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基于超声-微纳米气泡辅助技术的可变光程水质多参数检测方法研究

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2037-2044页

作者：李文李德健马永跃田旺陈银银王利民吕赫李杰骆紫云北方工业大学机电工程研究所北京100144

针对目前国家标准分析检测水质多参数方法存在的科学与技术问题,提出了一种基于超声-微纳米气泡(US-MNB)辅助技术、连续光谱法和顺序注射分析法(SIA)的可变光程水质多参数检测新方法。设计水质多参数检测系统,通过检测总磷(TP)、化学需... 详细信息

针对目前国家标准分析检测水质多参数方法存在的科学与技术问题,提出了一种基于超声-微纳米气泡(US-MNB)辅助技术、连续光谱法和顺序注射分析法(SIA)的可变光程水质多参数检测新方法。设计水质多参数检测系统,通过检测总磷(TP)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH_(3)-N)和六价铬(Cr^(6+))四种水质参数,验证了新方法的可行性。系统设计的核心是基于超声与微纳米气泡相结合的消解室以及具有可变光程功能的光谱扫描检测室,可达到快速消解和稳定检测的目的。同时系统基于国家水质检测标准,优化了水质多参数联合检测流程,并利用分光光度法和顺序注射分析技术对四种水质参数的含量进行连续光谱检测。首先,在常温常压下采用US-MNB辅助技术结合强氧化剂对TP进行消解,同时对检测室中NH_(3)-N参数显色反应后的化合物直接进行光谱扫描测定,消解后,再进行TP的测定。同理,消解COD的同时,对检测室中的Cr^(6+)参数显色反应后的化合物直接进行光谱扫描测定,消解后,再进行COD的测定。整个检测过程所用时间大幅降低,可在短时间内自动完成水质多参数的测定,显著地提高了检测的效率。以上述四种水质参数为测定对象,利用最小二乘法构建回归模型,拟合回归方程并计算相关系数,并绘制各参数的浓度-吸光度标准工作曲线。结果表明:TP标准工作曲线拟合系数≥0.9845,且浓度与吸光度成正相关,重复性(RSD)为3.05%~3.62%,加标回收率为97.8%~103.6%;COD标准工作曲线拟合系数≥0.9987,且浓度与吸光度成负相关,重复性(RSD)为2.12%~2.74%,加标回收率为98.7%~104.7%;NH_(3)-N标准工作曲线拟合系数≥0.9953,且浓度与吸光度成正相关,重复性(RSD)为3.41%~3.59%,加标回收率为99.2%~102.4%;Cr^(6+)标准工作曲线拟合系数≥0.9938,且浓度与吸光度成正相关,重复性(RSD)为3.51%~3.92%,加标回收率为98.9%~109.3%。系统可准确测定水样中TP、COD、NH_(3)-N和Cr^(6+)的含量,且具有良好的稳定性与可靠性。基于超声-微纳米气泡辅助技术的可变光程水质多参数检测方法研究,对于拓宽光谱法在水质多参数快速检测领域的应用以及提升检测效率等方面的研究具有重要作用。

关键词：连续光谱超声-微纳米气泡顺序注射分析法可变光程多参数水质检测联合检测

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基于变分自编码器的近似聚合查询优化方法

浙江大学学报（工学版） 2024年第5期58卷 931-940页

作者：黄龙森房俊周云亮郭志城北方工业大学信息学院北京100144 北方工业大学大规模流数据集成与分析技术北京市重点实验室北京100144

针对偏态数据分布不平衡,传统近似聚合查询方法难以抽样生成偏态分布数据的问题,提出基于优化的变分自编码器的近似聚合查询方法,研究近似聚合查询方法对偏态分布数据的近似聚合查询准确率的影响.在预处理阶段对偏态分布数据进行分层分... 详细信息

针对偏态数据分布不平衡,传统近似聚合查询方法难以抽样生成偏态分布数据的问题,提出基于优化的变分自编码器的近似聚合查询方法,研究近似聚合查询方法对偏态分布数据的近似聚合查询准确率的影响.在预处理阶段对偏态分布数据进行分层分组,对变分自编码器生成模型的网络结构和损失函数进行优化,降低近似聚合查询相对误差.实验结果表明,与基准方法相比,近似聚合查询对偏态分布数据的查询相对误差更小,且随着偏态系数的提高,查询相对误差的上升趋势更平缓.

关键词：近似查询处理偏态分布机器学习变分自编码器分组抽样

基于多角度双层偏差度量的封闭空间SAR多径抑制方法

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雷达学报（中英文） 2024年第4期13卷 761-776页

作者：林赟赵甲萌王彦平李洋申文杰白泽朝蒋雯北方工业大学信息学院雷达监测技术实验室北京100144

合成孔径雷达(SAR)具有全天时全天候非接触式监测的优势,是封闭空间安全监测的重要工具。然而,SAR应用于复杂封闭空间时,易受多径效应影响,导致图像存在大量虚像,严重影响判读。现有方法需要场景先验进行多径推算或通过子孔径加权融合... 详细信息

合成孔径雷达(SAR)具有全天时全天候非接触式监测的优势,是封闭空间安全监测的重要工具。然而,SAR应用于复杂封闭空间时,易受多径效应影响,导致图像存在大量虚像,严重影响判读。现有方法需要场景先验进行多径推算或通过子孔径加权融合抑制多径,但都难以准确区分多径虚像与目标图像。该文提出了一种新的多角度双层偏差度量方法,可有效获取多径虚像与目标间的特征差异。该方法首先采用大视角差对观测场景进行多角度观测,可充分利用多径虚像位置随观测角度变化,而实际目标位置保持不变的特性。然后使用双层偏差度量算法,该算法根据多径在多角度序列中的稀疏性,两次计算序列幅度值与序列均值的偏差,精准检测出稀疏、不稳定的多径成分并去除,对剩余稳定成分取均值。这样,在保留目标信息的同时有效抑制多径。最后,仿真和毫米波雷达实际数据处理验证了该文方法的有效性。

关键词：毫米波雷达多径抑制多角度观测双层偏差度量封闭空间

中阶梯光栅光谱仪谱图分析方法研究与软件开发

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中阶梯光栅光谱仪谱图分析方法研究与软件开发

作者：王楗北方工业大学

学位级别：硕士

中阶梯光栅光谱仪具有宽波段、高衍射效率、高分辨率等优点,在各行业的应用中有着不可替代的优势。本文基于实验室研发的电感耦合等离子体(ICP)中阶梯光栅光谱仪,对谱图数据处理与校正进行深入分析研究,开发配套仪器的上位机软件,并基... 详细信息

中阶梯光栅光谱仪具有宽波段、高衍射效率、高分辨率等优点,在各行业的应用中有着不可替代的优势。本文基于实验室研发的电感耦合等离子体(ICP)中阶梯光栅光谱仪,对谱图数据处理与校正进行深入分析研究,开发配套仪器的上位机软件,并基于国家发射光谱仪检定规程进行计量性能检定实验。文中对中阶梯光栅光谱仪谱图还原、去噪、基线校正和谱峰识别等进行分析研究。基于Zemax中搭建的分光光路模型,在Matlab中调用ZOS-API建立波长-坐标谱图还原数据库;基于结合谱峰剔除的S-G滤波去噪方法在去除背景噪声的同时保留元素特征谱峰信息;基于自适应迭代加权惩罚最小二乘法(air PLS)避免了基线过拟合,并有效抑制边缘数据对基线拟合的影响;基于标准偏差的局部极大值对称零面积寻峰算法有效抑制假峰的影响,准确识别重叠峰和弱峰。文中还对实验条件、仪器状态等因素造成的谱图干扰进行分析研究。基于自适应曝光时间序列的谱图校正算法,有效提升了特征谱线二维谱图的成像质量,增强标准曲线的线性相关性;基于谱线偏差的非线性全谱波长校正算法有效减小了仪器工作波段范围内波长提取的误差;基于Voigt谱峰参数拟合的重叠峰快速校正算法能够有效分离重叠峰,进一步提升定量分析的准确性,提高实验分析的效率。基于上述谱图分析方法与抗干扰处理,针对实验室自主研发的中阶梯光栅光谱仪开发了上位机软件,实现了不同下位机模块之间的通讯,且具备谱线查询、仪器优化、谱图标定、实验设置、谱图编辑和数据存储等功能。最后,基于JJG 768-2005国家发射光谱仪检定规程,配制系列标准溶液建立标准曲线并进行了相关计量性能检定实验。实验结果表明,仪器波长提取误差小于0.009nm,仪器的最小光谱带宽、检出限、重复性及稳定性均符合国家检定规程A级标准。

关键词：中阶梯光栅光谱仪数据处理干扰校正软件开发

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中外合作办学中的知识产权问题研究

中外合作办学中的知识产权问题研究

作者：郑新宇北方工业大学

学位级别：硕士

中外合作办学是新时代进一步扩大教育对外开放,推进我国教育治理体系和治理能力现代化的重要着力点。2018年习近平总书记在全国教育大会上的重要讲话中强调,“要扩大教育开放,同世界一流资源开展高水平合作办学”。近年来,中外合作办学... 详细信息

中外合作办学是新时代进一步扩大教育对外开放,推进我国教育治理体系和治理能力现代化的重要着力点。2018年习近平总书记在全国教育大会上的重要讲话中强调,“要扩大教育开放,同世界一流资源开展高水平合作办学”。近年来,中外合作办学在国家教育领域的部署中被摆在了更加突出的位置,已经逐渐成为我国高等教育体制的重要组成部分。随着2019年《中外合作办学条例》完成修订,中外合作办学踏上规范化、科学化、优质化发展的轨道。然而,在中外合作办学不断发展的过程中,知识产权问题不容忽视,如何合理妥善地处置知识产权,有效平衡办学双方的利益成为了中外合作办学理论和实践中面临的全新挑战。基于此,本文对目前中外合作办学的发展现状进行类型化分析,中外合作办学机构按照运行模式可分为独立的中外合作大学、二级学院、中外合作办学项目三类并对其法律性质进行界定。梳理中外合作办学法律政策中涉及的知识产权条款,同时将合作办学中的知识产权归纳为创新成果、标记标识和其他知识产权三种类型,从而为下文奠定理论基础。通过对中外合作办学实践现状的考察,以办学的全流程时间线为理论架构提出相应的知识产权问题。在办学机构设立前,名称及标识的设定和保护有待重视,教材与教学模式的引进受到阻碍;在运行中,新产生的知识产权归属有待明晰,知识产权转化与应用不足;在终止后,知识产权资产的清算与处置问题亟待重视。中美清洁能源中心、MARA-CABI联合实验室、欧盟第七框架计划是当前国际技术合作领域十分成功的案例,在合作过程中形成了丰富的知识产权管理、保护、运用经验,为中外合作办学领域的知识产权问题的妥善解决提供了重要的启示。结合中外合作办学中的现实问题与国际技术合作中的启示,从明确中外合作办学中的知识产权归属与侵权豁免规则、建立中外合作办学中的信息披露与安全风险防范制度、构建中外合作办学的知识产权清算与处置机制、设置中外合作办学中的知识产权转移转化机构四个方面提出中外合作办学中的知识产权问题的解决与应对建议,以期为中外合作办学的高质量发展提供助力。

关键词：中外合作办学知识产权知识产权归属知识产权转化应用

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基于XRF的水中氯离子快速检测仪研制

基于XRF的水中氯离子快速检测仪研制

作者：张帅北方工业大学

学位级别：硕士

传统的水中元素检测手段通常涉及复杂的化学分析过程,这不仅耗时还需要大量的实验室设备和化学试剂。因此探索能够高效率高准确度并且操作简单便捷的手段用于检测水中氯离子浓度的方法对水质检测十分必要。X射线荧光光谱法(X-Ray Fluore... 详细信息

传统的水中元素检测手段通常涉及复杂的化学分析过程,这不仅耗时还需要大量的实验室设备和化学试剂。因此探索能够高效率高准确度并且操作简单便捷的手段用于检测水中氯离子浓度的方法对水质检测十分必要。X射线荧光光谱法(X-Ray Fluorescence,XRF)常用于元素含量分析,具有高准确度高效率无损检测等优势。然而,由于氯离子这样的轻元素检测强度相对较低,而且容易受到基体和其它元素的干扰。本研究旨在搭建一台能够适用于氯离子精确检测的能量色散X射线荧光光谱仪(Energy Dispersive X-Ray Fluorescence,EDXRF),并针对水中氯离子的检测进行算法优化,提高水中氯检测的准确度和效率。本课题主要研究内容如下:(1)研究分析能量色散X射线荧光光谱仪组成和原理,结合氯离子溶液的检测需求,增加防水膜、移除准直器和滤光片,设计出短光程、体积小、适合现场快速检测的便携式XRF光谱仪;并进行光谱仪控制板原理图设计、PCB板制作以及相应程序编写。(2)基于自建的XRF光谱仪进行水中氯离子检测实验和数据分析,研究基线校正算法air PLS对谱图进行处理,实现有效的背景扣除;针对air PLS法对低含量的氯溶液检测准确度不足,提出Voigt函数拟合算法,有效分离两侧干扰峰,实验结果表明谱峰强度与元素含量之间的线性关系系数达到0.9986,且通过Voigt函数拟合对样品进行处理得到的计算浓度与实际浓度误差极低。(3)废水、电解液等复杂环境下,二次荧光的激发和吸收增强效应会影响谱峰强度与实际样品的浓度之间的数学关系,运用air PLS法或Voigt函数拟合算法难以进行正常顺利的定量分析。进而研究基本参数法(Fundamental Parameters)提高基体干扰严重时的氯离子检测准确度。通过各类参数的研究和推导,实现理论强度的计算,通过理论值和估计值的迭代得到氯离子的浓度,从而提高本课题自制仪器测定干扰环境下水中氯离子的准确性。综上,EDXRF法的优势在于测量稳定、高效精确,且检测过程完全不会对样品产生影响做到无损检测,本课题在保证检测准确度的前提下,搭建便携式XRF光谱仪;在air PLS算法的基础上提出Voigt函数拟合算法,实现低浓度纯水中氯离子的准确检测;通过基本参数法实现存在干扰元素下的氯离子检测。为水中氯离子的检测提供了高效可行的解决方案,具有广泛的应用潜力。

关键词：氯离子检测 X射线荧光光谱法 Voigt函数拟合基本参数法

基于边缘SLAM的多机器人协同控制技术研究

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基于边缘SLAM的多机器人协同控制技术研究

作者：郝乘岳北方工业大学

学位级别：硕士

AGV机器人是工业互联网应用场景中不可或缺的核心搬运装备。在实际工业互联网方案中AGV机器人的智能化升级改造至关重要。在当前阶段,AGV机器人面临着对增强环境感知能力和优化协作搬运效果的挑战。由于上述问题以及工业互联网技术的实... 详细信息

AGV机器人是工业互联网应用场景中不可或缺的核心搬运装备。在实际工业互联网方案中AGV机器人的智能化升级改造至关重要。在当前阶段,AGV机器人面临着对增强环境感知能力和优化协作搬运效果的挑战。由于上述问题以及工业互联网技术的实践要求,本文以端-边框架下的搬运AGV机器人为研究对象,开展多机器人系统集成研究。结合现代工业现场的实际需求,结合5G专网基站和本地MEC边缘计算平台资源,构建了一套基于5G网络的高效数据传输通信链路,并实现了边缘计算平台与AGV间的高效实时通信及数据交换。在此基础上,借助感传算一体化的技术理念,本研究进一步设计并实施了基于边缘计算的多机器人协同感知与控制系统平台。该系统实现了多AGV机器人的环境感知算法及编队控制算法。通过实验室环境部署与测试实验,验证了本文系统及其算法模块的有效性。本文的主要研究内容具体如下:(1)基于端-边架构的多机器人协同感知与控制平台搭建。针对多AGV机器人高密集度计算和工业现场的实时性问题,采用端-边架构设计多AGV机器人通信-感知-计算平台并结合5G网络搭建高效通信链路。首先,通过结合激光雷达传感器进行端侧机器人感知层设计,提升传统AGV机器人的感知能力。然后,利用MEC边缘服务器设计边缘侧计算平台,设计并完成边缘云原生机器人系统与各个功能模块。最后,结合5G专网与ROS通信机制搭建端侧机器人到边缘侧MEC的通信网络,满足数据传输实时性。通过通信测试与通信延迟实验验证了系统的实时性与有效性。(2)基于边缘SLAM算法的多AGV机器人改进地图融合算法研究。针对端边框架下的多AGV机器人环境感知问题,调整SLAM算法框架并改进地图融合算法进行了多AGV机器人的局部地图构建以及高效全局地图合并。首先,基于端-边架构调整SLAM算法框架,实现边缘SLAM算法的部署。然后,利用AKAZE特征算法改进地图融合算法实现对多个AGV机器人感知地图的合并,提供周围环境的全局地图。最后,通过Gazebo中融合算法仿真实验验证该算法加速多机器人协作地图构建方面的有效性,并通过真实场景验证系统模块的有效性。(3)基于全局地图的多AGV机器人的协同编队控制。针对多AGV机器人编队控制问题,利用领航-跟随算法进行多个机器人的编队控制模块设计,完善感知计算系统。首先,采用A-Star与动态窗口法混合的路径规划算法进行自主导航控制。然后。建立领航跟随误差系统,通过误差跟踪算法进行跟随机器人运动控制设计。最后,模拟物料搬运场景进行多AGV机器人自主导航和编队实验测试,来验证编队控制算法的有效性。

关键词：边缘计算 SLAM 多机器人地图融合 5G

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动平衡机网络化测控系统开发

动平衡机网络化测控系统开发

作者：王馨皞北方工业大学

学位级别：硕士

旋转机械部件由于加工误差、材料均匀性、使用磨损等因素引起质量分布不对称,质量偏心产生机械振动,从而影响轴承或其他关联部件的使用寿命。动平衡机是旋转机械的转子进行不平衡校正的常用设备。本文面向实际工程需求,研究动平衡机测... 详细信息

旋转机械部件由于加工误差、材料均匀性、使用磨损等因素引起质量分布不对称,质量偏心产生机械振动,从而影响轴承或其他关联部件的使用寿命。动平衡机是旋转机械的转子进行不平衡校正的常用设备。本文面向实际工程需求,研究动平衡机测控技术和网络化技术,主要研究工作包括:(1)基于STM32F407VGT6微处理器,完成了动平衡机网络化测控系统硬件总体方案设计和接口电路开发,主要包括DC/DC电源模块、24位高精度AD采集接口电路、转速传感器接口电路、以太网和WIFI通讯接口电路、EEPROM参数存储接口电路、RS232通信接口电路等,设计动平衡机网络化测控卡PCB并完成了硬件测试。(2)在分析刚性转子的动平衡理论和基于影响系数法的不平衡量校正方法基础上,开发了基于本文硬件平台的软支撑动平衡机的分离解算算法;提出了一种优化的经验模态分解算法,兼顾了运算速度与计算精度,非常适合搭载于嵌入式微处理器;设计了动平衡机信号采集和数字滤波算法,获得了高质量的振动信号数据和转速数据;开发了测控卡的网络通讯Socket程序包。基于KEIL环境完成了嵌入式程序开发和测试。(3)基于Qt开发环境,完成了动平衡机网络化测控系统的上位机应用软件;基于阿里云IotStuido物联网平台,完成了动平衡机网络化测控系统移动终端应用软件;包括动平衡测量模块、数据管理模块、高速通讯模块、远程管理功能、界面显示模块等。(4)利用本文开发的动平衡机网络化测控系统,进行了动平衡机的实验室测试和工程应用实验,实验结果表明:系统运行稳定且流畅,远程控制可靠,实时性强,解算结果用时时间保持在5s之内,转子不平衡量减少率达到85%以上,根据数据对比与分析,测试结果各项指标达到预期目标,不平衡量解算精度符合行业标准。

关键词：动平衡机软支撑动平衡数字信号处理

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低功耗智能流量计的设计

低功耗智能流量计的设计

作者：张潇萧北方工业大学

学位级别：硕士

随着工业自动化和环境监测领域的快速发展,市场对流量计的功能要求日益增加,希望一款流量监测系统不仅能够适应流体复杂多变的环境,而且可以支持无线传输、无人值守、自动报警的智能化功能,还要有电池供电长期运行的低功耗特点。本论文... 详细信息

随着工业自动化和环境监测领域的快速发展,市场对流量计的功能要求日益增加,希望一款流量监测系统不仅能够适应流体复杂多变的环境,而且可以支持无线传输、无人值守、自动报警的智能化功能,还要有电池供电长期运行的低功耗特点。本论文针对这些实际应用需求,设计了可技术优势互补的电磁和超声波类型的两种流量计,在系统硬件电路设计、软件程序设计以及上位机设计中进行了较为完整的优化工作。搭建了一套可覆盖较宽测量场景且具有低功耗和一定智能化特点的流量测试系统,并在此基础上开展了验证性测试实验。首先,本论文分别对电磁流量计和超声流量计的硬件部分进行了设计。对于电磁流量计,选用低频矩形波励磁技术以减少噪声干扰和降低功耗,同时又一定程度上提升测量准确性;对于超声波流量计,则选用时差法测量流量,以非接触式安装,保持流体完整性。系统硬件选型时在技术参数满足使用要求的前提下注重器件的低功耗,对于电磁流量计,采用了高精度低功耗的仪表放大器进行信号处理,并使用了24位的低功耗模数转换器进行信号转换;对于超声波流量计,采用TDC-GP22芯片进行时间差测量,不仅简化了电路结构,而且实现了皮秒级分辨率的高准确度。此外,选用了基于SX1278芯片的Lo Ra无线通信模块,该模块在休眠模式下的功耗仅为2.3u A。通过以上设计,既保证了流量计性能,又有效降低了整体系统功耗。其次,在系统软件设计时采用了模块化方法,主要包括流量计的主程序设计、流量计量模块设计、数字滤波模块设计、通信模块设计以及上位机设计。在上位机设计中,通过Lo Ra模块以主动轮询方式与流量计进行通信,并通过可视化界面展示流量数据。为了提高系统的智能化水平,系统还集成了空管警报和电池低电量警报功能,并允许用户根据需要自定义流量的正常检测范围,从而有效预防潜在的运行异常。此外,为了进一步提高流量测量的精确度和稳定性,对传统卡尔曼滤波方法进行了改进,所改进的滤波算法加快了流量非线性变化时的响应速度。最后,开展现场测试实验,结果表明:电磁流量计和超声波流量计样机都能以电池供电的方式长时间稳定运行。经误差修正后,电磁流量计相对示值误差约为±1%,超声波流量计相对示值误差约为±1.5%。结果证明,所设计的流量计系统在满足流量精确计量要求的同时,也具备了低功耗和智能化特点。

关键词：电磁流量计超声波流量计低功耗智能化改进卡尔曼滤波