用于10-6N~10-5N微力测量的柔性铰链机构设计

在基于静电场原理的微纳力值测量系统中,力值的传递与转化机构起着至关重要的作用。选择平行四边形柔性铰链机构作为其弹性元件,以实现10-6N量级的力值测量。分析了柔性铰链的数学模型,研究了其静态与动态刚度;根据系统要求确定了柔性铰链的目标刚度,并采用有限元方法对其进行优化设计和模态分析;分析了加工精度对铰链刚度的影响。将该铰链用于微力测量系统中,通过实验给出了刚度测试结果和力值测量结果,实验表明,该平行四边形柔性铰链满足微力测量系统对10-6N量级的力值测量要求。     

基于相参量重构的逆变系统输出功率分析

逆变器的输出功率对逆变系统的功率控制、无功补偿和输出电能质量监测具有重要意义.将瞬时功率理论应用于逆变器输出功率分析,提出了一种基于三相电参量重构的功率分析方法.该方法只对直流信号进行采样,避免使用交流传感器,减小了装置体积,便于集成,降低了系统成本.针对电压源型脉宽调制(PWM)逆变器,建立了由直流电参量表征的相电压和相电流模型.以电机驱动控制为实验对象,搭建了逆变器功率分析实验平台.在此基础上,对比测试了3种转速条件下的重构法和直接法,计算出瞬时有功功率、瞬时无功功率、视在功率和功率因数的最大误差分别为3.25％,3.09％,1.46％和3.66％,验证了重构功率分析方法的可行性.     

基于RetinaNet改进的车辆信息检测

移动端计算力不足和存储有限导致车辆信息检测模型精度不高、速度较慢。针对这一问题,提出一种基于RetinaNet改进的车辆信息检测算法。首先,开发新的车辆信息检测框架,将特征金字塔网络（FPN）模块的深层特征信息融合进浅层特征层,以MobileNet V3为基础特征提取网络;其次,引入目标检测任务的直接评价指标GIoU指导定位任务;最后,使用维度聚类算法找出Anchor的较好尺寸并匹配到相对应的特征层。与原始RetinaNet目标检测算法的对比实验表明,所提算法在车辆信息检测数据集上的精度有10.2个百分点的提升。以MobileNet V3为基础网络时平均准确率均值（mAP）可达97.2%且在ARM v7设备上单帧前向推断用时可达100 ms。实验结果表明,所提方法能够有效提高移动端车辆信息检测算法性能。     

基于光路折叠的室内基线场误差分析方法研究

为了有效开展长距离光电测距类仪器的室内检定工作,在50m高精度导轨上利用1组平面反射镜进行光路折叠,搭建了100m室内基线场。对基线系统的测量误差进行了分析,考虑各项误差的调整精度,将误差分析结果应用到实际光路调整过程中,分析得到对基线长度影响更显著的误差量,并对其进行了控制和调整,提高测量光路的平行性调整精度,最后选择双频激光干涉仪作为长度基准开展验证实验。实验结果表明:通过光路折叠方法可以实现2倍光程倍增,基线系统的精度较高,可进行连续测量,有效地解决了室内基线建立过程中所存在的检测效率低、可重复性差等技术问题。     

液体弹珠的微流体操作及工程应用

微流体技术是一种精确操控和检测微量流体的新兴技术,广泛应用于生物、化学、材料等领域的实验及工程中.液体弹珠作为一种新兴的数字微流体平台在近几年快速发展.它是一种将疏水的微纳米级颗粒包裹在液滴表面形成的软物质,体积通常在几微升到几百微升之间.区别于构建特殊表面微结构或化学改性制备的超疏水表面,液体弹珠是通过颗粒层阻隔内部液体与载体的微观接触,构建类似于莱顿弗罗斯特液滴的结构来实现微量液体在固体或液体表面不润湿且稳定存在的目的.目前的研究已经证明液体弹珠拥有独特优越的物理性能,如液体弹珠表面的颗粒层将固-液接触转化为固-固和固-气接触,因此具有不粘的特性,与载体表面的摩擦很小,在很小的外力作用下就可以实现灵活移动且不污染弹珠内的液体和载体.当表面颗粒呈多层且致密分布时也并非完全阻隔外界环境,在很大程度上能够减缓内部液体的蒸发且具有良好的气体渗透性,而且液体弹珠具有较好的稳固性,往往能够承受30％的可逆线性弹性形变,这些性能使液体弹珠可以作为理想的数字微流体平台.液体弹珠的原材料十分丰富,从而决定了其性状具有灵活的可调控性,所用颗粒的疏水性和形状会直接影响液体弹珠的力学性能,例如棒状颗粒包裹的液体弹珠具有更大的刚度,链状颗粒包裹的液体弹珠具有优越的弹性性能.颗粒的化学性质可以按需赋予液体弹珠不同的响应特性,从而衍生出多种操控手段,主要方式包括静电力、磁力、自推进、光辐射、温度、超声等,完成液体弹珠的精确移动、定位、颗粒层开启和关闭以及释放内部液体的操作.以上特性使液体弹珠能够应用于各种工程中,在细胞组织和微生物的培养以及微型化学反应器方面具有很好的应用前景,同时还被广泛应用于传感器、制药和精密仪器等领域,例如光电传感、污水检测、微型胶囊制备、构建纳米复合透镜以及精准电化学沉积等.同时液体弹珠制备方法较简单,无需复杂仪器设备,具有很高的经济效益.本文结合近年来液体弹珠相关研究的发展现状介绍了液体弹珠的制备方法、结构特点、材料和不同于纯液滴的性质主要包括有效表面张力、力学稳定性和蒸发速率,归纳了几种主流操作控制液体弹珠移动和释放的手段并分析优势与不足,总结了目前液体弹珠在工程上的主要应用并对其未来的发展趋势和应用前景进行展望.     

利用静电场原理复现微小力值的实验研究

利用静电场原理复现微小力值(≤10-5N)的系统主要包括电容梯度测量模块和平衡电压监测模块。在对测量原理进行深入分析的基础上,得出了实现测量的基本计算公式;同时,通过电磁场专用仿真软件Maxwell进行了仿真试验,通过仿真数据与理论数据的对比验证了原理的正确性;另外,自行设计并加工了实验用圆柱形电容器以及杠杆支架等,搭建了完整的测量系统平台,完成了系统实验,并且将实验数据与理论数据做了对比,验证了实验的可行性,分析了误差产生的可能原因,提出了进一步改进的方向;最后,总结了实验结论:利用静电场原理复现微小力的方法能够满足设计要求并且能够满足测量要求。     

基于平行四边形机构的推力器推力测量研究

推力的精确测量在卫星姿态控制、引力波探测等领域均有重要应用,已经成为限制推力器技术发展的关键问题。国内外开展了很多推力测量相关的研究,但仍难以兼顾重负载和高精度。本文针对小推重比推力器推力测量困难的问题,提出了一种基于平行四边形机构的测量方法,并搭建了一套推力测量装置,其具有承载能力强、精度高、稳定性好的优点。其中平行四边形机构既作为推力器承载部件,又作为将推力转化为单自由度线性位移的弹性元件。微小位移由激光干涉仪测量,后基于胡克定律计算得到待测力值。设计了合理的机构参数,并对机构进行了力学仿真分析,理论承载能力达140kg。利用电磁力测试了装置的力学响应,实验结果表明,在2.5 kg的实际承重下,测量系统可分辨的最小力值为17.2μN,量程为17.2～2 789.9μN,相对不确定度为1.26%。该方法适用于推力器推力的测量,对推力器技术的发展具有重要意义。     

光压的测量方法现状及发展趋势

介绍了光压的概念及应用,按照测量介质由宏观至微观、系统刚度由高到低的次序,选取了具有代表性的扭秤、晶体、薄膜、电容和液体这5种感测介质,分别介绍了这5种感测介质的测量原理及发展现状,分析了每种方法的特色,并提出了目前光压测量面临的问题,结合国际计量发展新动态,分析了光压测量方法的发展趋势。     

基于平行四边形柔性铰链的新型微量液体粘度测量方法

在分析化学、生物工程、流量计量等领域,微量液体的粘度对工程分析和计算具有重要意义,微量液体粘度测量的方法也在逐渐发展完善。查阅资料发现,目前微量液体测量装置可用于测量粘度值低于150 m Pa·s的微量液体。为了解决微量液体测量装置的粘度测量范围较小的问题,提出一种基于平行四边形柔性铰链的剪切运动的新型粘度测量方法,待测微量液体样本的体积仅为15μL。该方法使用固定在平行四边形柔性铰链上的刚性杆,将刚性杆的探针部分插入液体,在瞬态力的作用下,平行四边形柔性铰链做一维的阻尼振动,带动探针在液体中做剪切运动,由于液体粘滞力,系统的阻尼因数发生变化,液体粘度越大,阻尼因数越大。可以通过标定实验建立二者的关系,实现微量液体的粘度测量。结果表明,此微量液体粘度测量装置的测量范围扩大到了10 m Pa·s～750 m Pa·s,并且相对误差平均为5.8%。证明了该测量装置满足设计的需求,并且能够有效测量微量液体粘度。     

室内200m虚拟基线测量方法的研究

为了解决手持式激光测距仪50m以上检测基准建立的问题,在50m高精度导轨上利用3个平面反射镜进行光路折叠,实现4倍光程倍增,搭建了室内200m基线。并将Leica TS15型全站仪视为检定基准,对基线长度进行标定。最后对Leica DISTOTM D510型手持式激光测距仪开展了50~200m测段的示值误差检定实验。实验结果表明: 室内基线系统的测量范围可拓宽至200m,示值误差检定结果的扩展不确定度为2.2mm(k=2),满足检定规程要求,有利于将长基线压缩至室内有限空间完成。