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电致变色型智能可视化湿度指示系统

无机材料学报 2024年

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能源与动力工程学院中北大学动态测试技术国家重点实验室

近年来，湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域引起了研究者广泛关注。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，无法对湿度信息的改变实现... 详细信息

近年来，湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域引起了研究者广泛关注。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，无法对湿度信息的改变实现实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述存在的问题提供了一种理想解决方案。本研究集成湿度传感器与电致变色器件于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，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)作为正极制备出的电致变色器件(Electrochromic devices， ECD)会根据湿度传感器的输出电压的变化实现不同工作状态间的转变，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电致变色器件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 s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，这种设计新颖的简单结构在人工智能、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

基于响应面法的轻质尾翼均匀挤压成形数值模拟及模具结构优化

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兵工学报 2024年第6期45卷 1824-1839页

作者：贾晶晶张治民于建民薛勇吴昂中北大学机电工程学院山西太原030051 郑州轻工业大学机电工程学院河南郑州450000 中北大学材料科学与工程学院山西太原030051

针对轻质镁合金尾翼正挤压成形金属流动不均匀和力学性能各向异性大的问题,提出一种可调控金属均匀流动的金属蓄料池模具结构。基于Deform-3D有限元模拟分析,采用Box-Behnken响应曲面法以金属蓄料池结构参数:深度h、池壁距尾翼芯部型腔... 详细信息

针对轻质镁合金尾翼正挤压成形金属流动不均匀和力学性能各向异性大的问题,提出一种可调控金属均匀流动的金属蓄料池模具结构。基于Deform-3D有限元模拟分析,采用Box-Behnken响应曲面法以金属蓄料池结构参数:深度h、池壁距尾翼芯部型腔长度D 1、池壁距翼片型腔长度D 2和池壁与翼片型腔之间夹角α为变量,建立出模口金属流速均方差和成形载荷与金属蓄料池结构参数之间的响应关系。响应曲面分析结果表明:最佳的金属蓄料池结构参数为h=7 mm,D 1=13 mm,D 2=6 mm,α=11°。采用优化后的模具结构参数进行模拟验证和物理试验,金属流动不均匀和力学性能各向异性均得到改善,并成功试制出形状尺寸和力学性能指标满足要求的尾翼形零件。

关键词：尾翼构件均匀流动有限元模拟模具优化 Box-Behnken响应曲面

基于Super-Twisting滑模S面的无人机路径跟踪控制

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火力与指挥控制 2024年第2期49卷 11-17页

作者：张国兵石上瑶李佳成常哲陈鹏云中北大学航空宇航学院太原030051

针对小型固定翼无人机在执行任务时跟踪精度低以及容易受外界风影响的问题,设计基于Super-Twisting滑模S面(STSM S-Plane)的路径跟踪控制器,同时采用内外双环控制模式。外环即速度环采用Super-Twisting滑模控制,内环即姿态环采用S面控... 详细信息

针对小型固定翼无人机在执行任务时跟踪精度低以及容易受外界风影响的问题,设计基于Super-Twisting滑模S面(STSM S-Plane)的路径跟踪控制器,同时采用内外双环控制模式。外环即速度环采用Super-Twisting滑模控制,内环即姿态环采用S面控制。考虑到S面控制求导易导致积分爆炸的问题引入了二阶微分器,并对外界风组成进行建模研究。最后通过空间特殊曲线来验证所设计算法的控制性能。仿真结果表明,所设计的算法可以实现固定翼无人机对期望路径的精确跟踪,并具有良好的鲁棒性和抗干扰性能。

关键词：固定翼无人机 Super-Twisting滑模 S面控制风干扰

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三项式点火增长模型及各参量调控机理研究

中北大学学报（自然科学版） 2024年第3期45卷 317-325页

作者：马沛冉蔡宣明侯阳潘成龙中北大学航空宇航学院山西太原030051 中北大学半导体与物理学院山西太原030051

为了探明Lee-Tarver三项式点火增长模型各参量的调控机理,根据三项式反应速率方程,分析预测了Lee-Tarver三项式点火增长模型各参量对冲击起爆特性的影响。建立以HMX为施主炸药、H6JJ1为受主炸药的小隔板试验有限元模型,确定了该模型起... 详细信息

为了探明Lee-Tarver三项式点火增长模型各参量的调控机理,根据三项式反应速率方程,分析预测了Lee-Tarver三项式点火增长模型各参量对冲击起爆特性的影响。建立以HMX为施主炸药、H6JJ1为受主炸药的小隔板试验有限元模型,确定了该模型起爆成功时小隔板的临界厚度区间为1.2~1.3 mm。调节受主炸药的各三项式点火增长模型参量,得到了该模型起爆成功时小隔板的临界厚度区间变化,明确了Lee-Tarver三项式点火增长模型各项系数对冲击起爆特性的影响。内向的球形颗粒燃烧b和c取值为0.667;a,d,e,g,λ_(G2min)与冲击起爆所需压力为正相关关系;I,x.G_(1),G_(2),λ_(igmax),λ_(G1max)与冲击起爆所需压力为负相关关系;y和z为压强指数,当0

关键词：爆炸力学点火增长模型冲击起爆小隔板试验

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改进边缘检测算法及其FPGA实现

激光杂志 2024年第3期45卷 74-80页

作者：王子硕单彦虎储成群程洪涛高昕赵兴龙中北大学仪器与电子学院太原030051

针对传统边缘检测算法在FPGA上实现存在缺乏自适应性及实时性差的问题,结合FPGA高速并行处理数据的特点,提出一种改进的边缘检测算法。该算法首先将双边滤波应用于Canny边缘检测算法,在降低噪声的同时保留图像边缘梯度信息;其次使用改进... 详细信息

针对传统边缘检测算法在FPGA上实现存在缺乏自适应性及实时性差的问题,结合FPGA高速并行处理数据的特点,提出一种改进的边缘检测算法。该算法首先将双边滤波应用于Canny边缘检测算法,在降低噪声的同时保留图像边缘梯度信息;其次使用改进的Sobel算子,在4个方向上进行梯度幅值计算,以提高图像边缘的定位精度;最后提出一种基于梯度直方图的一阶导数变化的自适应阈值选取策略,以提高算法的自适应能力。实验结果表明双边滤波处理后,图像的峰值信噪比(PSNR)相较传统Canny算法提升了109%。边缘图像的单边缘响应和边缘连接性有明显提升,同时满足实时性要求。为Canny算法应用到嵌入式机器视觉中提供一种可行方案。

关键词：边缘提取 Canny算法 FPGA 图像处理双边滤波

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点火位置对X型转子发动机燃烧过程的影响

内燃机工程 2024年第3期45卷 50-58,69页

作者：邹润杨伟张磊苏铁熊张翼李良钰中北大学能源与动力工程学院太原030051

为探究X型转子发动机独特燃烧室内复杂湍流场与点火位置的耦合作用对混合气燃烧过程的影响,建立了X型转子发动机的三维计算流体动力学模型,并与试验结果进行对比验证,数值研究了不同点火位置下X型转子发动机缸内燃烧过程,揭示了点火位... 详细信息

为探究X型转子发动机独特燃烧室内复杂湍流场与点火位置的耦合作用对混合气燃烧过程的影响,建立了X型转子发动机的三维计算流体动力学模型,并与试验结果进行对比验证,数值研究了不同点火位置下X型转子发动机缸内燃烧过程,揭示了点火位置对火焰传播、燃烧特性及污染物形成的影响规律。结果表明,在压缩末期,X型转子发动机燃烧室内形成了包括涡流和单向流的复杂湍流场,这与点火位置的耦合作用显著影响火焰传播过程。为了获得较高火焰传播速度,点火位置不宜布置在漩涡区处。点火位置位于凹坑中部时,可以充分利用四周空间和涡团与单向流场过渡处形成的较高速度场加速火焰传播,从而提前燃烧重心,增加放热速率,而且峰值压力提高了25%,指示热效率超过30%;同时其也具有较低的HC和CO排放量;但是由于其缸内峰值温度较大,导致NO排放量增加。

关键词： X型转子发动机点火位置计算流体动力学仿真燃烧过程排放

基于改进YOLOv5的自动驾驶目标检测方法

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科学技术与工程 2024年第16期24卷 6757-6765页

作者：高昕甄国涌储成群王子硕中北大学仪器与电子学院太原030051

针对目前自动驾驶领域的目标检测算法在交通场景下的漏检目标,目标定位不精确、目标特征表达不充分及目标识别效果欠佳等问题,提出一种基于TPH-YOLOv5(transformer prediction heads-YOLOv5)的道路目标检测方法。首先为了减轻物体尺度... 详细信息

针对目前自动驾驶领域的目标检测算法在交通场景下的漏检目标,目标定位不精确、目标特征表达不充分及目标识别效果欠佳等问题,提出一种基于TPH-YOLOv5(transformer prediction heads-YOLOv5)的道路目标检测方法。首先为了减轻物体尺度急剧变化带来的漏检风险,增加了用于微小物体检测的检测头,为在高密度场景中精确定位对象,使用Transformer预测头来捕获全局信息;其次为了增强模型的特征表达能力,用选择性注意力机制(selective interactive module with affinity learning, SIMAM)模块对卷积层的输出进行加权;最后,为了提高目标识别的精度,网络颈部增加了4个金字塔池化模块(spatial pyramid pooling, SPP)块来进行多尺度融合,为了加快收敛速度和提高回归精度采用EIOU(Euclidean distance-IOU)作为边界框损失函数。通过消融、对比和可视化验证实验表明,提出的算法比YOLOv5在平均精度上提高了8.1%,漏检率明显减少,目标检测效果明显增强。

关键词：目标检测自动驾驶 YOLOv5 多尺度检测损失函数

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基于相位型正弦光栅的涡旋光阵列产生及优化

激光杂志 2024年

作者：吴雪蒙赵冬娥马亚云褚文博中北大学信息与通信工程学院中北大学电子测试技术国家重点实验室中北大学机电工程学院

首先通过理论推导出了二维正弦光栅的衍射场分布，并基于夫琅和费衍射理论，得到了拉盖尔-高斯光束通过该光栅的目标平面场分布表达式。数值模拟结果表明，当拉盖尔-高斯光束通过由两频率、周期均相等的一维光栅正交叠加生成的二维相位... 详细信息

首先通过理论推导出了二维正弦光栅的衍射场分布，并基于夫琅和费衍射理论，得到了拉盖尔-高斯光束通过该光栅的目标平面场分布表达式。数值模拟结果表明，当拉盖尔-高斯光束通过由两频率、周期均相等的一维光栅正交叠加生成的二维相位型正弦光栅调制后，在目标平面处产生了由相同拓扑荷涡旋光束组成的N*N涡旋光束阵列，但不同衍射级次的涡旋光强度不等。为弥补这一缺陷，使用模拟退火算法对光栅进行优化，得到了光强不均匀度0.11?，衍射效率81%的3*3阵列；光强不均匀度0.03?，衍射效率72%的4*4阵列及光强不均匀度5%，衍射效率71%的5*5阵列。结果表明，该方法生成涡旋光阵列具有简便性和实用性，这将为相同拓扑荷数涡旋光阵列的应用增加技术支持。

关键词：涡旋光阵列相位型正弦光栅模拟退火算法优化设计

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双路超快沿同步取样信号设计与实现

山西大学学报(自然科学版) 2024年第2期47卷 409-415页

作者：赵俊鹏景宁中北大学信息与通信工程学院中北大学前沿交叉科学研究院

取样信号的质量是等效时间采样技术的关键。在对多个高频信号同时进行采集时，需要同步度较高的超快沿脉冲作为触发取样信号。本文利用阶跃恢复二极管的反向恢复时间极短的特性，设计了超快沿窄脉冲压缩电路以及三阶威尔金森功分器，将... 详细信息

取样信号的质量是等效时间采样技术的关键。在对多个高频信号同时进行采集时，需要同步度较高的超快沿脉冲作为触发取样信号。本文利用阶跃恢复二极管的反向恢复时间极短的特性，设计了超快沿窄脉冲压缩电路以及三阶威尔金森功分器，将时基信号进行增益放大与下降沿压缩后进行等功率分配，最终驱动两路微波取样器对高速信号进行采集。实验结果表明，输出的两路脉冲信号下降沿均幅度达到了7 V，且下降沿时间可以达到150 ps以内，双路间延迟小于20 ps。

关键词：等效时间采样超快沿窄脉冲阶跃恢复二极管功分器

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