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激光诱导击穿光谱的自适应基线校正方法

光子学报 2024年第6期53卷 264-274页

作者：闫红宇赵宇陈媛媛刘昊王杰张瑞王志斌中北大学仪器与电子学院太原030051 中北大学信息与通信工程学院太原030051

为了降低远程激光诱导击穿光谱原位分析中连续背景辐射、随机噪声和样品基体效应对特征光谱的影响,提出一种通过适应度函数将粒子群优化和非对称重加权正则最小二乘相融合的自适应基线校正方法,旨在提高远程激光诱导击穿光谱的分析能力... 详细信息

为了降低远程激光诱导击穿光谱原位分析中连续背景辐射、随机噪声和样品基体效应对特征光谱的影响,提出一种通过适应度函数将粒子群优化和非对称重加权正则最小二乘相融合的自适应基线校正方法,旨在提高远程激光诱导击穿光谱的分析能力。以三种掺杂相近微量元素的铝基合金标样为研究对象,相同实验条件下利用所提出的基线校正方法研究并对比自适应迭代重加权正则最小二乘算法、非对称重加权正则最小二乘算法处理后的光谱信噪比与拟合基线的变化趋势。为了验证所提方法的有效性,构建了三次核函数支持向量机的铝基合金标样精细分类模型,其独立测试集的混淆矩阵分类准确率为100%。结果表明,自适应基线校正方法所拟合的基线变化趋势与激光诱导击穿光谱的实际基线轨迹相吻合,且特征光谱能够清晰地分离。该方法可有效降低随机噪声对光谱数据分析的影响,对于提高远程激光诱导击穿光谱原位分析的准确性和可靠性具有意义。

关键词：远程激光诱导击穿光谱基线校正方法原位分析核函数支持向量机铝基合金标样

固定翼UAV路径跟踪的全局稳定积分滑模S面控制

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计算机工程与应用 2024年第13期60卷 353-360页

作者：陈鹏云张国兵李佳成关通石上瑶中北大学航空宇航学院太原030051 中北大学软件学院太原030051

针对固定翼无人机的三维路径跟踪控制问题,设计了一种基于全局稳定积分滑模S面模型的内外环控制器。控制器外环采用全局稳定积分滑模控制,内环采用S面控制。设计控制器外环的全局稳定积分滑模控制律,并采用Lyapunov理论证明所设计控制... 详细信息

针对固定翼无人机的三维路径跟踪控制问题,设计了一种基于全局稳定积分滑模S面模型的内外环控制器。控制器外环采用全局稳定积分滑模控制,内环采用S面控制。设计控制器外环的全局稳定积分滑模控制律,并采用Lyapunov理论证明所设计控制律的稳定性。对内环的指令信号设计S面控制器,考虑到S面控制器中求导的复杂性,引入二阶微分器,解决内环中导数存在积分爆炸的问题。半物理仿真试验结果表明,提出的控制器能精确跟踪期望路径,具有良好的控制性能和抗干扰性能。

关键词：无人机全局稳定路径跟踪运动控制滑模控制 S面控制

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基于等离激元涡旋场光学诱捕增强设计

光学学报 2024年第8期44卷 125-131页

作者：李香宇王艳红武京治张鹏中北大学仪器与电子学院山西太原030051 中北大学信息与通信工程学院山西太原030051

利用同轴结构实现纳米粒子光学捕获,研究不同偏振光对光势阱的影响,并通过优化结构参数实现圆偏振下的等离激元涡旋场模式。研究结果表明:该同轴结构在线偏振光750 nm处透射率最大,并且在入射光强为1μW/μm~2时势阱深度达到17k_(B)T;... 详细信息

利用同轴结构实现纳米粒子光学捕获,研究不同偏振光对光势阱的影响,并通过优化结构参数实现圆偏振下的等离激元涡旋场模式。研究结果表明:该同轴结构在线偏振光750 nm处透射率最大,并且在入射光强为1μW/μm~2时势阱深度达到17k_(B)T;圆偏振光在同轴结构上方形成涡旋场,能量流势阱深度为8k_(B)T。所设计的同轴结构扩大了光场作用范围,优化了光梯度力作用方向,提高了捕获低浓度小尺度粒子的效率。该研究结果对于低浓度生物分子光学捕获具有一定的参考意义。

关键词：激光光学表面等离激元光学捕获圆偏振光涡旋状光场

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带偏向性轮盘赌的多算子协同粒子群优化算法

控制与决策 2024年第4期39卷 1167-1176页

作者：于海波朱秦娜康丽乔钢柱曾建潮中北大学计算机科学与技术学院太原030051 中北大学大数据与视觉计算研究所太原030051 中北大学环境与安全工程学院太原030051

针对粒子群优化算法在处理高维、大规模、多变量耦合、多模态、多极值属性优化问题时易早熟收敛等性能和技术瓶颈,基于粒子群优化算法行为学习算子和3种不同学习偏好的差分变异算子,建立带偏向性轮盘赌的多算子选择与融合机制,提出一种... 详细信息

针对粒子群优化算法在处理高维、大规模、多变量耦合、多模态、多极值属性优化问题时易早熟收敛等性能和技术瓶颈,基于粒子群优化算法行为学习算子和3种不同学习偏好的差分变异算子,建立带偏向性轮盘赌的多算子选择与融合机制,提出一种带偏向性轮盘赌的多算子协同粒子群优化算法***针对迭代粒子群榜样粒子集,首先通过对迭代种群及其榜样粒子集优劣分组,同时采用轮盘赌分别为每组榜样粒子集选配不同学习偏好的变异算子,并为每组榜样粒子适配差分基向量和最优基向量,预学习并优化迭代种群及其榜样粒子,以权衡算法的全局探索和局部开发;然后通过合并所有子种群,并结合粒子群优化算法行为学习算子,指导迭代种群状态更新,以提高算法的全局收敛性;最后结合精英学习策略,对群体历史最优进行高斯扰动,以提高算法的局部逃生能力,保障算法收敛的多样性.实验结果表明,MOCPSO算法与5种先进的同类型群智能算法在求解CEC2014基准测试问题上具备竞争力,且有更强的优化特性.

关键词：粒子群优化差分演化多算子协同榜样竞争偏向性变异策略精英学习

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选区激光熔化成形铜合金研究进展

材料导报 2024年第7期38卷 151-161页

作者：刘斌索超李忠华蒯泽宙陈彦磊唐秀中北大学材料科学与工程学院太原030051 中北大学机械工程学院太原030051

铜合金具有良好的导电导热性,是众多行业的基础材料,随着高新技术的迅速发展,许多行业对高性能、高精度、复杂结构铜合金零部件需求日益增大。传统工艺可制备常规铜合金零件,但对于一些复杂结构铜合金零部件的制备存在困难。首先,本文... 详细信息

铜合金具有良好的导电导热性,是众多行业的基础材料,随着高新技术的迅速发展,许多行业对高性能、高精度、复杂结构铜合金零部件需求日益增大。传统工艺可制备常规铜合金零件,但对于一些复杂结构铜合金零部件的制备存在困难。首先,本文综述了选区激光熔化成形铜及铜合金的研究进展,系统介绍了目前选区激光熔化成形纯铜所遇到的难点及解决方法;然后,综述了目前选区激光熔化成形不同系列铜合金的研究现状,重点介绍了不同系列铜合金成形件微观组织和力学性能及热处理后成形件微观组织和力学性能变化;最后总结了选区激光熔化成形铜及铜合金存在的问题及未来的研究方向。

关键词：选区激光熔化成形铜合金微观组织力学性能热处理

激光粉末床熔融WC-12Co硬质合金温度场模拟

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材料工程 2024年第2期52卷 50-59页

作者：牛玉玲李晓峰赵宇霞张利刘斌白培康中北大学材料科学与工程学院太原030051 中北大学机械工程学院太原030051

结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型,利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟,得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布,研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度... 详细信息

结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型,利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟,得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布,研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度)对温度场分布及熔池特征的影响。结果表明:WC-12Co硬质合金在LPBF过程成形时,利用有限元能够有效模拟其成形过程。位于热源前部的等温线比尾部更为密集,温度梯度更大;而扫描路径终端边缘处熔池中心的温度最高。随着激光功率的增大和扫描速度的减小,熔池宽度、深度和长度均相应增大。通过相关实验分析不同工艺参数对晶粒尺寸的影响,发现晶粒尺寸随扫描速度的增加而减小,随激光功率的增加而增大;但过高的激光功率会引起一定的热裂纹现象发生。

关键词：激光粉末床熔融 WC-12Co 有限元温度场熔池尺寸

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电致变色型智能可视化湿度系统

无机材料学报 2024年第4期39卷 432-440,I0013,I0014页

作者：甄明硕刘晓然范向前张文平严东东刘磊李晨中北大学动态测试技术国家重点实验室太原030051 中北大学能源与动力工程学院太原030051

近年来,湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点,但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形,无法对湿度信息的变化进行实... 详细信息

近年来,湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点,但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形,无法对湿度信息的变化进行实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述问题提供了一种理想解决方案。本研究将湿度传感器与电致变色器件集成一体来制备智能可视化湿度指示系统,通过将湿度信号转换为电压信号来驱动电致变色器件(Electrochromic devices,ECDs),从而实现系统稳定可逆的颜色变化。采用三氧化钨(WO3)作为负极、锌箔(Zn)作为正极制备的ECDs会根据湿度传感器的输出电压的变化来转变不同的工作状态,从而产生肉眼可观测的颜色信号。采用紫外-可见分光光度计与电化学工作站对ECDs的电化学性能以及电致变色性能进行研究和表征。随后,通过示波器和湿度发生平台对调理电路性能进行分析。结果表明:智能电致变色型湿度指示器具有良好的稳定性和快速的响应性能,其中,着色时间与褪色时间仅为7.5和4.5 s,并且在300个循环后,光学调制幅度(ΔT)与初始值相比基本保持不变(保持率可达95%以上)。因此,这种设计新颖、结构简单的可视化湿度系统在人工智能、智能农业等领域具有广阔的应用前景。

关键词：电致变色器件湿度传感器可视化监测人工智能

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紫苏籽壳提取物纳米银颗粒的制备及性能表征

食品工业科技 2024年第6期45卷 49-58页

作者：韩婉毓李会珍张志军郭誉嵘张红玉王丹中北大学化学与化工学院山西太原030051 中北大学晋中产业技术创新研究院山西晋中030600

为进一步提高紫苏资源的利用价值,本研究以紫苏籽壳提取物(PSHE)为原料,通过单因素实验,分别考察硝酸银浓度、提取液浓度、超声波功率、超声温度和超声时间对紫苏籽壳提取物纳米银(PSHE@AgNPs)银离子还原率的影响,并在单因素实验基础上... 详细信息

为进一步提高紫苏资源的利用价值,本研究以紫苏籽壳提取物(PSHE)为原料,通过单因素实验,分别考察硝酸银浓度、提取液浓度、超声波功率、超声温度和超声时间对紫苏籽壳提取物纳米银(PSHE@AgNPs)银离子还原率的影响,并在单因素实验基础上,采用响应面法对超声波辅助制备PSHE@AgNPs的工艺进行优化,并采用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、热重分析及透射电子显微镜对PSHE@AgNPs的结构及性能进行表征。结果表明,PSHE@AgNPs制备最佳工艺为:硝酸银浓度15 mmol/L,提取液浓度0.4 g/mL,超声波功率480 W,超声温度80℃,超声时间7 h,在此工艺条件下制备的PSHE@AgNPs银离子还原率达92.37%。X射线衍射分析表明PSHE@AgNPs具有面心立方结构;傅里叶变换红外光谱表明PSHE@AgNPs表面存在植物化学物质,酚类化合物参与纳米银的合成;热重分析显示了PSHE@AgNPs的热稳定性,在276.7~420.3℃范围内存在主要的质量损失,质量减少46.74%;透射电子显微镜显示PSHE@AgNPs是粒径均值为27.97 nm的近球形分散颗粒。研究结果可为超声波辅助绿色合成粒径小、分散性高、具有热稳定性的面心立方结构的PSHE@AgNPs提供理论指导,并推动其在生物材料和医学领域的应用。

关键词：紫苏籽壳纳米银颗粒生物还原法结构性能

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微磨粒对超声空化冲击波衰减作用研究

表面技术 2024年第3期53卷 47-52,87页

作者：宫台祝锡晶傅迎泽李婧中北大学机械工程学院太原030051

目的研究超声加工过程中微磨粒对冲击波的影响。方法建立功率超声振动加工下的空化泡动力学方程,以及空化泡溃灭产生冲击波的数学模型,进而建立冲击波在微磨粒与水混合介质中的传播模型。使用六阶Runge-Kutta方法对数学模型进行求解,得... 详细信息

目的研究超声加工过程中微磨粒对冲击波的影响。方法建立功率超声振动加工下的空化泡动力学方程,以及空化泡溃灭产生冲击波的数学模型,进而建立冲击波在微磨粒与水混合介质中的传播模型。使用六阶Runge-Kutta方法对数学模型进行求解,得到空化泡半径随时间的变化规律,以及空泡内部压强随空化泡半径变化的规律。结果当空泡半径被压缩至1μm左右时,空泡内部压强可达1000 MPa。通过对距离空泡壁1.5R_(0)处的冲击波压力进行求解发现,冲击波的压力仅需0.07μs就可从初始的1000 MPa迅速衰减至80 MPa。通过比较纯水介质与混合介质(SiO_(2)微磨粒与水)中冲击波传播速度的结果发现,加入SiO_(2)微磨粒会使冲击波的最大速度由2976 m/s降至2681 m/s,降低率约为10%。通过钛钽合金的功率超声振动加工实验验证了数值结果。对比分析了加入SiO_(2)微磨粒前后钛钽合金表面结构和三维表面形貌,发现微磨粒的加入导致材料表面空化坑的投影面积下降了12.5%。结论证实微磨粒对冲击波的传播起到了明显的衰减作用,是对材料表面产生作用的主要因素。该研究在超声加工领域具有理论意义和工程价值。

关键词：微磨粒冲击波 SiO_(2) 超声空化空泡动力学 Runge-Kutta