSTM)基础上,利用分段非线性粒子群算法(PN-PSO)对LSTM模型超参数寻优,建立PN-PSO-LSTM光纤陀螺温度补偿模型。为有效降低计算和存储开销,便于部署在资源... 详细信息

为提高光纤陀螺(FOG)在变温环境下输出误差的补偿精度,在长短期记忆神经网络模型(LSTM)基础上,利用分段非线性粒子群算法(PN-PSO)对LSTM模型超参数寻优,建立PN-PSO-LSTM光纤陀螺温度补偿模型。为有效降低计算和存储开销,便于部署在资源受限的硬件环境中,提出一套适用于光纤陀螺应用场景的模型压缩方案,包括:知识蒸馏、剪枝、激活函数线性化、定点数量化等。最后基于Xilinx公司某芯片完成部署。对比实验结果表明,相较于传统反向传播(BP)模型和传统PSO-LSTM模型,采用所提模型补偿后,陀螺零偏输出均方误差分别降低74.4%和53.5%,模型压缩后在大小减小94.1%的同时,陀螺零偏输出均方误差仍然比传统全精度模型更低,在FPGA实现后对比PC端模型推理速度提升98.47%。

关键词：光纤陀螺长短期记忆神经网络模型温度补偿模型压缩

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基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺

中国惯性技术学报 2023年第3期31卷 268-274页

作者：王国臣王沐禹吴星亮高伟王梓丞哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院哈尔滨150001

针对谐振式光纤陀螺易受背向散射噪声影响,且温度适应性较差的问题,提出了一种基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺方案。该方案利用双闭环反馈结构,综合使用三角波相位调制和声光移频器的大频差调制,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检... 详细信息

针对谐振式光纤陀螺易受背向散射噪声影响,且温度适应性较差的问题,提出了一种基于频差四态调制的谐振式光纤陀螺方案。该方案利用双闭环反馈结构,综合使用三角波相位调制和声光移频器的大频差调制,有效地抑制了背向散射噪声,提高了检测精度。同时,通过在声光移频器产生的大频差中引入补偿项进行温度补偿,改善了温度适应性。在搭建样机进行对比测试实验后,实验结果表明,四态调制方案可以将陀螺室温环境下的零偏稳定性提升51.5%;变温环境下的零偏稳定性提升69.6%。可见,基于频差四态调制的方案能有效提高谐振式光纤陀螺抑制背向散射噪声的能力,并能改善陀螺的温度适应性。

关键词：谐振式光纤陀螺背向散射噪声温度补偿四态调制

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基于方向发射率校正的红外测温补偿方法

仪器仪表学报 2022年第6期43卷 213-220页

作者：潘冬蒋朝辉桂卫华中南大学自动化学院长沙410083

红外热成像仪具有实时在线、非接触获取被测对象二维温度分布等优点,在钢铁、农业、电力电子等众多领域应用广泛。但是,红外测温结果容易受到干扰因素的影响。针对方向发射率变化引起的红外测温误差,本文提出了基于方向发射率校正的红... 详细信息

红外热成像仪具有实时在线、非接触获取被测对象二维温度分布等优点,在钢铁、农业、电力电子等众多领域应用广泛。但是,红外测温结果容易受到干扰因素的影响。针对方向发射率变化引起的红外测温误差,本文提出了基于方向发射率校正的红外测温补偿方法。首先,基于红外测温原理,构建了针对方向发射率变化的红外测温补偿模型。其次,为确定补偿模型中的方向发射率,利用红外热像仪和激光扫描仪构建的三维热成像系统,提出了基于参考体的方向发射率校正方法。然后,通过多项式拟合确定方向发射率随视角变化的规律。实验结果表明所提红外测温补偿方法可以有效降低方向发射率变化造成的红外测温误差,经过补偿温度后,红外测温最大误差由9.64℃降低为2.97℃,标准差由3.57℃降低为0.71℃。

关键词：红外热成像方向发射率视角温度补偿参考体

双光纤温度补偿法测量高温下电缆与附件界面压力的方法

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高电压技术 2023年第7期49卷 3072-3081页

作者：王霞樊卓杨吴超王言鼎吴锴西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710115

电缆与附件的界面压力和电缆附件的安全运行密切相关,为此提出了一种采用光纤光栅温度补偿曲率传感器在线测量高温下电缆附件界面压力的新方法。首先基于光纤光栅传感机理、纯弯曲数学模型、厚壁圆筒模型,选用道康宁Sylgard–184硅橡胶... 详细信息

电缆与附件的界面压力和电缆附件的安全运行密切相关,为此提出了一种采用光纤光栅温度补偿曲率传感器在线测量高温下电缆附件界面压力的新方法。首先基于光纤光栅传感机理、纯弯曲数学模型、厚壁圆筒模型,选用道康宁Sylgard–184硅橡胶制备了光纤光栅温度补偿曲率传感器,之后测量了不同扩径率下10 kV电缆附件常温和高温下的界面压力值。研究表明:该光纤光栅曲率传感器温度补偿测量偏差为−7.74%~7.01%,随着温度的升高(从30℃至60℃),电缆附件的界面压力值逐渐增大,其测试结果与传统压电传感器的测量结果趋势一致。该方法有望用于评估运行于复杂温度环境下的实体电缆附件界面压力的长期可靠性。

关键词：电缆附件界面压力光纤光栅在线监测温度补偿