网状静电传感器弯管处颗粒速度与浓度的测量

为了对气力输送管道进行实时监控,并且提高炉膛内的燃烧效率,需要对气力输送管道中颗粒的速度与浓度分布进行测量。采用一种网状结构的静电传感器测量气力输送管道弯管处的颗粒速度与浓度分布。为了研究传感器的特性,首先建立了网状静电传感器的有限元模型。根据有限元仿真结果,优化网状静电传感器的设计,使其拥有更高更均匀的灵敏度分布,在实验室规模颗粒流实验平台上进行了实验研究。通过对上下游平面对应位置网状电极所得静电信号进行互相关运算,可以估测颗粒的轴向速度分布;通过对同一平面网状电极静电信号的均方根值进行重建,可以得到固体颗粒的相对浓度分布。实验研究表明,该网状静电传感器可以用来测量气力输送管道弯管处颗粒速度与浓度分布。     

基于四阶累积量的供水管道泄漏振动信号自适应时延估计

在相关高斯噪声干扰下,特别是在低信噪比时基于互相关的供水管道泄漏振动信号时延估计性能严重下降。因此,提出基于四阶累积量及递归最小二乘(RLS)自适应滤波的供水管道泄漏振动信号时延估计方法。首先,通过自、互四阶累积量分割信号频带,获得含有泄漏振动信号特征的一维切片;然后,引入可变步长的RLS算法,提高收敛速度;最后,利用RLS算法对上述一维切片进行迭代计算,分析滤波器权系数曲线及误差曲线得出时延估计结果。仿真与实验结果表明,该方法能够有效的实现供水管道泄漏定位:在低信噪比与相关高斯噪声背景下,互相关方法失效;与四阶累积量-互相关方法相比,所提方法的平均相对定位误差减少了2.56倍,标准差减小了1.736倍。     

含水率对静电法测量电厂煤粉质量流量的影响

文中从理论和实验两方面分析了含水率对静电法测量气力输送颗粒的静电信号和质量流量的影响。实验部分分析了与煤粉具有类似性质的活性炭和石英砂两种材料在相同质量流量、不同速度、不同含水率条件下的静电信号。结果表明,颗粒静电信号强度随颗粒含水率的增加而减弱,从而对基于静电法的质量流量测量造成影响。随着颗粒含水率的增加,静电信号的主频减小,这一特性可用于测量结果的补偿,从而减小含水率对静电法测量电厂煤粉质量流量的影响。     

供水管网泄漏定位研究与检测系统开发

在分析泄漏声波在管线中传播特性的基础上,根据自适应滤波时延估计与泄漏定位的原理,设计与实现了管网泄漏定位系统中的传感器及信号调理电路、数据采集与通信电路、数字滤波以及泄漏定位软件等,并进行了系统集成.在实现的系统中,传感器采集到的泄漏声信号被转换成12位数字量,通过通信端口读入计算机.为了得到准确的定位结果,对采集到的数据采用了选频段滤波、分时段时延估计、根据信号幅值的相对强弱进行抑制突发强干扰.现场试验与运行结果表明:系统硬件和软件流程运行正确,达到了设计的需求;泄漏定位结果误差小于0.5 m,能够满足实际测量的要求.     

基于改进经验小波变换及互谱相位差谱的供水管道泄漏声振动定位方法

针对供水管道泄漏声振动信号的信噪比较低导致用于时延估计泄漏定位误差大的问题,提出基于改进经验小波变换及互谱相位差谱的供水管道泄漏定位方法。首先采用小波包分解得到不同尺度的信号能量谱,根据小波包能量谱局部极小值的分布自适应确定频带分割区间,解决了传统经验小波变换中频谱划分问题;然后基于频带分割区间构建正交小波滤波器组对信号进行经验小波变换分解得到多个分量,根据相关系数选取有效分量,同时利用有效分量的互谱相位差谱呈水平变化的频带对有效分量信号进行带通滤波,滤除干扰噪声;最后对滤波后的信号进行互相关时延估计来确定泄漏位置。仿真及实验结果表明,该方法能够有效的实现供水管道泄漏定位,并与互相关、VMD与互谱分析相结合的泄漏定位方法相比,平均相对定位误差分别减少6.7倍和1.5倍。     

低信噪比环境下基于γ-LMS算法的修正无偏自适应时延估计方法

当环境信噪比低于某一阈值,由输入噪声引入的有偏维纳解使最小均方(LMS)自适应时延估计器的错误时延估计概率陡然增加.系统分析了LMS自适应算法有偏估计的噪声来源及有偏时延估计器的性能,并基于Treichler的γ-LMS 算法提出了一种修正无偏自适应时延估计方法.该方法利用传统LMS自适应滤波器可以获得的信息估计输入噪声功率,然后根据γ-LMS 算法的思想在迭代过程中引入一个修正因子,逐步去除输入噪声的影响,无需假设输入与输出噪声功率相等或功率比已知、有用信号应为白过程等限制条件.自适应时延估计的仿真实验与供水管道泄漏检测定位中的实际数据处理都验证了该方法的有效性.     

阵列式静电-电容传感器灵敏度特性研究

结合静电和电容传感技术各自的特点,提出了阵列式静电-电容传感器用于气固两相流中固相颗粒的局部速度、局部浓度以及局部流量测量。利用静电极片阵列与电容极片阵列获取管道内颗粒的速度分布与浓度分布,进而计算出颗粒的局部流量。该阵列式传感器参数测量的准确性直接取决于它的空间灵敏度分布特性。对静电极片阵列和电容极片阵列的灵敏度特性进行了研究。首先,建立了静电极片阵列的三维静电场模型,通过有限元法分析静电极片阵列的结构参数(电极长度、电极覆盖角等)对传感器灵敏度特性的影响;然后根据电磁场理论建立电容极片阵列的数学模型,并对其进行数值计算,研究管道厚度、管道介电常数、电极覆盖角等参数对传感器灵敏度特性的影响;最后搭建了传动带装置进行了实验研究,实验结果证实了模拟结果的准确性,为阵列式静电-电容传感器的优化设计提供理论依据。     

供水管道泄漏定位中基于互谱的时延估计

供水管道泄漏时产生泄漏声波，根据泄漏声波到达安装在管道上的2个传感器的时间差可以估计泄漏位置。减小时延估计的方差必须对信号滤波以提高信噪比，但泄漏信号所在的频带是不能预先确知的。互谱相位谱和相干函数在频域上反映了2个信号的相关性，根据它们估计泄漏信号的频带、设定滤波器截止频率，在较低信噪比的情况下提高滤波效果及检测结果的置信度。实际检测结果表明，该方法减小了泄漏定位的误差。     

锅炉煤粉气力输送状态在线监测系统研究

煤粉气力输送状态在线监测对磨煤机工作状态以及锅炉炉膛燃烧安全、均衡和稳定性的评估具有重要意义.在理论研究的基础上,研制了一种基于激光脉动法和互相关法测试原理的锅炉煤粉气力输送过程参数在线监测系统,以实现煤粉气力输送过程状态的在线监测.该系统通过煤粉流经系统探头测量区时的激光脉动信号,经过光电信号转换元件、信号滤波以及数据分析处理后得到煤粉浓度、细度以及速度特征参数,进而评估磨煤机和煤粉管道运行状态.现场安装和测试结果表明,该系统具有测量精度高、成本低以及安装简便等特点.     

静电粉体流量计的理论与实验研究

应用于燃煤电站气力输送系统的圆环式静电流量计可为监控煤粉的流动提供极有价值的参考信息.本文利用有限元方法研究了流量计的静电感应机理,并建立了传感器检测信号与运动荷电粉体关系的数学模型.理论分析表明,静电流量计信号的输出不仅取决于探头的几何形状、检测电路参数、颗粒荷电量的大小和空间分布,还与颗粒的速度、自身携带电荷随时间的变化率等因素有关.利用传送带实验装置对上述理论分析进行了初步的验证,并在Teesside大学气力输送系统上对内径为40 mm的静电流量计,在不同的气固比条件下,获取了粉体质量流量和检测信号的标定结果.     

移动机器人自适应抗差无迹粒子滤波定位算法

针对机器人定位过程中传感器感知信息存在野值,加剧粒子退化,导致机器人状态参数滤波值失真,甚至出现定位失败的问题,提出一种机器人自适应抗差无迹粒子滤波定位算法。在重要性采样阶段利用无迹卡尔曼滤波产生优选的建议分布函数,降低系统估计误差,同时有效提升系统的抗噪声能力。同时利用抗差估计原理构造抗差方差分量统计量,并由该统计量引入的自适应因子调节增益矩阵,减弱野值对滤波的影响。实验结果表明,当观测数据中存在野值时,该算法能够有效地控制观测异常误差的影响,定位精度得到了很大提高,并在不同系统噪声和观测噪声方差下,具有较强的鲁棒性和实时性。     

用于两相流流速测量的极性导向式自适应算法

提出利用导向式自适应算法处理两相流的流动噪声信号,以估计出的流动噪声传输参数计算两相流流速,对这种算法的收敛性和流速测量性能进行了论证.当流动噪声信号量化为1 bit时,则形成极性导向自适应算法,它便于用比较简单的硬件实现快速运算,适于制作成专用的流速检测集成芯片.理论分析和实验结果表明,这种方法测量结果的实时性和分辨率优于相关法.文中给出气水两相流垂直管段与极性相关法进行对比实验的结果.     

A new denoising algorithm for MFL data obtained from seamless pipeline inspection

The magnetic flux leakage (MFL) nondestructive evaluation technique is used extensively for in-service inspection of gas and oil pipelines. Unfortunately, the MFL data obtained from seamless pipeline inspection is usually contaminated by various sources of noise, which considerably reduces the detectability of defect signals in MFL data. In this paper, a new denoising algorithm is presented for removing seamless pipe noise (SPN) and system noise contained in MFL data. The algorithm first utilizes the new wavelet domain adaptive filtering method proposed by combining wavelet transform with the adaptive filtering technique to remove SPN contained in MFL data and then exploits the coefficient denoising approach with wavelet transform to cancel the system noise in the output of the wavelet domain adaptive SPN cancellation system. Theoretical analysis shows that the proposed denoising algorithm has a better overall performance than the existing denoising algorithm. Results of application of the proposed algorithm to MFL data from field tests are presented to demonstrate the performance of the proposed algorithm compared with the existing denoising algorithm. The text was submitted by the author in English.     

金属颗粒的电容式速度测量方法研究

针对金属材料在静电场中呈现出的特殊性,设计了一种用于检测管道中金属颗粒速度的电容式传感器。首先,基于多电极理论建立了电容传感器测量金属物质的数学模型,在此基础上,使用COMSOL Multiphysics有限元分析工具建立了传感器三维仿真模型,并对其空间灵敏度分布特性进行了分析。然后,基于该传感器的空间滤波效应对金属颗粒速度测量原理进行了理论分析,建立了传感器输出信号功率谱截止频率和金属颗粒速度之间的关系式。最后,开发了基于三角电极电容传感器和电容数字转换芯片Pcap01的金属颗粒速度测量系统,并在重力输送装置进行了验证及分析。实验结果表明,该测量方法具有良好的可行性,在2.44~5.34 m/s的速度范围内,测量速度的重复性误差小于4%。     

抗野值自适应卫星/微惯性组合导航方法

针对在复杂城市环境下卫星导航系统(GNSS)定位定速存在野值,导致GNSS/微惯性(MEMS-INS)组合导航状态参数滤波估计精度恶化,甚至滤波发散的问题,提出了一种抗野值自适应GNSS/MEMS-INS组合导航算法,以提高组合导航精度和可靠性。该算法利用Allan方差分析建立较为精确的MEMS器件噪声模型,有效降低模型异常和状态扰动的影响。同时利用新息序列构造观测异常检验统计量,并根据该统计量构造自适应新息加权因子调节滤波增益矩阵,削弱观测野值对状态估计的不良影响。实验结果表明,该算法能够有效地控制GNSS定位定速异常的影响,具有较强的实时性和容错性。相比于传统算法,车载定位、定速和定姿精度分别提升35.78%、60.19%和82.41%,验证了本文算法的有效性和实用性。     

利用自适应卡尔曼滤波实现光电跟踪中的复合控制

为了在光电跟踪控制系统中实现复合控制以提高跟踪精度,构建了基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制结构。首先,利用跟踪脱靶量数据和仪器位置数据合成目标角位置数据;然后,利用模型自适应卡尔曼滤波算法对目标角位置数据进行滤波估计以获得目标角速度信息;最后,将目标角速度信息前馈到速度回路,从而构成复合控制系统。实验结果表明:采用复合控制结构后,目标跟踪精度提高了50%。基于模型自适应卡尔曼滤波算法的复合控制技术能够在保持原反馈控制系统稳定性的条件下提高跟踪精度。     

基于PDR和RSSI的室内定位算法研究

构建了基于无线传感网络的行人航迹推算(PDR)系统,通过RSSI定位为其提供绝对定位信息。在RSSI定位中,提出基于PDR方位信息的自适应Flip-Flop RSSI信息预处理机制和RSSI指纹信息融合动态路径衰减指数的定位算法,以改善RSSI定位算法的抗噪声干扰能力。在多信息融合粒子滤波环节中,针对传统算法中滤波精度与滤波实时性很难同时得到改善的问题,提出基于PDR信息与RSSI定位信息的动态区间粒子滤波算法,通过PDR方位信息自适应控制区间衍生粒子数量以提高滤波实时性,并将建筑地图信息、RSSI定位信息及其可信度因子融入粒子权值计算中以提高定位精度。经实验验证,提出的算法在RSSI定位抗噪声能力方面,以及融合定位精度和滤波实时性方面都取得了良好的效果,与传统算法相比最大定位误差由3.16 m降低到1.81 m,滤波时间也由7.21 s降至7.01 s。     

基于自适应陷波的直拉单晶直径跟踪

为抵消单晶生长过程中晶体直径测量信号存在的周期性干扰,提出一种适合晶体直径测量信号的自适应陷波滤波方法。该方法采用抵消低频分量、保留高频分量的思想建立滤波器优化函数,利用一种改进的粒子群优化算法优化该函数获得周期性干扰的逼近信号,并用此逼近信号抵消周期性干扰。实验结果表明,所提出的滤波方法能有效跟踪直拉单晶直径的变化,精度优于常用的滤波方法,所提出的粒子群优化算法能够使滤波器系数较快收敛。     

管道损伤磁梯度共振稀疏分解与BMSR辨识方法

为更好地提取埋地钢质管道地磁环境下由应力集中产生的磁力信号,克服现有磁力检测缺乏有效高灵敏度多元探头阵列和信号处理技术的问题,提出一种磁梯度张量共振稀疏分解结合偏置单稳随机共振(bias monostable stochastic resonance,简称BMSR)的辨识方法对管道损伤进行有效评估。首先,探头布置采用十字张量阵列形式;其次,针对管道缺陷和现场干扰信号特点,用不同品质因子对信号进行共振稀疏分解,剔除掉一部分干扰信号;最后,加入不同时域恢复的随机共振系统结合量子遗传算法进行参数寻优。将该辨识方法用于实际站场管道张量检测信号,比较传统低通滤波、不同随机共振系统结合共振稀疏分解的处理结果,验证了磁梯度张量共振稀疏分解加偏置单稳处理算法在提取管道损伤磁场和表征管道应力集中的有效性。