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超声声场激光层析成像及其扫描参数优化研究

中国激光 2024年第5期51卷 36-47页

作者：张小丽何程昊冯秀娟张慧牛锋何龙标中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所北京100029 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

空气耦合(简称“空耦”)超声换能器具有非接触检测、适合复杂工况和原位检测等独特优势,已被广泛应用于超声无损检测等领域。声场重建对于开展空耦超声换能器声束宽度、扩散角等声场特性参数的表征,进而保障超声检测系统的横向分辨率及... 详细信息

空气耦合(简称“空耦”)超声换能器具有非接触检测、适合复杂工况和原位检测等独特优势,已被广泛应用于超声无损检测等领域。声场重建对于开展空耦超声换能器声束宽度、扩散角等声场特性参数的表征,进而保障超声检测系统的横向分辨率及定位精度具有重要意义。笔者基于声光效应和层析成像技术对50~200 kHz空耦超声换能器的声场重建开展研究。超声声场的重建质量与空间分辨率密切相关,但高空间分辨率会导致扫描时间呈几何倍数增长。笔者从仿真和实验的角度对声场空间分辨率(即声场扫描参数)进行优化,在保证声场重建图像质量的前提下将扫描效率提高了2~4倍。同时,将优化后的声场重建结果与传声器在相同位置处的声场直接测量结果进行比较,验证了声光效应层析成像进行超声声场重建的可靠性。

关键词：测量层析成像处理声光效应激光测振仪声场表征扫描效率

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环形间隙式层流元件设计及流量特性研究

电子测量与仪器学报 2024年第4期38卷 195-201页

作者：陈雨萱谢代梁崔骊水徐雅黄震威刘铁军中国计量大学计量测试与仪器学院浙江省流量计量技术研究重点实验室杭州310018 中国计量科学研究院北京100029

为了解决传统层流流量计(LFM)线性度不佳、长径比较大、加工使用不便和结构易受流体影响等诸多问题,受双锥流量计的启发,提出了一种环形间隙式层流元件结构,介绍了测量原理和流道内非线性压力损失来源。保持该结构外套筒体和圆柱锥体同... 详细信息

为了解决传统层流流量计(LFM)线性度不佳、长径比较大、加工使用不便和结构易受流体影响等诸多问题,受双锥流量计的启发,提出了一种环形间隙式层流元件结构,介绍了测量原理和流道内非线性压力损失来源。保持该结构外套筒体和圆柱锥体同轴心,其流道截面为同心圆环,通过CFD仿真确定了锥形导流结构的合理锥形角度,确定了层流元件的尺寸参数。将取压孔设置在流道中充分发展的层流段,理论上消除了传统毛细管式LFM进出口处流动局部损失和层流发展段的动能损失。制作3种不同间隙大小的试件并进行试验,结果显示,当测量流量值小于53 mL/min时,层流元件的测量误差在3%以内;当测量流量值在(130~6189)mL/min时,测量误差在±2%以内;层流元件的压差和流量之间具有优秀的线性关系。说明环形间隙式层流元件结构可有效克服传统LFM的非线性影响,同时测量流量范围可随间隙大小变化而改变。

关键词：层流流量计微小气体流量环形间隙式数值模拟流量测量

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基于钯金复合膜亚波长圆孔阵列的氢气传感器的理论研究

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光电子．激光 2024年第5期35卷 467-474页

作者：张钰赵郝鑫徐贲龚华平康娟赵春柳中国计量大学光学与电子科技学院浙江杭州310018

提出了一种基于钯金(Pd/Au)复合膜的亚波长圆孔阵列结构的氢气传感模型,用于氢气泄漏及氢气浓度检测。利用时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)对该Pd/Au复合膜亚波长圆孔阵列结构进行模拟仿真,计算其复合膜的横纵截面... 详细信息

提出了一种基于钯金(Pd/Au)复合膜的亚波长圆孔阵列结构的氢气传感模型,用于氢气泄漏及氢气浓度检测。利用时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)对该Pd/Au复合膜亚波长圆孔阵列结构进行模拟仿真,计算其复合膜的横纵截面电场能量分布及透射特性,并进一步分析在不同结构参数下该传感结构的异常光透射(extraordinary optical transmission,EOT)特性和传感特性。模拟结果表明:Pd/Au复合膜亚波长圆孔阵列结构可产生明显的EOT效应,形成两个突出的异常透射峰,记作峰Ⅰ、峰Ⅱ。当通入氢气时,钯(Pd)膜会吸收氢气引起Pd介电常数的变化,导致EOT特性发生改变,具体表现为波长和透射率的改变。氢气浓度由0%上升至4%时,峰Ⅰ和峰Ⅱ的透射率变化量分别可达到0.16和0.24。由于其透射率强度变化比较明显,因此可通过透射峰强度变化来实现对氢气浓度的监控和检测。本文所提出的基于Pd/Au复合膜的亚波长圆孔阵列结构的氢气传感器的圆孔结构加工简单,所镀的Pd膜很薄使传感器响应速度快,EOT效应使该结构信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)高,可利用光电集成技术进行批量生产,具有很强的实用价值。

关键词：氢气传感表面等离激元(SPs) 折射率传感钯金(Pd/Au)复合膜

高速齿轮泵齿轮摩擦端面润滑织构正交优化及齿轮旋转角度对润滑性能影响研究

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润滑与密封 2024年

作者：熊典峰陈源李运堂金杰王冰清章聪中国计量大学机电工程学院

针对高速齿轮泵齿轮端面摩擦副磨损严重问题，在齿轮端面开设仿特斯拉阀型槽-椭圆型孔复合织构以改善润滑特性。基于流体仿真软件，根据正交试验法，探索螺旋槽槽深、螺旋槽与回流槽槽深高度差、椭圆型孔形状因子、椭圆型孔倾斜角等复... 详细信息

针对高速齿轮泵齿轮端面摩擦副磨损严重问题，在齿轮端面开设仿特斯拉阀型槽-椭圆型孔复合织构以改善润滑特性。基于流体仿真软件，根据正交试验法，探索螺旋槽槽深、螺旋槽与回流槽槽深高度差、椭圆型孔形状因子、椭圆型孔倾斜角等复合织构结构参数共同作用下的液膜润滑性能，获得织构结构参数优选组合方案，并进一步研究齿轮旋转角度对端面液膜润滑性能影响规律。结果表明：当螺旋槽槽深h1=8μm、螺旋槽与回流槽槽深高度差△h=7μm、椭圆型孔形状因子γ=0.4、椭圆型孔倾斜角φ=20°时齿轮端面液膜动力润滑性能较优；齿轮啮合旋转过程中，由于齿轮边界压力变化，其端面摩擦副开启力、泄漏率、倾覆力矩等性能发生波动，而端面开设织构后齿轮端面液膜稳定性增强，开启力波动率显著降低，同时倾覆力矩明显减小。

关键词：高速齿轮泵齿轮端面摩擦副动压润滑织构正交试验润滑性能

一种约束式磨料流光整加工方法及其加工特性的实验研究

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机电工程 2024年

作者：沈一鸣张雍尤悦王辉葛江勤台州市特种设备检验检测研究院中国计量大学机电工程学院

采用传统磨削工艺对电梯曳引轮槽进行加工时，较难进行微量均匀的磨削力控制，以及进行仿形光整加工，为此，提出了一种约束式磨料流光整加工方法，对磨料流的加工特性进行了理论建模、仿真分析和加工实验研究。首先，分析了约束式磨料... 详细信息

采用传统磨削工艺对电梯曳引轮槽进行加工时，较难进行微量均匀的磨削力控制，以及进行仿形光整加工，为此，提出了一种约束式磨料流光整加工方法，对磨料流的加工特性进行了理论建模、仿真分析和加工实验研究。首先，分析了约束式磨料流光整加工原理，并基于欧拉多相流理论及标准k-ε双方程模型，构建了磨料流动力学模型；然后，计算研究了约束流道内磨料流动力学特性，得到了工件表面流体动压及磨料压力随关键工艺参数的变化规律；最后，搭建了约束式磨料流光整加工实验平台，以球墨铸铁作为工件材料，开展了光整加工对比实验，对模拟计算及加工方法进行了验证。研究结果表明：约束空间内的磨料压力及动压达到最大值，是有效光整加工区域；在15°～75°范围内，约束空间入口角度越小，磨料压力分布越均匀，流体动压越剧烈；随着约束空间高度的减小，无量纲化材料去除率呈指数级增大，加工效率越高。

关键词：磨料流光整加工曳引轮槽数值模拟磨料压力分布粗糙度约束空间加工效率

基于TDLAS甲烷检测系统的长光程池研究与设计

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激光与红外 2024年第4期54卷 522-528页

作者：秦雨婷陈红岩中国计量大学机电工程学院浙江杭州310018 中国计量大学现代科技学院浙江义乌322000

采用Herriott型长光程池结构原理,通过理论研究和仿真分析得到一定条件下Herriott池反射次数最优解,利用镀膜凹面镜作为反射镜,在池体上集成光学元件,进行了长光程、低成本、小体积光程池的设计。经过实验验证,所设计的物理长23cm,体积2... 详细信息

采用Herriott型长光程池结构原理,通过理论研究和仿真分析得到一定条件下Herriott池反射次数最优解,利用镀膜凹面镜作为反射镜,在池体上集成光学元件,进行了长光程、低成本、小体积光程池的设计。经过实验验证,所设计的物理长23cm,体积243mL的光程池,能达到11m有效光程长,并搭建在TDLAS甲烷检测系统中,结果表明检测下限最低浓度为476 ppb。这为低浓度、高精度、微型化的TDLAS甲烷检测系统的推广应用提供了一种有效的途径。

关键词：赫里奥特气室光学仿真可调谐激光吸收光谱甲烷检测

新型槽肋结构液冷板性能研究及全CFD模型优化

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低温与超导 2024年第2期52卷 60-67页

作者：朱佳慧王俊博毛佳妮中国计量大学计量测试工程学院杭州310018

为了提升动力电池热管理性能,本文提出了一种以离散、倾斜和交替排列为分布特征的槽肋结构液冷板,其中槽结构用于强化冷却液和内壁面换热,肋结构用于引导流体流动并支撑流道空间。以方形锂离子电池组为研究对象,利用Comsol建立传热流动... 详细信息

为了提升动力电池热管理性能,本文提出了一种以离散、倾斜和交替排列为分布特征的槽肋结构液冷板,其中槽结构用于强化冷却液和内壁面换热,肋结构用于引导流体流动并支撑流道空间。以方形锂离子电池组为研究对象,利用Comsol建立传热流动仿真模型开展数值模拟研究。结果表明,槽结构可使液冷板内部形成纵向旋流提升换热能力,肋结构可有效均衡流量分布提升温度均匀性,相比传统直流道液冷板,新型液冷板的电池组最高温度和接触面温度标准差分别下降了1.04℃和0.4336℃,进出口压差则仅增加7.8 Pa。此外,本文将液冷板内部划分为棋盘式空间,采用全CFD模型结合单目标遗传算法获得槽肋单元在液冷板中的最优分布,相比初始方案,优化后电池组最高温度仅增加了1%,但温度标准差和压差分别下降了33%和9%,具有优异的综合性能。

关键词：动力电池液冷板全CFD模型纵向旋流单目标遗传算法

改善的LMS自适应算法在TDLAS甲烷检测的降噪研究

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激光杂志 2024年第5期45卷 79-85页

作者：陈新玉陈红岩中国计量大学机电工程学院杭州310018

为进一步有效抑制检测系统的噪声,提高检测精度,研究了改善的最小均方差自适应算法在可调谐二极管激光吸收光谱甲烷浓度检测系统的降噪方法。通过基于TDLAS技术的matlab仿真实验,搭建的甲烷检测系统,选取1 653.72 nm的甲烷吸收峰位,分析... 详细信息

为进一步有效抑制检测系统的噪声,提高检测精度,研究了改善的最小均方差自适应算法在可调谐二极管激光吸收光谱甲烷浓度检测系统的降噪方法。通过基于TDLAS技术的matlab仿真实验,搭建的甲烷检测系统,选取1 653.72 nm的甲烷吸收峰位,分析LMS自适应算法中滤波阶数、步长因子和采样周期三者对噪声的关系,改善参数的选取以最佳的滤波效果进行降噪优化处理。研究表明在高频采样时刻收敛到最佳的滤波阶数和步长因子可对系统起到最优滤波效果。研究结果显示信噪比有效提升了94%,拟合优度R~2达到0.997,证明改善的LMS自适应滤波算法可以有效抑制噪声对二次谐波信号的影响。

关键词：改善的最小均方差自适应算法可调谐二极管激光吸收光谱技术降噪处理二次谐波信号

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气体流量计量的虚拟仿真教学项目设计

实验室研究与探索 2024年

作者：沈平平赵伟国赵鹏梁佳娜梁晓瑜浙江方圆检测集团股份有限公司中国计量大学计量测试工程学院

气体流量计量标准装置结构复杂、价格昂贵,在传统实验教学模式下学生难以开展动手操作,为此开发气体流量计量的虚拟仿真实验。运用虚拟仿真技术搭建音速喷嘴气体流量传递标准装置,在虚拟三维场景中学生可对气体流量标准装置的结构和工... 详细信息

气体流量计量标准装置结构复杂、价格昂贵,在传统实验教学模式下学生难以开展动手操作,为此开发气体流量计量的虚拟仿真实验。运用虚拟仿真技术搭建音速喷嘴气体流量传递标准装置,在虚拟三维场景中学生可对气体流量标准装置的结构和工作原理展开全方位的认知,掌握气体流量量值传递与溯源方法。同时依据检定规程设计气体涡轮流量计检定交互步骤,使学生掌握涡轮流量计的检定流程及其计量性能评价方法。该项目克服了传统流量计量实验教学中存在的难题,取得了较好的实验教学效果,有效提升学生的专业认知和行业从业能力。

关键词：气体流量计量虚拟仿真实验教学