非接触检测系统

非接触检测系统（共12篇）

非接触检测系统 篇1

0 引言

现代农业的要求是既要高产高效,又要优质低耗,精确农业的兴起正顺应了这一时代潮流。精密播种是精确农业的主要组成部分,而精密播种机是实现精密播种技术的主要手段。种子的纵向分布均匀性(即种粒均匀性)是精密播种机性能测试中最重要的指标之一,但是目前国内播种机田间试验(采用的粒距均匀性测量方法)都很费时费力,且不能完全反映播种机的工作效果[1]。针对上述问题,提出了精密播种机播种均匀性非接触检测的方法,并研究设计了相关的检测系统。该系统安装于自行研制的双轮装置,当行进于播有玉米种子的地块时,可以感应出埋于地下的玉米种子,并发出种子的定位信息;再通过该装置在田间行走的速度及种子信息进行播种均匀性的计算,可为农机鉴定部门提供大量可靠的试验数据。本文主要介绍有关检测系统电路方面的设计内容。

1 工作原理

本系统采用电磁感应的方法进行检测与研究。用铁氧体粉末作为间接指示剂,包裹待测玉米种子,通过对包衣的检测来达到对玉米种子检测的目的。其工作原理:由于功率信号接入激励线圈后,能够产生与输入信号相同规律变化的磁场,一般称为一次磁场;该磁场作用到包有铁氧体粉末的玉米种子后,便会产生反映该目标物体的二次磁场;通过检测线圈感知二次磁场信号,来完成检测工作。由于包有指示剂的玉米种子(以后文中简称为目标物体)直径大约是5～6mm,埋于地下约为5～10cm,检测线圈的输出信号会非常微弱,这就需要对信号进行相关的处理,同时借助其他幅度特征来实现检测。

2 系统电路设计

电路设计包括3部分:一是线圈的选形与设计;二是激励信号源的设计;三是信号处理部分的设计。其中,激励信号源部分包括激励信号的产生单元、低通滤波电路和功率放大电路。系统电路结构框图如图1所示。

2.1 线圈设计

考虑定位、检测距离和灵敏度等问题,最终选择了矩形线圈结构,它由激励线圈、检测线圈1和检测线圈2组成。其中,检测线圈是两个完全相同的矩形线圈,以差动的方式进行连接(即当检测线圈1与检测线圈2均为顺时针方向绕制时,应将线圈1的尾端和线圈2的尾端相连,线圈1的首端和线圈2的首端相连)。这种结构的线圈使得两个回路的温漂和时漂作为共模信号相抵消,可以提高线圈的检测灵敏度[2]。激励线圈按照矩形螺旋式绕制,宽度应大于两个检测线圈的宽度和,从而保证一定的检测距离;同时,激励线圈的宽度又不能过大,以免大于玉米种子的行距,影响检测精度。为了使激励电路和激励线圈匹配,采用并联电容的方法调谐激励线圈的电感,以达到谐振,并通过改变谐振电路的参数(L或C),使电路的固有频率等于信号的频率。若信号频率过高,趋肤效应将明显不利于地下目标物体的检测;而频率过低,其检测精度也会有所下降。因此,最终选用5.8 kHz频率的信号。这样,谐振电路的固有频率也就成为5.8 kHz[3]。

2.2 激励源的设计

2.2.1 激励信号波形的产生

本设计采用CD4046的压控振荡器(VOD)产生信号并进行锁频,保证激励线圈处在谐振状态,使输出信号最大。信号波形产生电路如图2所示。其中,R3是用来控制锁频范围,R4用来控制VOD中心频率上的偏移量,C2用来改变偏移量;R1、R2、C1构成低通滤波电路。其中,功率放大器的输出信号通过比较器变为方波信号引入CD4046的14引脚作为输入信号的基准信号,与激励线圈相串连的采样电阻上的信号通过比较器变为方波信号引入引脚3作为比较信号。由于4脚输出的信号为方波信号,不利于提高检测精度,进行了以下低通滤波器的设计,使方波信号变为正弦波信号。

2.2.2 低通滤波器的设计

由于一个方波可以由多次谐波分量的傅里叶级数表示,而每个谐波的幅度随谐波次数的增加而降低,所以只有前几次谐波是主要的。只要把CD4046引脚4输出的方波信号的前几次谐波通过低通滤波器滤掉,就可以实现由方波到正弦波的变换。滤波器分无源和有源两种。本设计采用的是无源滤波器,具有结构简单和易于实现的优点。为了得到更好的滤波波形,本环节由两级低通滤波器组成:一级是巴特沃思低通滤波器,充分利用它的平滑特性;另一级是椭圆滤波器。滤波器的阶数选为偶数[4]。

2.2.3 功率放大器的设计

为了能使激励线圈得到足够大的功率,增强检测线圈输出的电压信号,提高实验装置的灵敏度,要求传递给激励线圈的信号具有一定的功率。功率放大电路的任务就是在信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率。在设计中采用LM1875集成功放芯片,电路如图3所示。正弦信号从低通滤波器输出后直接接入LM1875的正输入端,LM1875将此信号放大并送给激励线圈。其中,在对信号进行功率放大时,不仅要考虑使激励线圈得到尽可能大的功率以提高探测灵敏度,还要考虑输出波形是否失真以及功率芯片的散热情况。C1和R1构成耦合电路,避免级间相互干扰,使前级的输出信号可以几乎没有衰减地传递到LM1875的输入端。C2和C3是用来提高交流信号放大的品质的。假如在负输入端有漏直流出现,那么在R2上就有电压降,对整个功放电路的性能有影响,故串联C2和C3可消除影响。C4是消除高频噪声的影响,当信号频率升高时,容抗随着频率的升高而降低,故放大器对高频噪声的放大倍数减小,从而较小高频噪声的影响。R4、R5和C5用来消除瞬态失真。

2.3 信号处理部分的设计

2.3.1 基值抵消单元

由于激励电流为正弦波,目标物体产生的二次磁场也按正弦规律变化,从而在检测线圈中会感应到正弦电流。两个检测线圈的尺寸和位置不可能一致,其电气特性也不可能相同,所以两个检测线圈感应到的正弦电流会有不同的谐波失真,且失真不能完全对消。在对消基波之后,仍残留有高次谐波,而且线圈与线圈之间、线圈内各匝间都存在分布电容,两个检测线圈除流过电流之外,还流过微量的电容性旁路电流,并使它们感生出mV级的电压,使两个反串接的检测线圈的输出总是存在一定的残留电压,一般把残留电压称作基值。由于研究的目标物体微小,且特征信息微弱,很容易淹没在这种干扰信号中,所以系统设计了基值抵消单元。上电工作后,按下调整键自动对检测线圈输出的基值信号进行抵消工作。基值抵消通过MCU、D/A和A/D配合实现功能。首先,由A/D采集单元对底值信号进行采集,转换送到单片机;然后,单片机进行判断底值信号是否在设定的精度范围内,如果底值信号满足精度要求,退出底值抵消程序,否则启动D/A进行工作,直到基值信号满足要求。

2.3.2 差分放大电路

前面已经进行了放大工作,但是前期的放大是在抵消基值前进行的。为了保证与其它电路进行相应电平的匹配,需设计电路再次对检测线圈输出的目标信息进行放大处理,依据差动放大器能够测量和放大混杂在大信号中的小信号。因此,设计中采用高精度运算放大器OP-07组成了差动放大器。

2.3.3 精密整流电路

由于检测线圈输出的电压信号经过放大后还是交流信号,不便于进行后续处理,因此设计了精密整流电路,把微弱的交流电压变为直流电压。整流电路的输出保留输入电压的形状,而仅仅改变输入电压的相位,电路如图4所示。

2.3.4 比较器的设计

检测线圈的输出信号经过差分放大与抵消基值等处理后,送入比较器的正相输入端。虽然设有基值抵消电路,但是还会存在一些瞬态的基值。为此,设计了具有浮动阈值的比较器,它具有一定的干扰抑止能力,同时阈值也随着基值的变化而变化,保证比较器反转的稳定性,具体电路如图5所示。其中,比较器的两个阈值点分别是VT1和VT2。当没有目标物体时,点A处的电压信号始终低于点C处的电压,即点A处的电压低于阈值电压VT1,比较器输出始终为高电平。

当出现目标物体时,点A处的电压幅值开始上升,而点B处的电压反映的是残余基值的平均值的变化,也就是浮动阈值。点A电压高于VT2,这时比较器的输出为低电平,即输出电平发生负跳变。随着目标物体的移动,检测线圈的输出电压也在变化。当输出电压幅值逐渐减小时,点A处的电压随之减小,而点B处的电压不发生突变。当点A的电压减小到低于VT1时,比较器翻转为正,即比较器恢复稳态高电平。比较器输出的脉冲信号和单片机的TTL电平并不匹配,需要经过电平转换后送入单片机。

3 结论

1) 本系统检测机理是电磁感应原理。信号发生电路是整个检测系统的信号源,它的信号频率是否稳定将对整个检测系统的工作起着十分关键的作用。信号频率不稳定将给后继电路对信号的处理带来极大的困难,甚至使电磁检测难以进行,因此信号是否稳定直接和测量的结果相关。

2) 该系统的激励线圈的激励信号是由CD4046所产生的。由CD4046的VCO产生振荡信号不仅较稳定,而且能利用CD4046的锁频作用使激励线圈发射信号保持谐振,从而达到最优的效果。在基于矩形线圈激励的、具有交变磁场测量技术特点的电磁检测系统中,信号调理是一个重点和难点。

3) 由于信号的幅度小,拾取的信号差别大,动态范围宽,且信号的干扰源多,有时候甚至掩盖目标信号,很难辨识是目标信号还是干扰信号。因此,采用集成的高精度的测量放大器和滤波器等设计了前端电路,效果比较好。

参考文献

[1]史智兴.精播机排种性能检测系统及关键技术研究[D].北京:中国农业大学,2002.

[2]付永领,王占林,于小洋.高精度高可靠金属探测器[J].测控技术,1994,13(3):27-28.

[3]汤云舒,方明.电磁感应探测的灵敏度研究[J].锦州师范学院学报,2002,23(4):41-42.

[4]阿瑟B威廉斯.电子滤波器设计手册[M].北京:电子工业出版社,1986.

非接触检测系统 篇2

8.1 学习要点

1、了解常用控制电器的基本结构、动作原理和控制作用，并具有初步选用的能力。

2、掌握三相鼠笼电动机的直接起动和正反转的控制线路，并了解行程控制和时间控制，8.2 内容提要

8.2.1 常用控制电器

1、组合开关：有单极、双极、三极和四级几种，额定持续电流有8A，25A，60A和80A等多种。

2、按钮：通常用来接通或断开控制电路，从而控制电动机或其它电气设备的运行，常用的按钮有LA和引进的LAY等系列。

3、交流接触器：主要由电磁铁和触点两部分组成。触点可分为主触点和辅助触点两种。

4、中间继电器：结构和交流接触器基本相同，但电磁系数小，触点多。

5、热继电器：用来保护电动机使之免受长期过载的危害。它的主要技术数据是整定电流。整定电流与电动机的额定电流基本一致。

6、熔断器：选择熔丝的方法如下：

(1)电灯熔丝：

熔丝额定电流≥支线上所有电灯的工作电流；(2)电机熔丝：

熔丝额定电流≥

电动机的起动电流；

2.5电动机的起动电流

1.6～2如果电动机起动频繁，则熔丝额定电流≥(3)几台电动机合用的总熔丝

熔丝额定电流＝（1.5～2.5）×容量最大的电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和。

7、自动空气断路器：也叫自动开关，是常用的一种低压保护电器，可实现短路、过载和失压保护。8.2.2 笼型电动机直接起动的控制线路

1、控制线路可分为主电路和控制电路峡谷部分 主电路是：

三相电源－Q（刀闸开关）－FU（保险丝）－KM（主触点）－FR（热元件）－M（电动机）控制电路是：

1SB1SB2KM(线圈）FR（动断触点）2 KM（辅助触点）控制电路的功率很小，故可以通过小功率的控制电路来控制功率较大的电动机。

2、控制线路可以实现短路保护和零压保护。8.2.3 笼型电动机正反转的控制线路

最根本的要求是：必须保证两个接触器不能同时工作。8.2.4 行程控制

就是当运动部件到达一定行程位置时采用行程开关来进行控制。8.2.5 时间控制

就是采用时间继电器进行延时控制。

8.3 例题精选

例8.1 图8.1所示电路为三相异步电动机正反转控制电路，图中有错，试改正之。

图8.1 例8.1的图

解：图中的错误为

（1）熔断器位置接错，应在开关Q的下方，否则熔断后无法更换。（2）主触点KM2将三根火线都对调，不能实现反转，对调两根即可。（3）反转回路自锁触点应为KM2，联锁触点应为KM1。

（4）一台电动机只用一只热继电器作为过载保护，图中多用了一只，应去掉。例8.2 电路如图8.2所示，试分析下图所示电路，并回答：

1、该控制电路具有哪些功能？由哪些元件实现？

2、具有哪些保护环节？由哪些元件实现？

3、简要列写工作过程。

QFUSB1KMFSBFKMRFRKMFKMRKMFSBRKMFKMRFRKMRM3～

图8.2 例题8.2的图

解：

1、该控制电路能实现正反转控制；由SBF、SBR和KMF、KMR实现；

2、①短路保护，由FU实现；②过载保护，由FR实现；

③联锁保护，由串接在控制线路中的常闭触点KMF和KMR实现；

3、按下正转起动按钮SBF，正转接触线圈KMF工作，主触点KMF闭合，电动机正转(此时控制线路中的常闭触点KMF断开，防止反转)； 按下停止按钮SB1，电动机停止转动。

按下反转起动按钮SBR，反转接触线圈KMR工作，主触点KMR闭合，电动机反转(此时控制线路中的常闭触点KMR断开，防止正转)； 8.4习题选解

8.1 试画出三相笼型电动机既能连续工作、又能点动工作的继接触器控制线路。解：控制线路如习题8.1的图所示。

习题8.1的图

由线路图可知，按下SB2后，电动机连续工作，故SB2为连续工作起动按钮。SB3是双联按钮，用于点动工作。按下SB3时，KM通电，主触点闭合，电动机起动。因SB3的常闭触点同时断开，无自锁作用。松开SB3，KM断电，电动机停车。

[8.2] 某机床的主电机(三相笼型)为7.5KW,380V,15.4A,1440r/min，不需要反转。工作照明灯是36V，40W。要求有短路保护、零压保护及过载保护。试绘出控制线路并选用电器元件。解：控制线路如习题8.2的图所示。

习题8.2的图

[8.3] 根据图8.3接线做实验，将开关Q合上后按下起动按钮SB2，发现有下列现象，试分析和处理故障：（1）接触器KM不动作；（2）接触器KM动作，但电动机不转动；（3）电动机转动，但一松手电动机就不转；（4）接触器动作，但吸合不上；（5）接触器触点有明显颤动，噪音较大；（6）接触器线圈冒烟甚至烧坏；（7）电动机不转动或者转得极慢，并有“嗡嗡”声。

图8.3习题8.3的图

解：（1）接触器KM不动作的故障原因可能有以下几种： ① 三相电源无电； ② 有关相中熔断器的熔丝已断，控制电路不通电； ③ 热继电器FR的动断触点动作后未复位； ④ 停止按钮SB1接触不良； ⑤ 控制电路中电器元件的接线端接触不良或连接导线有松动。

（2）接触器KM动作，但电动机不转动的故障原因可能有以下几种（问题不在控制线路，应查主电路）： ① 接触器的主触点已损坏； ② 从接触器主触点到电动机之间的导线有断线处或接线端接触不良； ③ 电动机已损坏。

（3）电动机转动，但一松手电动机就不转,其原因是自锁触点未接上或该段电路有断损和接触不良；（4）接触器动作，但吸合不上，主要由于电压过低，也可能因某种机械障碍造成的。

（5）接触器触点有明显颤动，噪音较大的原因是由于铁心端面的短路环断裂所致，也可能由于电压过低，吸力不够。

（6）接触器线圈冒烟甚至烧坏，其原因有： ① 电压过高；

② 由于（4）中的原因接触器吸合不上，导致线圈过热而烧坏。

（7）电动机不转动或者转得极慢，并有“嗡嗡”声，这是由于某种原因而造成电动机单项起动所致。[8.4] 今要求三台笼型电动机M1，M2，M3按一定顺序起动，即M1起动后M2才可以起动，M2起动后M3才可以起动。试绘出控制线路。解：电路图如题解8.2.4的图所示。

题解8.4的图

[8.5] 在图8.5中，有几处错误？请改正。

图8.5习题8.5的图

解：（1）联接点1应接到KM上方，否则无法构成回路，控制电路无电源；（2）熔断器FU应接在Q下方；

（3）自锁触点KM应并接在起动按钮SB2两端，否则SB1不能使电动机停车；（4）控制电路中缺少热继电器触点，不能实现过载保护；（5）控制电路中缺少熔断器，不能实现短路保护。

[8.6] 某机床主轴由一台笼型电动机带动，润滑油泵由另一台笼型电动机带动。今要求：(1)主轴必须在油泵开动后才能开动；(2)主轴要求能用电器实现正反转，并能单独停车；(3)有短路、零压及过载保护。试绘出控制线路。

解：控制线路如题解8.6的图所示。

题解8.6的图

[8.7] 在图8.7所示的控制电路中，如果动断触点KMF闭合不上，其后果如何？如何用(1)验电笔；(万用表电阻档；(3)万用表交流电压档来检查出这一故障。

图8.7 习题8.7的图

解：如果常闭触点KMF闭合不上，则电动机反转不能起动。

(1)通电时，用验电笔测KMF触点，可发现右边发光，左边不发光。(2)在断电时，用万用表电阻档可测得KMF两端电阻为无穷大。

(3)万用表接KMF右端和SB1左端，有电压；接KMF左端和SB1左端无电压。[8.8] 将图8.8的控制电路怎样改一下，就能实现工作台自动往复运动？

图8.8 解：改造后的控制电路如题解8.8的图所示。

题解8.8的图

[8.9] 在图8.9中，要求按下起动按钮后能顺序完成下列动作：(1)运动部件A从1到2；(2)接着B从3到4；(3)接着A从2回到1；(4)接着B从4回到3。试画出控制线路。(提示：用四个行程开关，装在原位和终点，每个有一动合触点触点和一动断触点。)解：电动机M1和M2的正反转接触器分别为KM1F，KM1R，KM2F，KM2R。控制电路如题解8.9的图所示。

图8.9

题8.9的图

题解8.9的图

[8.10] 图8.10是电动葫芦(一种小型起重设备)的控制电路，试分析其工作过程。

图8.10 习题8.10的图

解：① 按下SB1，KM1通电，电动机M1起动，提升重物，此时按下SB2，则电动机停转；上升中有SQ1上限位，以保安全；

② 按下SB2重物下降；

③ 按下SB3，KM3通电，设备前移，前移中有SQ2前限位，以保安全； ④ 按下SB4，设备后移，后移中有SQ3后限位，以保安全。可见，升降，前，后移动均为点动控制。

[8.11] 根据下列要求分别绘出控制电路(M1和和M2都是三相笼型电动机)：(1)电动机M1先起动后，M2才能起动，M2并能单独停车；(2)电动机M1先起动后，M2才能起动，M2并能点动；(3)M1先起动，经过一定延时后M2能自行起动；(4)M1先起动，经过一定延时后M2能自行起动，M2起动后，M1立即停车；(5)起动时，M1起动后M2才能起动；停止时，M2停止后M1才能停止。

解 控制电路如题解8.11的图所示。

题解8.11的图

[8.12] 试绘出笼型电动机定子串联电阻降压起动的控制线路。解：主电路和控制电路如题解8.12的图所示。

打造全接触系统 篇3

A公司是一家线上手机销售企业，近期客户流失率明显上升，公司迫切需要解决这个问题。通过采集、分析客户信息和交易数据，企业获得了更多对客户的洞察，致力于为每一位客户提供个性化的体验。

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在此案例中，从B客户产生购买意愿到最终购买的过程，在很多环节B客户都有可能取消订单。正是由于A公司构建了全接触体系，可以在所有环节实时了解客户动态，随时调整互动节点，始终为B客户提供量身定制的个性化方案，使得营销变成一种服务，重塑客户体验，最终达成交易。

非接触检测系统 篇4

心率 (heart rate) 是用来描述心动周期的医学指标, 是指心脏每分钟所跳动的次数, 表征心脏跳动的快慢。 正常人的心率一般为60~100 次/min。 低于该范围称为心率过缓, 最常见的是窦性心动过缓, 分为生理和病理2 种, 前者是正常现象, 常见于运动、体力活动多以及正常睡眠状态的正常人; 后者需要治疗, 严重者需要安装起搏器。 高于该范围则为心率过速, 同样分为生理及病理2 种情况, 后者由感染、发热、贫血、低氧血症等引起。有报道显示[1,2], 人体心率区间的中低频段 (0.015~0.15 Hz) 与交感神经流出量有关, 而高频段 (0.15~0.4 Hz) 与副交感神经流出量密切联系, 二者的比值表征了流出量的平衡状况。 所以, 心率的获取对于临床具有重要的意义。 过去几年, 有关心率的检测手段及相关分析得到了广泛研究。 传统的采集方式有接触式电子和机械传感器, 例如心电图 (electrocardiogram, ECG) 等, 需要在人体接触式地放置电极, 且要求患者安静地平卧。 现在, 科研人员将目光转向心率的非接触检测技术上, 例如超声波以及电磁传感器, 这种非接触检测技术尤其适用于例如重度烧伤等特殊情况下的心率监护。 本文介绍了一种非接触式毫米波生物雷达利用I-Q正交技术, 采用基于非线性LM (levenberg-marquardt) 算法从中提取心率。

1 生物雷达的描述

生物雷达[3] (bioradar) 技术是运用雷达原理检测生命信号, 通过相关信号的处理方法, 提取生命体征信息的前沿技术手段。 其融合雷达技术、生物医学工程技术于一体, 可不需要任何电极或传感器实现间隔一定距离、穿透非金属介质 (砖墙、废墟等) 、探测生命信号 (呼吸、心率、血流、肠蠕动等) 。 I-Q正交雷达框图如图1 所示。

其中, 反射的毫米波直接被I-Q混频器零差转换。输出信号 (SI, SQ) 与相位 θ (t) 可以用以下公式展开:

式中, AI (t) 、AQ (t) 分别为I、Q通道的幅值, Sn I、Sn Q为噪声成分 (包含背景噪声和电子噪声) 。 对于正交混频器来说, AI (t) =AQ (t) , 故有:

我们可以把 θ (t) 表示成心动函数H (t) 以及含有呼吸和体动的联合噪声信号 ξ (t) ,

式中, ai是每个心跳时间 τi的中心点的幅值, N是心跳次数。 对联合噪声信号进行泰勒展开:

式中, ck为泰勒系数, M为展开阶数。

将公式 (4) (5) 代入 (1) (2) 中, 得出:

2 非线性LM (levenberg-marquardt) 算法

简单地说, LM算法[4,5]就是通过不断更新设定参数, 反复修正剩余误差, 主要目的就是找到最佳参数, 例如ai、Ii以及ck。 公式如下:

式中, j表示迭代次数;λ 表示控制参数, 其在每次迭代运算中不断矫正;J为 (SI, SQ) 一阶导数组成的矩阵;和为I-Q通道实测数据以及修正数据之间的向量差。LM算法的流程如图2 所示。

(1) 初始数据设置和λ=0.01、a0=1, c0=c1=0。

(2) 根据公式 (8) 计算参量, 并保存值。

(3) 计算χ2误差值, 并检验该值是否最小。

(4) 如果 χj2< χ2j-1, 则更新参数, 并设置λj=λj-1/10;否则, 维持原来的值, 并设置 λj=10λj -1。

(5) 重复步骤 (2) ~ (4) , 直到 χ2值小于阈值。

该方法完全适用于任意连续时间段的心动信号, 但对于实时监护系统来说, 只需截取一小段仅包含一个心动周期的信号作为标准参照值。 对单一心动周期实时分析心率的过程为: (1) 从数据中选取一小段噪声较小、 信号较理想的心动信号作为参考信号H (t) ; (2) 得到该截取信号的时间 τi; (3) 运行非线性LM判别算法, 流程如图2 所示, 计算出每次迭代的剩余误差 χi2; (4) 设置i=i+1, 并且重复步骤 (2) ~ (4) 获得所有的数值, 最后得到 χi2的最小值。

3 实验数据及结果

被测目标在2 m远的距离处, 分2 种测试状态: (1) 只伴有呼吸影响的心动信号采集; (2) 呼吸及体动影响下的心动信号采集。 对于每种数据, 都分别与对应的离散傅里叶变换 (discrete fourier transform, DFT) 进行对比, 其中采样频率是1 k Hz。

3.1 静止坐立正常呼吸状态

图3 所示的波形是被测目标静坐且自由呼吸状态下采集到的信号。 与此相关的展开后的相位图如图4 所示, 图中已经将LM最优化法的最小剩余误差点标出, 如图中的箭头所示。

剩余误差 χ2以及心动幅度ai见表1。

图5 所示为图4 片段6 号位置的LM算法的拟合结果, HR由每个心动周期的中心点时刻计算而来, 计算后的结果如图6 所示。 平均心率值HR=1.45 Hz, 平均误差a = 0.746 6, 标准差 σ = 0.224 1, , 其表征了正常心脏的跳动活动值, 较低的心率表明了稳定的心脏活动。 同时, 对信号进行了功率谱分析, 如图7 所示, 获得的峰值是HR=1.5 Hz, 其值与LM算法所得基本相近。

3.2 伴有体动的正常呼吸状态

实验对象未做静止要求, 其在坐立时伴有身体小幅度晃动, 并正常呼吸, 其波形如图8 所示。

采集时间大约6 s, 参考心动波段H (t) 与前面一样, 优化后的结果如图9 所示。 计算心率均值为HR=1.386 2 Hz (如图10 所示) , 平均误差= 0.953 5, 标准差 σ=0.404 8, 。 剩余误差 χ2以及心动幅度ai见表2。

相对应的, 离散傅里叶变化后得到的功率谱显示的结果中 (如图11 所示) , 无法获取频谱峰值。 可见在这种情况下, 简单的功率谱分析无法实现。

4 讨论

本文讨论了有关参数优化法在非接触生物检测领域中的应用, 通过对毫米波生物雷达I-Q通道上的数据进行LM算法矫正, 获得比较理想的信号, 可以去除呼吸造成的信号影响, 甚至在体动情况下也有较好的表现, 同时获得心率以及心跳幅度。 经过对比DFT分析获得的心率, LM算法更加抗噪, 尤其是在呼吸及体动的影响下, DFT功率谱无法获得心率, 而LM优化算法则表现优异。 可见, 相比传统的离散傅里叶频率变换法, LM算法具有的特点是: (1) 无需相位展开, 直接从I及Q通道来获得信号, 这对于信噪比较低的信号来说非常有利。 (2) 可以同时获得心动周期以及中心搏动幅值, 故对临床监护以及诊断有非常重要的意义, 尤其是在心血管疾病、 呼吸检测、烧伤患者体征获取、婴幼儿监护等。 例如在睡眠呼吸暂停监护时, 传统的方法可能无法判别患者正常的翻身动作, 从而误判呼吸状态, 导致监护失败。其次, 该方法也可以应用于多传感器随机运动抵消的研究当中, 即通过安装在上下或者前后的传感器同步采集信号并作LM处理, 以此来提高系统的可靠性。

5 结论

本文讨论了基于LM算法的参数最优化法来提取心率, 其输入信号来自生物雷达的I-Q输出端, 其中被测对象伴有呼吸以及体动的干扰, 证明了该方法对于一般噪声具有较强的抑制。 对静止呼吸以及伴有体动正常呼吸这2 种情况下采集到的数据进行了分析, 得到了理想的实验结果。 此方法基于I-Q双通道雷达系统, 无需相位展开操作, 故对于信噪比非常小的生物信号较为有利。 此外, 该方法不但可以提供心率, 还可以估算出心跳幅度, 这对于临床诊断非常有用。

参考文献

[1]Postolache G, Carvalho L S, Postolache O, et al.HRV and BPV neural network model with wavelet based algorithm calibration[J].Measurement, 2009, 42:805-814.

[2]McSharry P E, Clifford G D, Tarassenko L, et al.A dynamical model for generating synthetic electrocardiogram signals[J].IEEE Transactions On Biomedical Engineering, 2003, 50:3-7.

[3]张杨, 焦腾, 荆西京, 等.生物雷达技术的研究现状与新进展[J].信息化研究, 2010, 36 (10) :6-10, 13.

[4]Levenberg K.A method for the solution of certain problems in least squares[J].Quart, 1944, 2:164-168.

非接触检测系统 篇5

接触网是轨道交通的重要组成部分，主要为机车提供动力；接触网的连接件由于受外界因素的影响容易发生过热，严重时会导致供电中断，引发列车停运事故；红外热像仪可以在远距离对接触网进行温度检测，及时发现隐患，避免事故的发生。

什么是接触网？

接触网是沿线上空架设的向机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。

接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。接触网的分类大多以接触悬挂的类型来区分。我们所讲的接触悬挂的分类是对接触网的每个锚段而言的。接触悬挂的种类较多，一般根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。简单接触悬挂（以下简称简单悬挂）系由一根接触线直接固定在支柱支持装置上的悬挂形式。国内外对简单悬挂做了不少研究和改进。我国现采用的带补偿装置的弹性简单悬挂系在接触线下锚处装设了张力补偿装置，以调节张力和弛度的变化。在悬挂点上加装8～16m长的弹性吊索，通过弹性吊索悬挂接触线，这就减少了悬挂点处产生的硬点，改善了取流条件。另外跨距适当缩小，增大接触线的张力去改善弛度对取流的影响。链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。承力索悬挂于支柱的支持装置上，使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点，利用调整吊弦长度，使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致。链形悬挂减小了接触线在跨距中间的弛度，改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定性，可以满足机车高速运行取流的要求。为什么需要对接触网进行温度检测？

接触网连接件容易受到外界因素的影响发生过热，严重时会造成供电中断，引发列车停运事故，接触网的连接件发生过热的主要原因有： 1 氧化腐蚀。由于外部热缺陷的导体接头部位长期裸露在大气中运行，长年受到日晒、雨淋、风尘结露及化学活性气体的侵蚀，造成连接件导体接触表面严重锈蚀或氧化，氧化层都会使金属接触面的电阻率增加几十倍甚至上百倍； 2 连接件接头松动。导体连接部位在长期遭受机械震动、抖动或在风力作用下摆动，使导体压接螺丝松动。红外检测具有远距离、不停电、不接触、不解体等特点，给接触网日常维护保养提供了一种先进手段。Fluke已申请专利的IR－Fusion技术除了拍摄红外图像外，还同时捕获一幅数字照片，将其融合在一起，有助于识别和定位故障，从而能够在第一时间正确的修复故障。3 Fluke热像仪配备了功能强大的软件，用于存储和分析热图像并生成专业报告。通过该软件，可以对热像图中发射率、反射温度补偿以及调色板等关键参数进行调节，提高了检查的安全性和方便性。

如何能做好接触网的检测？

接触网安装于室外线路，其受外部环境干扰的因素也较多，我们建议： 1 检测时要注意尽量避免测量阳光直设，特别是避免正午进行拍摄。2 若在自动模式下热图不清晰，可先使用自动模式测量接触网的温度范围；然后手动设置水平及跨度，将温度范围设置在最小，并包含有先前测量的温度范围（各款仪器最小温度范围不同）。3 若现场有多个接触网连接件，请互相对比其温度，这样可及时发现接触网连接件的发热故障。

铁路电气化变电所、接触网检测建议方案

发布时间：10-05-04 来源： 深圳市煜高数控机械有限公司 点击量：37404 字段选择：大 中 小

目前，我国列车牵引方式有蒸汽机车牵引、内燃机车牵引和电力机车三种，其中采用电力机车牵引列车的铁路称为电气化铁路。电力牵引具有马力大，速度快、能耗低、效率高等特点，使用电力牵引的区段，运输能力明显提高，运输成本大为降低，同时，机车性能、工作条件等较内燃机车更好。是我国铁路牵引动力今后的发展方向。电力机车的广泛使用同时也使得在铁路系统上的设备越来越多，这样如何对电气或机械设备进行有效的检测，就成为当前的重要问题。

在铁路电气化接触网设备的各类故障中，电气烧伤故障因其事前难以发现而危害性又大，已越来越引起供电运营检修部门的重视。在电气化铁道中，接触网设备是在力与电的双重作用下工作的，所以机械故障和电气烧伤故障构成了接触网故障的主体。在接触网运行了多年、牵引运能不断增加的情况下，设备的电气烧伤现象已越来越突出，而且电气烧伤问题在事前又不易于发现，危害性很大。因此，在预防和防治接触网设备发生电气烧伤故障已成为供电运营单位为确保供电安全的一个重要任务。

二、目前电气化铁路行业检测手段：

接触网是一种特殊的供电设备.由于其结构和使用条件的特殊性，其故障也多种多样。对其故障现象、原因和应采取措施的研究有助于加强对其故障本源的认识，不断提高技术和检测手段，目前在铁路电气化牵引电气检测方面主要以红外线测温为主，但这种检测方式遇到的问题也非常多，给日常的检测工作带来了一定的不便。

三、电气烧伤故障问题原因分析：

① 在电气化设计中，虽对线路牵引运能的增加裕量有所考虑，但随着铁路运输发展，现在牵引运能的增加已超出了裕量。原采用的一些线索因持续载流量偏小而承受不了大电流的长期运行，就发生了电气烧伤。

② 接触网主导电回路由馈电线、隔开、隔开引线、承力索、接触线、电联接器、吸变、吸变引线等组成。各部分间由各种线夹进行连接，使这一回路沿铁路延伸，满足向电力机车供电的需要。主导电回路必须良好，才能保证电流的畅通;若存有缺陷，将引起局部载流过大、零部件分流严重，从而烧伤接触网设备。

③ 电气联接部分因连接不良或长时间运行松动等原因引起的电、化学腐蚀，造成主导电回路的截面(或当量截面积)不足，电气连接阻抗加大，从而导流不畅，烧伤接触网设备。如：将承力索纳入了电联接器电气导流的一部分;电联接线夹大小槽装反;线夹内有杂物;设备线夹间非面面接触等等。

连接线夹烧伤

④ 站场中的接触网结构比较复杂，在进行电气连接时，由于种种原因造成主导电回路不闭合、主导电通道迂回，引起分流严重而烧伤接触网零部件。

⑤ 设计的接触网结构中某些不应有电流通过的地方，而由于某些条件的巧合通过了全部或部分牵引电流。由于这些地方没有保证牵引电流(或其分流)通过的必要的电气连接，所以烧伤了接触网设备。

⑥ 立体交叉的线索、线索与支持装置间，由于线路阻抗的不同而形成电压差，在风力、温度变化、振动等因素的作用下，它们之间的距离不够，造成放电现象，放电电弧烧伤了接触网设备。

⑦ 两端属同相而不同馈线供电的绝缘锚段关节、分段绝缘器，因供电臂的阻抗不同而形成电压差，当电力机车通过受电弓短接两供电臂瞬间，在短接点处产生电弧，造成设备的烧伤。

⑧ 然而在施工时未严格执行有关标准，导致电联接器的结线不正确、线夹安装不标准。现行的检修规程中对电气联接的电气标准没有量化指标，使得供电部门在具体检修时“无章可循”。对电气联接缺乏行之有效的检测方法和手段，在具体检修中多是做些外观上的检查。工区存在“涂油”的认识误区。为防止设备检修质量验收时扣分，检修人员在平时检修时对接触网设备抹涂大量的黄油，致使设备的内部电气烧伤缺陷不能及时地被发现。如：为防止电联接散股扣分，在电联接表面抹涂上一层厚厚的黄油。对设备的巡视特别是夜巡工作执行不力。短线点平面布置图

四、各种电气装置如不提前预防事故的发生造成的后果：

① 电气连接线夹发热。原因是电联结线夹未按规定安装或在运行过程中发生螺栓松动、电力复合脂老化等缺陷，使电联结处接触电阻增加进而发热量增加，使线夹发热而烧伤线索，严重情况下烧断线索。

② 线索(接触线、承力索、供电线、回流线、吸上线)自电气接续部分断股或断开。

原因是站场股道电联结设置位置或数量不合理，使股道间接触悬挂在机车取流的情况下产生较大的压差，接触悬挂在软横跨上产生环流，从而在悬吊滑轮或定位器根部等电气薄弱环节产生拉放电伤现象。

③ 设备线夹、接头线夹、吸上线与轭流圈连接处烧伤。软横跨环流造成承力索悬吊滑轮处或定位器根部定位钩处烧伤。原因是不同悬挂问非稳定性接触也会造成线索问放电：当2不同悬挂立体交叉时.如果2支悬挂均为载流悬挂.当其中1支有大负荷电流时，根据潮流计算可知，在2悬挂问会形成电位差，此时如果2悬挂问存在非稳定性接触，则在2悬挂问就会产生过渡电弧进而烧伤线索。此种情况一般发生在站场交叉承力索问和非支接触线与工支定位管问。

④ 通过以上故障原因分析接触网既然是机、电合一的特殊供电设备，因此在运行过程中不可避免发生电气方面的问题。电气方面故障虽数量不多，但一旦发生，则会造成严重影响，甚至造成塌网、断线故障。

五、红外线测温在检测牵引供电中遇到的问题是：

①在检测变电所开关柜内部触头部位的时候必须要把开关柜的门打开才能检测，否则是无法完成检测工作的。

②在检测接触网电气连接部位的时候，需点对点进行检测，这样非常消耗时间，根据天气温度的变化检测结果容易出现误差。

③一些专业用户还提出红外线测温仪在使用过程中经常出现精度不高、反应速度慢、重复率低、远距离光斑瞄准困难等等。

从以上3点可以看出红外线测温技术针对电气连接部位过热的检测能起到一定的作用，但对这些部位松动早期也就是温度发生前是无法检测的，所以还要配合其他高科技检测产品来完成，比如超声波检测仪就可以在连接部位发生松动的初期但这时候还没有温度产生，就能检测到因松动发出来的超声波。

分段绝缘器

六、超声波工作原理：

超声波是声波大家族中的一员。

声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数(频率)甚高，超出了人耳听觉的上限(20000Hz)，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 2～5MHz之间，常用为3～3.5MHz(每秒振动1次为1Hz，1MHz=1000KHz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20，000HZ 之间)。

七、美国UE公司简介：

UE 公司出品的最出名的产品—即超声波检测仪器，其设计轻巧方便携带，可随时用来作泄露检测，机械分析以及电气连接部位检查，广泛应用于能源保护，预防保养，质量与安全保障系统等领域，提高了成千上万家大大小小的公司的生产能力.自1973年UE 公司成立以来，其机载超声波方面的领先技术在就在世界范围得到了认同，而UE公司也通过其经过严格训练、精通技术的国际销售代理为世界提供产品和服务。

UE公司产品的典型应用包括：泄露检测;真空与压缩，包括船驳上的压缩空气泄露，舱口和舱壁泄露;小汽车和卡车玻璃窗的隔音与漏水检测;飞机机舱的压力泄露检测。通过检测到的放电如电晕放电，电弧(电火花)放电等来确认电气连接部位的运行状态。

UE 公司的超声波检测系列仪器已经被默认为机载超声波检测仪器的标准，这些几乎是万能的仪器是当今世界上最畅销最被广泛接受的，代表了高品质与超性能。最新的一款数字型的Ultraprobe 10,000 是当今世界上最先进的超声波检测系统，也是唯一一款带数据管理、光谱分析软件提供时时录音与数据记录的功能的系统，使检测者能简单快速的报告分析与预测的结果。

UE系统的其它部门还有：UE培训系统，其提供世界一流并被认可的机载超声波课程;UE的服务合作伙伴，是高质量检测服务的提供者。

八、UE10000超声波检测仪：

Ultraprobe 10,000是个非常有用的超声波检测工具。它涵盖了一个非常广泛的设备操作范围，但是足够简单，以至于很多行业都愿意用这些工具来检测电气方面的问题，因为只需要简单的相关培训就可以熟练操作了。轻便灵巧。这些设备可以用作检测各种电气设备、绝缘件、电缆连接部位、接触网连接线夹等，能起到早期预防事故发生的效果。

超声波和红外线同时对电气化铁路接触网的消弧分段绝缘器、分相绝缘器、隔离开关、双耳楔型线夹、接触线点连接线夹、限位定位装置等做了现场检测红外线测温仪只测到隔离开关触头部位有不正常温度其他基本都在标准范围以内，超声波在电连接线夹、隔离开关、限位定位装置都接收到不同的超声波。从上面的对比检测不难看出超声波能在红外线测温仪检测出来温度之前就能检测到因绝缘损坏和松动产生的超声波信号。

好的检测手段和设备能起到故障早期预防和发生：

九、2003年-2004年全国牵引供电系统事故分析和解决方案：

2003年电气化铁路因为变电所故障所导致系统停电次数累计41次，停电1986分钟，停电平均时间为82分钟。2004年因为变电所故障停电次数为32件，停电902分钟，故障平均停电时间为68分钟，波及面和损失非常大。

针对牵引变电所的故障分析，可以采取以下措施来提高其供电可靠度：

①采用超声波检测仪器，提高设备的运行可靠性。认真做好日常运行维护工作，提高设备健康水平，运行人员加强巡视维护质量，可以及时发现或消除设备隐患，提高供电可靠性。

②全方位配合开展设备状态检修，利用绝缘在线监测、带电测试和超声波检测仪监测发热点等措施，加强对设备的监测工作。

2004年因接触网系统发生故障340件，累计停电31148分钟，故障平均停电时间为92分钟，占牵引供电系统故障的 91%;2004年因接触网系统发生故障停电274件，累计停电25160分钟，故障平均停电时间为92分钟，占牵引供电系统故障的95%。波及面和损失非常大。

针对接触网的故障分析，可以采取以下措施来提高其供电可靠度：

①设计标准，如风速选值，最大受风偏移量，接触网最大跨距，锚段长度，下锚偏角，设计拉出值等技术参数都需要认真研究。

②选用耐腐蚀的优质材料，采用表层防腐处理，定期清扫接触网。

③有计划地对接触网上的各个连接部位及线夹进行有效的实时监控，利用超声波检测仪及时发现线夹松动和绝缘损坏的早期放电现象，起到预防设备故障的发生。

十、超声波在国内外针对电气化牵引供电现场检测中检测出来的问题：

①UE超声波检测仪在中铁电气化运营公司济南维管段变电所高压室对馈线母排进行了检测，发现因松动发出的超声波，运行工人利用绝缘棒对松动的母排进行挤压，超声波信号消失，下来对松动部位进行加垫片紧固后超声波信号完全消失。

②UE超声波检测仪在中铁电气化运营公司南昌维管段对变电所――接触网之间的馈电线连接部位进行了检测，利用仪器的调节旋钮把设备周围的电磁场声音屏蔽后，能清晰的听到连接部位因松动发出的连续放电声音，要求运行人员到检修时间着重对此部位进行检修。

③UE超声波在中铁电气化运营公司秦沈维管段220KV变电站高压室现场检测中，发现穿墙套管有异常声音，输电线绝缘子串有因机械松动发出的电晕声音。

④UE超声波检测仪在广州东站检测户外开闭所现场，对户外开闭所5#柜进行了超声波扫描，延柜门缝隙进行逐一扫描，听见有不正常放电声音，具体声音是连续的“油炸”声，和负责人了解后，初步判断是上隔离开关动静触头部位有松动导电不好或没有闭合到位产生局部放电，建议下次检修时重点检查上隔离开关动静触头以及排查断路器熔断装置。在对9#柜进行逐行扫描时也听到上隔离开关有轻微的“油炸”声，造成这种声音的原因和5#柜一样是隔离开关开关动静触头接触不好有松动造成局放，但声音没有5#柜那么严重，建议下次检修时排查下9#柜的上下隔离开关和断路器。通过扫描，未发现接收到其他柜的超声波信号，属于正常。

⑤在对接触网上的电连接器进行初步扫描时，发现离开闭所4米左右内一处电连接器有“油炸”声，通过超声波远距离扫描模组一对一扫描时，声音更加清晰，后和现场工作人员了解后，诊断为螺丝没有拧紧松动造成，建议下次维护时对该电连接器进行重点检修，其他电连接器和绝缘子没有收到异常超声波信号，应属正常。

⑥在高压室里对变压器、隔离开关、支撑绝缘子、母排、穿墙套管等连接部位进行扫描时，发现靠西面房间问题很多，主要在隔离开关的连接部位还有穿墙套管的接线板部，持续的“油炸”声是连接部位松动造成的，如果这样长时间运行，除了耗能外，因为局放产生臭

氧和氮气形成硝酸根，对电气设备进行长时间的腐蚀，严重的后果是产生电弧造成电气的烧伤。现场工作人员也拿着设备进行全面的扫描，问题确实存在。在对东面房间进行扫描时，没有西面那么严重，但也有轻微响声，特别值要注意的是第三跟穿墙套管有松动现象，听见连续的“油炸”声。作为UE超声波检测仪器的厂家代理，我们本着负责的态度提醒了现场人员，下次检修时必须严格检修，松动地方要赶快按照要求清洁后涂抹导电膏螺丝拧紧，需要更换的部件一定要更换。

十一、结束语：

电气化铁道中，接触网线路是在力与电的双重作用下工作的，机械故障和电气烧故障构成了接触网故障的主体。由于各种原因，电气化线路已经多次出现吊弦、电联结、接触线、承力索等电气烧伤。因烧伤后不易发现，烧伤部位长期通电运行，最终导致烧伤部分超限，从而引起接触网断线等事故发生。因此，如何防治接触网设备电气烧伤是关系电气化铁路正常运营的一个重要课题。

非接触检测系统 篇6

汽车上的人机交互系统可以说是信息技术高速发展的产物，它帮助我们实现了人与车之间的对话和沟通功能。车主可通过人车交互系统，轻松把握车辆状态信息，如车速、里程、当前位置、车辆保养信息等、路况信息、定速巡航设置、蓝牙免提设置、空调及音响的设置等。让自己对于这个亲密爱车的状态随时了如指掌，在“她”就要发些小脾气的时候就立刻安抚她，让她时刻保持最佳状态，为你提供最High的服务。

早期，汽车上并没有所谓的的人机交互系统，一般只是配置有听音乐的CD机和收音机等，用户最多就是控制下音乐播放等，完全是单向的操作，“交互”二字无从谈起。而随着信息技术的高速发展，有越来越多的功能被集成到车载多媒体系统上，如车辆的行驶信息，定速巡航、蓝牙免提，空调音响等等，驾驶者和汽车的电子系统之间有了更多操作的可能，而且用户会根据车载多媒体系统所显示的信息来调整自己的驾驶状态等。可以说这个时候的车载多媒体系统已经具有了人机交互系统的一些雏形，但离完美的人机交互系统似乎还缺少一些内容。

移动互联系统的高速发展终于为我们带来最为完美的人机交互系统。随着现代汽车工业和电子技术的发展，车辆导航、通信、移动办公、多媒体娱乐、安防辅助驾驶和远程故障诊断等功能电子系统可以通过网络技术联网形成车载信息网络系统。未来的汽车仪表系统向着集成化、智能化、全图形化车载信息系统平台的方向发展。未来的车载信息系统平台将全面超越传统汽车仪表的现有功能，系统主要功能包括：全图形化数字仪表、GPS导航、车载多媒体影音娱乐、整车状态显示、远程故障诊断、无线通信、网络办公、信息处理、智能交通辅助驾驶等等。未来的车载信息平台是人、车、环境的充分交互，集电子、通信、网络、嵌入式等技术为一体的高端车载综合信息显示平台。

学大师泰戈尔曾经说过：“世界上最远的距离，不是生与死的距离，而是我站在你的面前，你却不知道我爱你！”。这句话并不只是适合形容亲密爱人的，对于与现代都市人的生活最为密切相关关的汽车来说，也非常合适的。因为当我们驾驶着爱车高速行驶在坦途上，我们仿佛都已经是躺在了爱车的怀抱中，却不知道自己的爱车再想什么，甚至爱车已经处于一种高度危险的状态时，我们也毫无察觉，这是多么可怕的一件事情啊。这个时候，你所需要的，是一部具有高科技含量的人机交互系统！

对于目前火热的智能手机来说，移动智能操作系统已经到了激战正酣的时候，iOS、安卓和WP8已经基本形成了三足鼎立的局面，而对于另外一个要求更高，使用环境更苛刻的环境—轿车驾驶室，人机多媒体信息交互系统似乎还是一个空白。但无论是高科技电子公司，还是汽车制造商，实际上都已经瞄准了这个领域，卡迪拉克、福特可以说就是其中的代表厂商之一。移动战境，一触即发！

奥迪MMI多媒体交互系统

奥迪轿车上的MMI系统（多媒体交互系统）是在一个显示屏和一个操作系统中，巧妙地融合了所有信息娱乐部件的操作。通过精简控制器数量和执行统一逻辑，MMI可以迅速、方便、直观地使用大量功能和技术。MMI是所有信息娱乐部件的控制点，包括车载电话、手机、收音机、导航设备或电视等功能。虽然功能不断增加，用户指南却保持一贯简单明了的风格，系统操作符合逻辑且简单易懂。组合式旋转控制器/控制按钮是MMI的核心部件，该按钮四周配备四个控制键。在控制单元两侧，共有八个功能键，可用于直接选择主菜单。通过八个永久赋值功能键可以控制系统的主要功能―娱乐、通讯、信息与车载系统控制。在各个菜单下，驾驶者可通过旋转/按压控制键激活所需功能，菜单结构设计合理，采用直观操作逻辑。

MMI系统采用了以直观操作为主导的偏移控制板和一部6.5英寸TFT彩色显示器，分辨率为400×240像素。可选MMI Navigation Plus是奥迪A5、奥迪A6、奥迪A8和奥迪Q5产品系列的亮点。集成硬盘拥有10GB的存储空间，与MMI控制板互补，两部SD存储卡插槽每部可支持容量最高达32GB，方便车主存储自己喜欢的音乐。醒目的三维地图不仅能够显示地形信息，还能以三维图形方式显示城市模型与标志。而音响方面则是采用了DSP音响系统，配备6声道功放（2×40W+4×20W），前门和后门配备10部扬声器。导航系统采用了高级可视化地图，提供数个显示选项。采用TMC（如可用）和存储的当前交通报告提供动态路线指南（TP存储器），导航系统的语音对话系统也可将目录条目用作目的地。车主可使用语音对话系统对目录、电话（如定制）和带有姓名拼写输入的导航目的地进行语音控制电话功能。可通过MMI控制大部分电话功能。可通过SD存储卡播放MP3与WMA音乐文件，通过播放导航DVD的DVD光驱播放音频CD、MP3与WMA格式的音乐。

宝马iDrive系统

车辆控制系统的主要任务是给驾驶者提供有力支持。而宝马的iDrive将车辆的功能按钮重新布局，最常用的功能都分布在方向盘上和周围，全新的操控方式最大程度地方便了驾驶者。iDrive可控的功能包括指示器、风挡玻璃刮水器、大灯控制、基本音响系统和通讯控制等。作为驾驶者，您无需将手从方向盘上拿开，关键驾驶数据如速度和导航方向等都在视线之内，通过信息显示器或平视显示系统显示。从空调器和导航设置到BMW在线支持和悬架设置的大多数其他功能都通过中央控制器启动：中央控制台中提供一个单独的旋转按压式刻度盘。它通过与仪表板中上部的控制显示屏精确的对话实现直观的操作。中央控制器可只用一只手操作，并提供触觉反馈，因此车主甚至不用看它即可以使用。车厢内后部的第二个控制器使后座乘客可以根据需要使用娱乐、舒适、多媒体和导航系统。

凭借防眩控制显示屏，车主可以在驾驶时迅速、便捷地掌握所有重要信息。控制显示屏可将所有功能清晰直观地显示出来，并可通过iDrive控制钮操控。这一系列功能包括来自车载电脑的信息、声音系统和收音机的设置、导航系统给出的提示、以及BMW在线支持提供的当前交通信息和车辆的当前售后服务状态。透返式液晶显示屏提供出色的对比度以及在所有角度和光线条件下均显示清晰的防眩影像。一个亮度传感器测量座舱中的亮度并自动调整控制显示屏，确保显示器在阳光直射下的清晰易读，以及座舱黑暗时不致过亮。主菜单清晰地划分为四个类别：通讯、导航、娱乐和气候。其逻辑结构结合iDrive控制钮，确保了便捷、直观的全部功能操作。控制显示屏有两种尺寸可供选择：6.5英寸或与导航功能或电视选择装备关联的8.8英寸。它的智能设计让车主可以始终专注于驾驶乐趣。

作为iDrive系统的中央控制工具，中央控制器被舒适地定位在中央控制台上，驾驶员和前排乘客都很容易触及。它的旋转按压式操作模式实现了单手的直观操作。这个实用的控制系统使车主可以操作众多车辆功能。即使是长列表，也可以快速顺畅地滚动浏览。控制显示屏清晰呈现当前菜单选项和相关数据的视觉信息。此外，中央控制器的智能触觉反馈，支持完全触觉操作，从而使驾驶员始终将注意力集中在前方道路上。

沃尔沃 Sensus多媒体信息交互系统

众所周知，北欧的设计理念是“以人为本”，而沃尔沃 SENSUS多媒体信息交互系统的设计和开发理念是：“让驾驶者不用看说明书就能操控该系统，从而能够真正享受驾驶乐趣。”该系统在美观和功能集成方面完全可以媲美其他高档轿车的多媒体人机交互系统。SENSUS系统的设计充分考虑人体力学，整个操作界面向驾驶者方向倾斜，所有按键都在手指触碰范围之内，让车主把精力更多集中于前方路面，从而保障行车安全。借助方向盘控制键，驾驶员要运行系统功能时不需要将手移到中控台的控制键上，所有功能都可以随时通过方向盘控制键调用。此外还增加了一个创新的带按下功能的滚轮、一个退出键和一个静音/语音键。使用滚轮可在列表和菜单中上下滚动或使地图放大缩小。按下滚轮可输入激活的源菜单或激活所选的项目，如选歌、接听来电、选信号源、设置、预置电台等。

方向盘上的导航控制键还方便了限速器的设置。其中Volume/Tuning（音量/调谐）旋钮与只有这两个旋钮的传统收音机同样好用，但现在有了更多的功能。用音量旋钮可以接通/关闭电源，并方便地滚动显示播放表以及放大/缩小地图；MEDIA（媒体）由此选择所收听的音乐是来自CD、iPod/USB还是AUX插口连接的装置。在此还可以调用DVD播放器和TV调谐器；TEL（电话）对音量2、3和4可调用蓝牙电话。搭配导航系统可提供语音控制。还可用来通过集成的蓝牙免提系统打电话；RADIO（收音机）可接收AM、FM广播，还可收听预置无线电台和现场波段。在屏幕上显示无线电频率、电台名称和节目内容；MY CAR（我的汽车）通过此键可以调用所有的高级系统设置，如城市安全系统、自适应巡航控制系统、带全力自动刹车和行人探测功能的碰撞警示系统、驾驶员警示系统、盲点信息系统、灯光、后视镜、空调、中央门锁和音响等。按MY CAR键一次第一选择是快捷方式，可以激活/停用安全装置，既方便又安全；NAV（导航）可直接调出导航地图，有不同颜色的鸟瞰图和各种细节，都显示在高清晰彩色屏幕上。为方便设置目的地，设有语音控制功能；CAM代表驻车辅助摄像头。按此键可选择后视图或后视图变焦。

打造 你的人机交互系统

随着互联网和I T企业大举进军智能汽车人机交互系统，在车联网世界力求占据有利位置的同时，一些汽车制造商也在进行着一场声势浩大的保卫战，试图保住自身在汽车这个传统行业中的主导地位。比如说福特汽车就和微软一起推出了车载信息系统SYNC，在今年拉斯维加斯举行的2013国际消费电子展CES上，福特汽车正式宣布启动“福特开发者项目FordDeveloper Program”，为手机应用程序开发者开放福特SYNC AppLink平台，为他们提供一个开发车载应用程序的机会。已经有超过2500位开发者进行了注册，这也是目前唯一的一个由汽车制造厂商启动的类似项目。手机应用程序开发者在developer.ford.com注册之后，可以成功下载AppLink软件开发包。开发包内包含代码管理器以及应用编程接口的相关文件，这将用于手机应用与车辆之间的双向交流，还包括驾驶人语音命令等。福特工程师将提供相应的技术支持，开发者们还将能够通过在线论坛互相交流经验。开发者们研发的应用程序将经过福特工程师团队的审核，以确保它们与车辆的兼容性。福特随后会与开发者一道，为应用程序申请发放认证证书，之后即可投放到相关市场。

作为一项主要内容，福特汽车发布软件开发工具包（SDK），以帮助程序员编写可用于福特SYNC AppLink系统的应用。通过福特的AppLink SDK创建的应用能和福特汽车方向盘上的按钮和车载语音识别程序一起搭配使用，双向通信。福特应用中心也将有一个审批过程，看起来会更像Apple公司应用中心。另外，某些类别的应用（尤其是会分散驾车司机的应用）将被禁止，比如游戏、特吸引注意力的视频和其他需要大量阅读文字的应用。该项计划不只是针对开发者的，福特汽车宣布开放SYNC AppLink API以后，更多的第三方公司也能针对汽车特性开发更多的手机应用。目前通过SYNC可以访问Amazon Cloud Player提供流媒体播放服务，用户通过智能手机上的Amazon MP3 App可以与SYNC连接，使SYNC可以访问云中的整个音乐库，并通过语音指令进行播放控制。同时，福特也宣布将有九款新应用加入到SYNC系统中，包括资讯应用《华尔街日报》和《今日美国》、亚马逊的娱乐应用云播放器、导航应用Glympse等。

如果说老牌豪车制造商的人机多媒体交互系统的功能还主要集中在多媒体娱乐、道路导航和汽车安全系统检查等方面上，无疑有一些汽车品牌会看得更加高远一些。因为他们所开发的人机交互系统已经具有了移动互联的功能，为用户带来了近乎是目前大屏智能手机或平板电脑的使用体验，而且这些多媒体人机交互系统里也可以下载很多不同类型的应用，甚至是个人自行开发的应用等。在这个方面，凯迪拉克、福特无疑是走在最前面的两大汽车制造商！

凯迪拉克CUE移动互联体验系统

作为凯迪拉克品牌一项重要的创新科技，CUE移动互联体验配备于新推出的凯迪拉克XTS以及全新SRX上，并将在未来凯迪拉克旗下车型上陆续普及运用。CUE自2008年开始研发，它全面整合了移动互联、导航、通信、娱乐及车辆控制等多种功能，首次将汽车打造成一个最大的个人移动终端。凭借震感的视觉呈现，直觉而便捷的操作模式，人、车、网络以及多设备间的无缝互联和开放的系统平台，CUE将为用户带来无以伦比的人车沟通体验。其中，多点触控、接近感应、触觉反馈操控界面以及可自定义的液晶显示仪表盘、语音辨识等众多前沿科技均是首次在汽车领域应用。

CUE系统采用了高亮黑化中控面板，展现科技的简约豪华，简约科技钢琴镜面设计，豪华与科技并存，盾形立体金属键简约时尚。CUE的12.3英寸的个性化驾驶员信息中心为车主提供了4种个性化仪表显示界面（均衡版、简易版、性能版、加强版）。让车主会更感心动的是CUE配备了媲美战斗机座舱的HUD显示仪，在轿车的前挡风玻璃上即可显示彩色的行驶信息。

CUE系统实现了多种方式的人机交互系统，其中包括有手势接近感应（感应式智能菜单功能，手势接近自动弹出）；触屏振动反馈（触控面板采用全电容设计，以脉冲振动回应使用者），隐藏式收藏夹（多达60组的功能收藏，收藏内容可自由移动、排序、编辑）；人声语音控制交流（语音输入可控制地图导航、拨打电话和音乐播放）。多点触控操作结合全电容设计触控面板实现人性化多点手势操作，五维控制按键让车主手握方向盘同时完成对CUE全功能操作。CUE能与多达10种蓝牙设备相连接，并能与USB、SD卡、MP3播放器等相连。CUE的云互联可联网自动更新，信息可以让驾驶员第一时间掌握，人车远距监控系统可运用通讯工具远程监测、操控车辆。CUE采用了服务开放和应用开放的策略，未来，开放的功能带来无限尊享的服务，而应用开放可打造开放式的CUE Store，实时升级体验最前沿应用。

专访凯迪拉克陈威旭

对于汽车上刚刚兴起的移动互联人机交互系统，凯迪拉克的CUE无疑是目前最受关注的产品之一，它为XTS、SRX等新车带来的至酷至炫仪表板，轻松自如的操作方式，丰富全面的应用体验，都让人充满了惊奇与好奇。而想要了解隐藏在CUE系统背后的故事，无疑专业人士的解答是最好的答案。因此本刊记者特别专访了上海通用汽车凯迪拉克市场营销部部长陈威旭（Kevin Chen）先生，请他来为广大读者解读神奇的CUE系统。以下DP代表《数码精品世界》，Kevin Chen代表陈威旭先生。

DP：CUE是在以前产品基础上开发的还是完全一套全新的人机交互系统，开发周期是多长时间？

Kevin Chen：凯迪拉克在车载人机交互系统方面一直处于行业领先地位。除了已经得到大家广泛认同的On Star安吉星外，凯迪拉克CUE移动互联系统，同样将为使用者带来革命性的驾乘体验。

CUE移动互联系统的研发最早始于2008年，在初始阶段，系统设计师们对32名驾驶者进行了长达6个月的追踪调研，针对他们的驾驶习惯记录下海量数据，然后由工程师和设计师们基于这些数据展开研发，并最终通过先进的技术应用，即首次在汽车领域运用多点触控、接近感应、触觉反馈操控界面以及可自定义的液晶显示仪表盘、语音辨识等众多前沿科技，从视觉、直觉、互联、开放四大方面为使用者带来全新的移动互联体验。

DP：请问凯迪拉克此次大力推广CUE系统，是否说明人机交互将成为车企未来一个主要研发方向？

Kevin Chen：车联网是汽车未来发展的一个必然潮流和趋势。现在很多汽车企业宣传的车联网还处于概念阶段，真正做到位的企业并不多。可以说，在车联网技术上，凯迪拉克已经走在了前面。因为CUE移动互联系统已经作为凯迪拉克产品的一项领先配置，全部标配在新推出的凯迪拉克XTS以及全新SRX上。今后也将陆续运用在其他新车上。

CUE移动互联体验的出现将车载移动互联系统从“石器时代”带入“四维时代”，即凭借视觉、直觉、互联、开放的人车沟通模式，为车主带来革命性驾乘体验，引领了未来汽车智能化发展方向。更为重要的是，凯迪拉克CUE移动互联体验为车主提供了一个更加开放的平台，在这一平台之上，可以不断的完善和升级，甚至打造专属于CUE的应用程序，车主可以通过CUE应用商店下载获取，真正改变了人们与车辆的互动和沟通。

DP：CUE系统的操控采用了手势接近感应、触控屏幕和人声语音控制等交互方式，另外移动互联可以实时更新信息、数据，这样是否会分散驾驶者在行驶中的注意力？

Kevin Chen：恰恰相反。车载互联系统与普通的移动终端设备有很大区别。开车时，需要让驾驶员尽可能集中驾驶，因此车载移动系统的界面、操作需要直观化、直觉化、简易化。你提到的三种控制方式都是为了更好适应车载环境需求，简化车主操作。除此之外，我们在方向盘上还集成了一个五维按键，配合仪表盘上的液晶屏幕，手不离方向盘，眼观路面耳听八方就可完成CUE的全部功能操作。同时凯迪拉克还全系标配了On Star安吉星系统，可以自动下发导航信息到车载地图或进行声控领航和语音电话，所有这些设计都是为了让操作更简便，更好保障行车安全。

DP：CUE系统是否会有针对中国用户优化后的版本？

Kevin Chen：目前推出的CUE移动互联系统已经根据中国消费者的需求进行了本地化，包括操作系统语言、地图信息、周边兴趣点、中文语音控制等都已经进行了优化。

因为CUE系统是基于Linux来开发的，所以就像我们的手机操作系统一样，可以不断进行更新和升级。随着凯迪拉克更多新车型在中国上市销售，我们会收集到更多的中国用户反馈，根据这些用户的反馈内容，我们也会对操作系统进行不断的优化和用户体验提升。

福特SYNC车载多媒体通讯娱乐互动系统

福特新款蒙迪欧和翼虎等车型采用了一系列先进的创新科技，其中特别值得一提的就是车载多媒体通讯娱乐互动系统（SYNC和MyFord Touch），新款蒙迪欧配备的SYNC是一款高度集成且具备语音识别的车载信息交互平台。SYNC为消费者提供了很多实用的语言指令，让消费者在驾车途中“双手不离方向盘，双眼不离前方路”，更加集中注意力开车。同时，消费者可以用语音命令拨打和接听电话、连接上最爱的音乐播放器并用语音进行操控、用语音命令查阅电话簿、语音播出短信内容、聆听蓝牙设备中音频内容等。而MyFord Touch系统由一个8英寸的触摸屏和1个位于仪表板的LCD显示屏组成，把娱乐、通信、导航及空调等相关的信息都以不同颜色一目了然地标示在触摸屏上，只要轻轻一按，就可以轻松实现免提通话、语音发送短信、搜索并播放音乐、电台及有声读物、调节车内温度等。消费者还可以用MyFord Touch进行个性化设置，调节语音指令层级或是将希望看到的信息展示在LCD显示屏上等。

不同于普通的巡航系统，新蒙迪欧搭载的智能自适应巡航控制（带碰撞预警和碰撞缓解制动系统）能够自动调节车速。当前方无车时，会保持在设定车速；当前方有车时，智能自适应巡航系统会自动调整车速并与前车保持设定的距离。智能自适应巡航系统采用微波雷达，实时性好，探测角度范围大，在提升燃油效率的同时，减少疲劳驾驶，对于用户在常规高速公路驾驶非常实用。新蒙迪欧所配备的紧急救援（EA）是福特在亚太市场提供的第一项连接服务，在车载多媒体通讯娱乐互动系统（SYNC和MyFord Touch）原本的娱乐功能基础上增加了安全功能。当紧急救援功能处于开启状态且正常工作时，如果车辆发生严重碰撞事故导致安全气囊打开或油路中断的情况下，该功能被激活。系统会通过已连接的手机自动拨打福特紧急救援呼叫中心，并将连接的手机号码和车辆的位置提供给紧急救援呼叫中心话务员。呼叫中心话务员在和用户通话或通话线路接通且尝试通话后，联系相关公安部门并建立三方（即用户、呼叫中心及公安部门）通话，最终由当地公安部门组织援救。长安福特是首家终身免费提供此覆盖全部中国大陆地区的紧急救援系统的厂家。

福特轿车上的SYNC人机交互系统也是一套在业界非常有名的高科技系统，而且是福特公司2008年开始就与微软公司一直在联合研发，因此对于SYNC系统想必很多人都充满了期待。本刊记者也特别邀请到福特公司的相关专业人士，对SYNC系统这个强强联手的产物进行了解读。

DP：福特汽车上的SYNC系统是从2008年就开始与微软公司一起研发的，请问目前最新的福特轿车上的SYNC系统已经是第几代的产品，每一代都具有什么样的特点？

福特：目前最新的SYNC系统为第二代SYNC系统。第二代SYNC系统相比第一代SYNC系统增加了MyFord TouchTM系统，整个MyFord TouchTM系统提供了多元的人机交互方式，包括：中控操作面板，方向盘操作按键，8寸WVGA的触摸屏（比例为15∶9，分辨率为800×480）以及语音操作方式，操作起来就如同操作一部智能手机那么便捷。用户可以根据自己的喜好，自由选择中文或者英文的触屏操作界面。强大的中文语音指令集可以实现免提通话、语音发送预设短信、搜索并播放音乐及有声读物、操作收音机、调节车内温度等功能。用户还可以对该系统进行个性化设置，调节语音指令层级或是将希望看到的信息展示在液晶显示屏上等。新蒙迪欧的车载多媒体通讯娱乐互动系统，给中国用户带来了中文的用户界面、中文的语音识别与合成以及中文导航系统，并且具有更快的系统响应速度，和更稳定的系统表现。

DP：我们注意到除了SYNC系统外，还有一个MyFord Touch系统，请问为什么会考虑有两个系统，是否考虑后期把两个系统做一个整合？

福特：SYNC和MyFord Touch统称车载多媒体通讯娱乐互动系统。该系统是一款具备语音识别功能的车载信息娱乐智能交互平台，为用户提供了丰富且实用的语言指令，能令用户在驾车途中轻松保持“双手不离方向盘，双眼不离前方路”的安全驾驶状态。

DP：2012年1月10日，福特汽车宣布推出开源车辆应用研究平台OpenXC，并且宣布启动“福特开发者项目FordDeveloper Program”，为手机应用程序开发者开放福特SYNC AppLink平台，为他们提供一个开发车载应用程序的机会。请问是否有计划招募针对中国的开发团队进行App的研发与制作，以后是否会有特别针对中国用户的版本？

福特：一月份在北京福特公司的互联技术部门跟百度合作，举办了一个叫黑客马拉松的活动。其实并不是进行黑客活动，而是他们开发这个技术，针对福特的车型开发各种不同的App，有关于燃油经济性的，或者娱乐系统的，或者是导航系统的，鼓励福特和百度的工程师组成小组，我们提供平台支持。希望他们能在这个基础上开发出来更多的App，为以后福特的车主用到。他们组成各个小组，要作出不同的计划，根据他们的想法开发出App，最后他们有一个竞赛，有评委进行评选，会有获胜的团队。有上百位工程师，百度的和福特的工程师共同来参加这个比赛，这个是在中国举办的。

人车合一新体验

非接触检测系统 篇7

1 系统的整体设计

基于CCD的非接触尺寸测量系统的工作原理:在白天环境光的照射下, 利用平行发光管两个日光灯增强光照强度, 首先要对该测量系统进行校准, 从而保证零件被检测面的法线方向与物镜的轴线基本重合, 在测量时采用小角度轴向光照明的方式照射被测零件;然后零件的反射光通过标准镜头成像到CCD摄像机上, 通过CCD图像传感器光信号转化为模拟信号, 再利用图像采集卡把模拟信号转换成数字信号, 并通过PCI总线传送到计算机内部;最后利用Lab VIEW开发环境下开发的仪器软件模块读取图像信息, 对采集的图像进行预处理和边缘检测, 提取出有效的轮廓, 再根据标定结果, 完成尺寸测量, 并选定Microsoft Access作为后台数据库, 与数据库相结合对测量结果进行数据读取、写入、存储、显示。系统结构如图1所示。

2 图像处理

采集系统捕获的原始图像, 往往会因为各种因素含有噪声和干扰, 图像的边缘不够清晰, 为了得到可供尺寸参数测量的清晰的边缘轮廓, 需进行图像处理。

2.1 滤波平滑

选用二维快速中值滤波算法, 即用某种结构的二维滑动模板W (i, j) , W (i, j) 表示中心位于 (i, j) 的窗口, 把窗口中心位置在图像上逐像素移动。将板内像素按照像素值的大小进行排序, 生成单调上升 (或下降) 的二维数据序列。找出中间值;若当前中心在 (i, j) , 则滤波后图像 (i, j) 像素之值为窗口w (i, j) 内所有像素的中值, 输出即为

式中:f (x, y) , g (x, y) 分别为原始图像和处理后图像数据。

2.2 图像锐化

采用拉普拉斯锐化法, 对去噪后的图像进行锐化处理。拉普拉斯算子是二阶导数的二维等效式。图像灰度函数f (x, y) 的拉普拉斯公式为

假设i对应x方向, j对应y方向, 使用差分方程对x和y方向上的二阶偏导数近似如下

同理可以得到根据式 (2) 、式 (3) 推出两个方向上的近似8邻域拉普拉斯算子的掩模板

2.3 图像阈值分割与区域填充

由于非接触测量系统使用的是黑白CCD摄像机, 拍摄的是灰度图像, 为了便于处理, 需将灰度图像变为黑白图像, 便于图像边缘提取。通过比较分析, 本系统采用一种全局阈值选取法。该方法是基于直方图的灰度信息来确定一个最佳阈值, 将直方图在某个阈值处分割成两组, 使图像进行二值化分割处理, 被分成的两组目标物和背景像素的类间方差最大时即为最佳阈值。方差值越大, 图像越分明。原理如下:取一幅图像, 灰度值被分为0~m级, 其中灰度值为i的像素为ni, 那么总像素数为

则各灰度值出现的概率为: , 接着, 将灰度值各分为c0={0~k}和c1={ (k+1) ~m}两组。

c0的概率为

c1的概率为

依据式 (6) 、式 (7) 可推导出c0的平均值为

c1的平均值为

结合式 (6) ~式 (9) 可推导出两组之间的方差公式为

在0~m之间对k值进行改变, 求σ2 (k) 最大值, 当σ2 (k) 取得最大值时, 此时的k值就是图像二值化分割的最佳阈值T。然后可以利用该T值并结合二值化公式实现对图像的二值化处理, 二值化公式为

经过全局阈值选取法二值化后的图像对比图如图2a、图2b所示。

通过图2可以看出, 采用全局阈值选取法对图像进行二值化处理, 处理后的图像十分清晰, 且噪声点少。对于图像中存在的噪声点, 主要是因为被测零件顶部反光使得图像顶部灰度值过大所致, 对于这种情况, 系统采用四连通将目标相邻像素为数值0的背景像素设置为目标的边界像素值255, 从而填充空洞。填充后的效果如图3a、3b所示。

2.4 图像的边缘提取

工业生产对测量精度的要求越来越高, 传统的边缘提取像素级精度已经无法满足高精度零部件的检测。需要提取高精度的边缘, 对整个检测系统来说, 可以一定程度上提高CCD相机的分辨率, 但是系统成本增加。因此利用软件的方法来提高像素精度定位问题是一个好的选择。本系统对亚像素边缘检测法进行了研究。亚像素边缘检测是以传统边缘检测算法为基础发展起来的。本系统将该方法中的zernike正交矩法应用于对称目标图像的亚像素精度定位中, 从而得到边缘参数的近似值, 取得了非常好的效果。边缘提取后的结果如图4所示。

3 软件实现与数据分析

3.1 软件实现

利用Lab VIEW模块化设计思想, 遵循了自上而下的设计方法, 根据系统的总体特性, 将系统进行了功能模块划分, 逐个实现对数据进行读取、存储、显示等, 再将各个功能模块集成在一个主程序中[5]。利用基于ADO技术的LabVIEW数据库访问包, 直接在Lab VIEW中实现对数据库的访问、添加。利用Microsoft Access作为后台数据库。通过SQL语句“SELECT*FROM磁环数据”、“INSERT INTO磁环数据 (圆环, 平均值) VALUES (‘壁厚’, ) ”等对数据库进行自动访问添加。最后, 将分析后的数据添加到数据库表中。

3.2 数据分析

利用该系统对硬质磁环进行测量, 测量值与实际值对比如表1所示。

分析可知, 磁环的内径、外径与壁厚的测量结果与实际值基本吻合, 两者之间测量的绝对误差小于0.02 mm, 相对误差小于0.07%, 引起测量误差的环节可能包括光学系统的像差、CCD的精度误差以及图像的阈值处理误差等。这一精度与游标卡尺和千分尺的测量精度相当, 满足高精度工程要求, 并且CCD测量法可实现对环形工件尺寸的自动、快速和非接触测量, 该原理只要在计算方法上稍作改动同样适合于对矩形、椭圆形乃至复杂形状的工件尺寸的测定, 因此具有广泛的实用价值。

4 总结与展望

本文设计了一种基于CCD的环形部件尺寸非接触测量系统, 通过对图像的平滑处理、图像锐化处理, 并采用全局阈值选取法实现对图像的二值化处理与填充, 最终利用亚像素边缘检测法实现对图像边缘的提取, 实验表明该测量方法方便可行。本文的系统也具有很大的实用性, 可以实现对批量零件的检测, 不但可以减小检测成本, 还可以避免人为因素带来的误判, 另外, 还可以适应高温、有污染或腐蚀性物质的工业现场环境。随着技术的进一步发展, 算法的进一步改进, 这种测量系统的的精度会越来越高, 应用范围越来越广。

参考文献

[1]黄艳岩, 钟绍俊, 徐红伟.基于LabVIEW的零件尺寸测量系统[J].微计算机信息, 2007, 23 (34) :131-133.

[2]聂锟, 萧泽新.图像处理技术在微小冲压件尺寸测量中的应用[J].电视技术, 2005, 29 (S1) :156-158.

[3]李培江, 李淑清, 高华, 等.基于虚拟仪器技术的电池夹视觉检测系统[J].新技术新工艺, 2006 (12) :28-31.

[4]IMAQ Vision for LabVIEW User Manual October[EB/OL].[2012-11-05].http://www.ni.com/pdf/manuals/322917b.pdf.

非接触检测系统 篇8

在语音增强领域, 大多研究都致力于去除含噪语音信号中的噪声部分, 以提高信号的可懂度和语音质量。因此各种各样的算法被用来实现语音增强, 比如谱减法[1]、最小均方误差估计[2]、维纳滤波[3,4]、卡尔曼滤波[5]和子空间法等[6]。在雷达语音增强方面, 李盛和田颖等人分别采用了非线性谱减法、人耳听觉掩蔽[7,8]、小波阈值熵[9]和高阶统计量[10]等算法来去除信号噪声, 这些算法虽然在一定程度上达到了去噪的目的, 但实验结果表明还需要进一步研究来提高雷达语音质量。经典的语音增强算法都在保持短时信号的相位谱不变的情况下来改变短时信号的振幅谱。本文通过改变含噪信号的相位谱而保持其振幅谱不变来生成一个新型复合频谱[11]。由于噪声信号主要存在于低频部分, 而重构后的信号谱中的低频能量丢失较多, 所以此种算法能够达到去噪目的。

1 语音增强方法

1.1 生物雷达实验系统

锁相振荡器产生稳定的34 GHz、功率为50 m W的毫米波脉冲信号, 经放大器进行放大, 由6 d B的定向耦合器将其分为两路:其中1/4 mm波信号送往混频器作为参考信号;其余信号通过环形器到达平板天线进行输出, 天线辐射功率保持在10~20 m W。天线发射微波束到达人体, 雷达信号被人体的胸部和喉的振动信号调制, 所反射的回波信号由同一天线进行接收, 回波信号与参考信号通过双平衡混频器发出低频信号, 低频信号通过放大、滤波、A/D转换输入计算机进行进一步的信号处理。详细的系统描述及实验原理详见参考文献[7,8]。

1.2 相位补偿算法

本文遵循信号分解—参量修正—信号重构的步骤来实现雷达语音增强[12,13]。算法流程, 见图1。

(1) 信号分解。使用离散短时傅立叶变换对雷达语音信号进行分解。含噪语音信号表达如公式 (1) :

这里语音信号可看成准平稳信号, 其中, 分别代表第i帧的带噪语音信号、纯净语音信号和干扰噪声信号。是一帧中的采点数。采用离散短时傅立叶变换对于公式 (1) 中信号进行处理, 每个信号都能够得出离散短时傅立叶变换的振幅谱和相位谱。通过振幅谱和相位谱组合就能够表示出信号的极坐标形式, 含噪语音信号的极坐标形式如公式 (2) :

式中的表示振幅谱, 表示相位谱。

(2) 参量修正。对含噪语音的相位谱进行修正。含噪雷达语音信号是一个实数信号, 因此, 它的短时快速傅立叶变换共轭对称:。信号分解部分得出的可调复合谱由一个实函数进行补偿, 函数与频率有关, 见公式 (3) 。

这里是一个关于 (为样品采样率) 的反对称函数, 用来达到削弱噪声的目的。而反函数又取决于以下条件:

这里是一个实数, 是噪声信号短时振幅谱的估计值。当信号的离散短时傅立叶变换后为非共轭矢量时, 的值为0 (当时) 。接下来通过的直角坐标系正切函数来进行相位谱补偿, 如公式 (5) 。

需要说明的是:补偿过的相位谱只是通过一个实数信号得出的伪相位谱, 并不具备真实相位谱的性质。补偿的相位谱与含噪语音的振幅谱结合就组成一个可调复合谱信号, 如公式 (5) 。

相位补偿算法矢量原理, 见图2。反对称函数的两个共轭向量的角度朝着相反方向变化。相位谱补偿的强度依赖于离散短时傅立叶变换的矢量和函数。通常情况下, 我们认为背景噪声和语音信号频率相比, 低振幅的成分更多一些, 而这种算法恰好在噪声频率低于信号频率情况下, 能有效去除低振幅频率分量。因此, 这种方法应用在噪声能量低于雷达语音能量的情况, 可得到很好的效果。

(3) 信号重构。反离散短时傅立叶变换把频域信号转变为时域信号。由于公式 (3) 中对含噪信号的额外补偿, 使得时域帧变得复杂, 为了计算方便我们去掉信号中的虚部成分, 使用重叠相加法增强时域输出信号

1.3 实验数据采集

20名健康志愿者 (被测试) 参与语音测试实验, 志愿者包含12名男性和8名女性, 年龄20~30岁。雷达天线与被测试者的距离保持在2~20 m之间, 采用5句中文普通话作为语音测试材料 (句子的长度在5~20个字) , 语音测试实验在安静的环境中进行, 每位被测试者使用正常的音量和语速读取语音材料。

2 结果与讨论

为了验证相位补偿算法对雷达语音增强的效果, 实验过程中使用谱减法、维纳滤波法作为对比算法。对比实验是在含噪信号信噪比较低的情况下进行的。图3 (a) 为原始雷达语音信号, 从中能够观察出语音信号中掺杂大量的背景噪声。图3 (b) 为谱减法处理后的语音信号语谱图, 相比原始雷达语音信号, 谱减法有效地去除了雷达语音中的噪声成分, 但在背景噪声得到有效抑制的同时, 语音信号也被削减很多, 同时在大约t=0 s和t=4 s出现强噪声分量。图3 (c) 为维纳滤波去噪后的语谱图, 图中噪声成份得到了有效的去除, 依然有部分语音信号被削减, 但削减的程度少于谱减法处理后的结果。和谱减法类似, 维纳滤波处理雷达语音信号在t=0 s和t=4 s处仍然出现了强噪声分量。图3 (d) 为本文采用的相位补偿法去除雷达语音噪声后的语谱图, 相比于前两种去噪方法, 可以看到不仅背景噪声成分得到了很好地抑制, 语音信号也丢失得很少。

从听觉方面评估去噪效果, 原始语音具有明显的背景噪声, 经谱减法处理后, 干扰噪声得到了有效抑制, 但几乎也听不清语音信号的内容, 在听觉效果评估开始和即将结束能听到很明显的刺耳的声音, 说明在语音增强过程中产生了新的噪声分量。原始雷达语音经维纳滤波处理后, 噪声也得到有了效抑制, 处理后语音仍然混沌不清, 这说明语音成分也被部分去除。而且和谱减法类似, 经维纳滤波算法处理的语音中也产生了新的噪声分量。最后, 相位补偿算法处理后的听觉评估可以明确听出背景噪声得到了有效抑制, 语音信号也被很好地保留。

3 结论

非接触检测系统 篇9

随着社会的发展,人们对绿色,环保越来越重视,对于清洁能源的需求越来越大,电动汽车作为零排放的交通工具也得到越来越大的重视,传统的充电系统在交流电源侧分离,整个系统基本上都在车上,而非接触电能传输系统能够实现原边和副边的分离,从而可以将大部分设备置于车外[1]。可以穿过非导体的隔离物,因此它有很多其他方面的广泛用途,比如可以用来给剃须刀充电,这样剃须刀可以完全密闭,实现完全防水性。同时在一些危险场合,充电时候不能有火花产生,非接触电能传输系统也是大有用途。

非接触式感应电能传输(CIPT)技术采用电磁场松耦合的方式,可在既无任何机械连接又无任何电气连接的情况下,由供电装置向用电装置供电。该技术在传统的直接将交流输入变压器环节之前,加入整流和高频逆变电路,将工频交流电转化为高频交流电,实现了能量的高频化;同时为了减少系统的无功功率,提高系统的功率传输能力,需要将原边和副边能量发射和拾取机构的线圈励磁电感进行补偿,从而实现系统的最优化能量传输[2,3]。

本文首先介绍四种补偿拓扑结构,并且分析出各种结构的相应参数的计算方法,如补偿电容大小等等,接着分析各种拓扑结构的效率以及功率传输大小受谐振频率以及耦合系数的影响情况。

1 非接触电能传输系统工作模式分析

非接触传输系统按照主电路电源输入类型可分为电压型与电流型两类,为了减少系统的无功功率,并且提高传输效率,需要在原边和副边进行补偿,谐振补偿网络可以分为原边补偿网络和副边补偿网络两部分。其中,原边补偿网络使原边零相角频率等于副边谐振频率,以使系统达到最大功率传输和最小视在功率。副边补偿网络是为了减小副边的无功功率,增大系统的输出功率。根据拓扑结构的不同,补偿可分为串联补偿和并联补偿,因此一共有4种补偿电路结构可供选择,分别为电压型CIPT系统:串-串(SS)、串-并(SP);电流型CIPT系统:并-串(PS)、并-并(PP),其中,P代表并联,S代表串联,具体的谐振拓扑如图1所示。

图1中,C1,C2和r1,r2分别为原副边电感L1,L2的补偿电容和内阻。Ui-v,Ui-c分别为电压型CIPT和电流型CIPT系统经H桥逆变网络输出电压有效值,电压源H桥逆变电路工作在零电流软开关工作模式下,则Ui-v为:

其中,Udc为图1中输入直流电压。

假设电流源H桥逆变电路工作在零电压软开关工作模式下,则Ui-c为:

互感模型如图2所示。

图2中jωMi1和jωMi2分别为由于互感模型引起的,等效到原副边的电流控制电压源。

2 系统补偿电容参数以及传输功率以及效率的计

以SP补偿拓扑为例,介绍CIPT系统电气参数的特性。ZS为副边回路总阻抗,表示如下:

Zr为副边通过互感映射到原边的反映阻抗,表示为:

其中:

CIPT技术的目标是将电能从原边传输到副边的负载RL,故希望原副边的频率特性尽量相同,从而保证高功率因数传输。所以,要尽量选择副边的谐振频率点与原边的方波驱动频率相同,通常情况下,由于副边拾取线圈内阻r2很小,对功率求解影响不大,因此,在求解过程中,副边电感内阻忽略不计。故设计系统的谐振频率ω0如下式所示:

由上式可得副边补偿电容值:

这样,原边总阻抗表达式如下:

将式(6)代入到式(9)中,设原边总阻抗的虚部lmZ1为零,原边补偿电容可以确定为:

根据以上求解方法,类似可得SS、PS、PP三种补偿电容值。由此可以得到计算参数值的方法:即首先确定互感的参数值以及负载,然后确定谐振频率,依据将在下一个部分中得到,可以根据传输功率的要求以及效率的要求进行确定,一般在10 000-50000Hz之间,再把副边折算到原边,在原边能够谐振,并且谐振频率与副边相同的条件下,可得到原边的补偿电容的具体参数。以下计算非接触传输系统的两个重要参数,传输功率以及效率。松耦合变压器耦合系数为:

将式(11)代入式(5)(6)可得:

同理可得其他几种拓扑,副边通过互感映射到原边的反映阻抗Zr,如表1所示。

Z1的相角表达式可以表示为:

|Z1|为原边的总阻抗Z1的幅值:

CIPT系统传输到副边的功率为:

其中,Ui-V如式(1)所示。CIPT系统的效率为:

将式(19)(20)代入式(16)(17),即可得表1中的CIPT系统传输到副边的功率P2、效率η。

原边视在功率为:

原边网络等效电路的功率因数为:

其中,P和S分别表示原边等效电路的有功功率和视在功率。

根据以上分析,4种补偿拓扑下系统的关键性能如表1所示。

3 电压型非接触传输系统功率以及效率变化特性

这一部分,将重点讨论非接触传输系统的两个重要参数,传输功率与效率随着耦合系数以及工作频率的变化情况[2]。

通过MATLAB仿真,可以得出非接触传输系统在不同补偿电路的情况下的传输功率与效率随着耦合系数,与频率变化的情况,主电路参数如表2所示。

由图3可以看出,当耦合系数不变的时候,串并补偿受频率变化的影响比较大,且有一个功率传输最大的点,而串串补偿基本上不受到谐振频率的影响,一直保持一个定值,但是串并补偿的最大传输功率大于串并补偿。

由图4可以看出两种补偿情况的传输功率对于耦合系数都比较敏感,并且都有着最大传输功率点,相比较而言,串并的曲线比较陡峭,因此在耦合系数容易变化的场合下,串串补偿能保证在距离变化的较大范围内使得传输功率保持在一个比较高的状态。

由图5可以分析得到,随着耦合系数的增长,两种补偿系统的效率都相应增长,而且串并补偿的效率一直都要比串串补偿的高,最后随着两者的耦合系数都达到1,他们的效率也几乎接近于1。

由图6可以看出,当耦合系数为定值的时候,串串补偿的效率随着谐振频率的增长而不断增长,而串并补偿的效率与谐振频率没有关系,因此在谐振频率可变,并且对于效率有较高要求的情况下,可以选用串并补偿,从而使得传输效率不受影响。

由图7分析可以得到,随着负载电阻的增长,传输功率有一个峰值,最终随着负载电阻的进一步增长,而使得传输功率减少到零,并且由曲线可以看出,串并补偿的变化更加陡峭,因此在负载可变的情况下进行补偿选型,可以选择串串补偿,这样能够保证在负载变化的较大范围能使得传输功率保持比较大。

由图8的分析可以看出,两种补偿的效率变化曲线的变化方向是相反的,串串补偿是随着负载电阻的增长而降低的,而串并补偿是随着负载电阻的增长而升高的,并且两者有个交点,因此可以根据实际系统负载的变化情况以及对于功率因素的要求进行选型。

4 结束语

讨论了非接触电能传输系统的四种拓扑补偿的结构以及系统的各个重要补偿参数的计算方法,通过分析电压型CIPT系统的参数响应曲线,得出在设计拓扑结构的时候应该综合考虑负载情况,以及对于系统效率和传输功率的要求。本文的研究成果对于非接触电能传输系统的设计和优化有一定的指导意义。

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非接触检测系统 篇10

目前,电能主要是由导线通过插头插座直接接触进行传送的。这种电能传输方式由于存在物理接触和电气接触,在诸如潮湿、易燃易爆等环境中的应用受到限制,而且可靠性差。新型无接触供电系统综合运用电磁感应耦合技术、高频变换技术以及电力电子等新技术,通过采用一、二次侧可分离的松耦合变压器将电能从电源侧经气隙传递给一个或多个负载,从而安全、高效、可靠、灵活地实现了电能的无接触传输,克服了传统的电能传输中存在的裸露导体、接触火花、电击、短路等不安全因素,广泛应用于喷漆车间、石油、医疗、军事等领域,应用前景十分广阔[1]。

实现非接触电能传输的关键组成部分是初、次级可分离的松耦合变压器。此外,松耦合变压器原、副绕组可以保持相对静止或是运动状态,使之应用场合更加广泛。但是由于松耦合变压器磁路中存在气隙,变压器漏感较大,耦合系数不高,因此严重影响了功率传输能力和传输效率。本文针对影响变压器耦合系数的因素,利用有限元软件ANSYS分别对U、E型两种形状磁芯的磁场分布随气隙大小和绕组位置进行有限元仿真研究,进而提出一种可以提高耦合系数的改进磁结构的松耦合变压器,并以实验验证了理论分析。

2 拓扑结构和工作原理

新型无接触能量传递系统的基本构成包括:交流电源,初、次级整流、逆变电路,感应松耦合电磁结构。初、次级子系统之间不存在物理连接,为了提高供电系统的输出功率、传输效率,提高供电质量,通常在初、次级加入补偿环节[2]。图1给出了系统构成框图。相对于传统的感应能量传递系统,非接触能量传输系统耦合程度较小。为了提高系统的功率传输能力,初级绕组通常采用高频交流驱动[3]。

系统工作时,在输入端将单相工频交流电经整流、逆变转换为高频交流电流供给初级绕组。次级端口输出的电流为高频电流,根据负载用电需要,若为直流负载,则将高频电流经过整流为负载供电;若为交流负载,则还需要进行变频处理。新型无接触感应电能传输系统发展的主要问题是提高效率和适用性。

松耦合变压器是非接触电能传输系统的关键部分。它和常规变压器在工作原理上类似,都是应用电磁感应原理实现电能从变压器原边到副边的变换。但是松耦合变压器的原、副边之间存在较大的气隙,空气磁路长度远远超过了常规变压器的空气磁路长度,使之相当一部分磁动势消耗在空气磁路部分,变压器漏感较大,耦合系数不高。而常规变压器的磁路中气隙很小,其磁动势主要分布在磁芯磁路部分,磁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器的磁阻较小,需要的激磁电流较小。松耦合变压器属于疏松耦合磁结构,不仅影响能量传输的功率和效率,而且会加大功率器件的电应力。通过补偿的方式可以减小开关器件的应力。但是变压器原副边分离所带来的耦合系数低这个问题却没有办法解决,补偿电容并不能增大互感值,因为耦合系数由变压器的结构本身决定。所以如何提高松耦合变压器的耦合系数是研究非接触式能量传输系统中的一个重要问题。在相同气隙下选择合适的电磁结构和参数,从而增强感应耦合能力,提高供电系统的传输效率及供电能力,对非接触电能传输系统具有重要意义。

3 影响松耦合变压器耦合系数的因素

图2为除耦合系数k以外的其他一切电路参数相同的情况下输出电压随耦合系数变化的仿真。由图可以看出相同负载下松耦合变压器的耦合系数越高输出电压越高。因此要提高系统的传输能力,就要尽量提高松耦合变压器的耦合系数。通常影响松耦合变压器的耦合系数的因素主要有磁芯材料、磁芯形状、绕组位置、气隙大小等。本文在相同磁性材料前提下,研究磁芯形状以及绕组位置对于耦合系数的影响。

3.1 气隙大小对耦合系数的影响

常用的磁芯形状有U型、EE型、EI型、EC型和罐型等多种结构,可以根据不同的应用场合选择合适的铁芯。下面以U型和EE型磁芯为例进行分析,其它形状的磁芯也可以得到相同的结论。图3为U型磁芯不同绕组位置的示意图。图3(a)中绕组缠在松耦合变压器磁芯底部,这是一种传统的绕法;在图3(b)中,绕组是缠在了松耦合变压器磁芯的端部,这样原副边绕组的距离拉近,这是一种新型的缠绕方法[4]。

图4所示为U型磁芯变压器相同气隙不同绕组方式时的磁场分布和磁力线走向。图4(a)是4 mm气隙时中心绕组的情况;图4(b)是4 mm气隙下端置绕组的情况;图4(c)是8mm气隙下中心绕组时的情况;图4(d)是8mm气隙下端置绕组的情况下ANSYS磁场分布仿真。对比这四幅图我们可以清楚地看到相同绕组下随着气隙的增大,匝链原副边绕组的磁通变少,漏磁变多,耦合系数也相应地降低。这与理论分析一致。

3.2 绕组位置对松耦合变压器参数的影响

磁性材料、磁芯形状、气隙大小相同的情况下绕组位置的不同也会影响松耦合变压器的耦合系数。图4(a)与(c)和(b)与(d)是相同磁芯型号,相同匝数,不同绕组布置的仿真结果。对比看出,相同气隙下,采用图3(a)绕组方式时变压器的漏磁较多,耦合系数将受影响有所减小,采用图3(b)的方式将绕组拆分成两半后放置在U型磁芯的芯柱端部时,变压器的漏磁变少,相对图3(a)绕组方式,耦合系数可以得到提高。可知在图3(b)的绕组缠绕方式中,原、副边绕组的线圈接触比较紧密,更多的磁力线可以在原、副边绕组之间垂直地通过,漏磁较少,有利于提高耦合系数。

E型磁芯两种不同绕组方式具有和U型磁芯相同的结论。这里不再给出仿真图。

4 绕组位置对耦合系数影响的测试

图5是改变绕组位置前后,两种松耦合变压器耦合系数的测试结果。磁芯型号同为E55,原边15匝,副边20匝。可见,通过改变绕组布置,松耦合变压器的耦合系数可以得到显著提高,从而为变换器传输功率能力的提高创造了条件。另外,漏感在一定程度上得到了降低,将使变换器对环境的电磁干扰也相应地有所降低。

虽然两种结构的变压器唯一不同的是绕组位置,然而,由图5实验数据可以看出随着气隙的增大,耦合系数都逐渐减少,但是端置绕组变压器的耦合系数要明显高于中心绕组变压器的耦合系数。尤其是在气隙较大的时候,端置绕组变压器的优势更加明显。

5 高耦合系数变压器绕组和磁结构

前面的研究表明:当原、副边绕组中心位置距离较近时,相同气隙下耦合系数较大。磁芯面积较大时漏磁较少。基于这样的认识,本文从改进松耦合变压器的磁芯形状以及绕制方法两方面入手,提出了一种采用平面磁芯和平面绕组的松耦合变压器。磁芯及绕组缠绕方式如图6所示。因为目前没有成品磁芯可用,磁芯采用超扁E型代替,绕组做成平面式放置在图中所示最大的矩形面上。这样做既可以实现两绕组中心位置具有最近的距离又使磁芯有效面积得以增加,并且由于绕组外围也存在形成的磁路,所以可以有效降低磁阻,有利于原、副绕组的匝链。

图7为气隙0.8cm时磁场分布的ANSYS仿真。由于磁芯的巧妙利用,使得原、副边绕组接触得比较紧密并且由于横截面积变大,磁力线可以在原、副边绕组之间垂直地通过,从而原、副边匝链的磁力线增多,而漏磁较少。

6 新磁结构松耦合变压器测试

图8是本文所提出的新型平面磁路结构结合端置绕组方式的松耦合变压器耦合系数测试结果。与图5对比,新型松耦合变压器有效地提高了耦合系数,对提高功率传输能力十分有利。

7 应用效果的实验对比

图9为采用前述E55磁芯,原边15匝,副边20匝的端置绕组松耦合变压器在气隙分别为2mm,4 mm,8 mm时,原边串联补偿,副边未补偿时效率实验数据对比,谐振频率为35k Hz,由图可以看出随着气隙的增大变压器的效率降低了,这是由于气隙变大导致松耦合变压器的耦合系数下降;工作频率在谐振频率附近传输效率明显增加,偏离谐振频率时传输效率逐渐减小。

图10为变换器输入电压和负载相同,气隙4 mm,采用不同绕组位置的变压器和改进的变压器的效率随工作频率变化的曲线图。谐振频率为35k Hz。由图可以看出工作频率接近谐振频率时效率最高;改进绕组的变压器,由于绕组位置的调整从而使其耦合系数得到提高,使改进的变压器效率要大于传统绕组结构的变压器;测试表明由于耦合系数的提高,不但提高了变压器效率,效率曲线也变得更加平直。

8 结论

有限元ANSYS的磁力线分布和走向的研究表明,当原、副边绕组位置距离较近时,相同气隙大小下耦合系数较大。使用相同磁芯时,使绕组扁平尽量靠近气隙,可以有效提高松耦合变压器的耦合系数;采用平面磁芯和平面绕组,适当增加磁芯面积能够更有效地提高变压器的耦合系数。提出的新型磁绕组结构在气隙7mm时耦合系数0.56,远远大于普通的松耦合变压器。样机测试结果表明新型磁绕组结构变压器效率要大于其它两种绕组方式。如果采用特殊设计的专用磁芯和绕组结构,有望进一步提高松耦合变压器的耦合系数。

摘要：松耦合变压器作为非接触供电系统的关键部分之一,由于磁路中有较大距离的空气磁路,变压器漏感较大,耦合系数不高,因此严重影响了能量传输功率和效率。文中针对影响变压器耦合系数的因素,利用有限元软件ANSYS分别对U、E型两种形状磁芯的磁场分布随气隙大小和绕组位置进行有限元仿真研究,由磁力线的分布和走向可以看出这两个量对耦合系数的影响。进而提出一种可以提高耦合系数的改进磁结构的松耦合变压器,实验验证了理论分析。

关键词：松耦合变压器,非接触供电,ANSYS

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非接触检测系统 篇11

摘 要：开展了基于运动目标图像跟踪法的拉索索力测试研究.在拉索上布置目标测点，用摄像机获取单个及多个目标的振动图像序列，利用背景差分法进行运动目标检测，基于卡尔曼滤波法对运动目标进行跟踪，获得拉索多个目标测点的振动位移时程曲线，进而利用频率法求解拉索索力.实验结果表明，与加速度传感器的结果相比，摄影测量法测试结果可信，是基于频率的拉索索力测试方法的有效发展与补充.

关键词：索力测试；摄影测量；非接触测量；目标图像跟踪；卡尔曼滤波

中图分类号：U446.1 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2015）11-0105-06

拉索是索结构桥梁的重要承重构件，有必要在施工及运营阶段对其工作状态进行检测与评估.

传统的索力测试包括油压表法、压力传感器法、磁通量法和振动频率法.油压表测定法和压力传感器测定法一般适用于在建桥梁拉索张拉时的索力测定；磁通量法尽管在长期监测、非接触测量、传感器维护成本等方面有优势，但在初期费用投入、安装便利性等方面仍有待加强.当需要对运营阶段桥梁的

拉索进行索力测试时，频率法几乎是唯一选择.

近年来数码摄像技术有了长足发展，基于摄影的测量技术已引起国内外土木工程领域的重视.2007年，Chang和Ji[1]研究了用摄像机测量拉索振动的基本方法，包括相机校准、目标点的跟踪与对应、测点动位移获取、拉索振动频率抽取等；2008年，Ji和Chang[2]研究了基于摄影测量的拉索振动位移无目标测试技术.该技术用Canny边缘检测法对采集对象进行图像处理，通过无量纲长度匹配技术，能在不需标定目标的情况下，测量拉索的振动频率及幅值.实验室试验和现场测试结果较好；2008年，Ji和Chang[3]研究了利用光流法对测量对象进行无目标识别，可在不需进行目标标定的情况下，测量拉索的振动频率与幅值；2011年，Kim等[4]研究了基于图像法的建筑结构多点位移响应测量，并用摄影测量结合频率法，测试了一座悬索桥的索力值；2012年，Chien和Hong[5]在不使用任何人工目标的情况下，运用数字图像跟踪测试技术量测斜拉索的振动.该法利用索的直线边界，将其边缘线的中点作为伪目标点进行图像处理，得到索的振动位移时程及其振动频率.2014年，Ribeiro等[6]发展了非接触桥梁动位移测试系统，取得了15 m距离0.1 mm，25 m距离0.25 mm的测试精度.

可以看出，基于摄影测量的结构振动测试作为一种非接触测试方法，主要用于不便设置基准点的结构动位移测试，对动位移时程进行频谱分析可获得结构振动频率.这给传统的基于频率的索力测试方法增添了一个新的选择.

本文研究基于非接触摄影测量的索力测试方法.在拉索上布置目标测点，通过摄像机获取单个及多个目标与时间相关的振动图像序列，应用背景差分法进行运动目标检测，并基于卡尔曼滤波法对运动目标进行跟踪，进而获得拉索目标测点的振动位移时程曲线，最后利用频率法求解拉索索力.这一方法的最大优势在于操作简单、成本低，不需要安装传感器，且能同时跟踪多个测点.本文通过2个实验将该法与传统的频率法测试结果进行了对比.

1 运动目标检测

运动目标检测是将图像序列中的目标从背景图像中分割出来，检测效果直接影响后续目标跟踪的精确性.本文采用背景差分法[7]进行运动目标检测，进而对二值化后的差分图像进行形态学处理.

背景差分法是选取参考图像作为背景图像，并用当前图像与背景图像相减来检测运动目标.设参考图为：I.1（x，y），一幅包含有运动目标的图像为I.2（x，y），记两图像之差为：

2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波是由数学家Kalman在1960年提出的一种最优的数据递归处理算法，常用于运动估计.它以一个预测方程和一个校正方程为基础，运用递归方法对动态系统的状态序列进行线性最小方差误差估计.它只用当前帧的观测值和前一时刻的估计值，利用预测和校正方程，来预测新的估计值.

应用卡尔曼滤波器对运动目标进行实时跟踪包括以下4个步骤：滤波器初始化、预测、目标匹配和状态更新.

初始化：分别设置目标初始速度、P和Q初值.

预测：由预测方程预测运动目标在当前帧中的运动状态和误差协方差.

目标匹配：设定一以n×1维状态向量为中心的区域进行搜索，寻找该帧图像内的最佳匹配区域.

状态更新：根据实际的测量值与先验估计值，通过卡尔曼滤波器进行状态更新以获得后验估计值，并重复以上步骤.

该算法对运动目标的跟踪效果良好，可克服小噪声干扰，减小特征匹配的搜索范围[8-9].图3为卡尔曼滤波器对一振动拉索上安装白色圆形标识的跟踪过程.由图可知，即便在采集的图像较为模糊的情形下，白色标识仍能够被准确跟踪识别.拾取标识的圆心坐标变化就可得拉索的振动时程响应.

3 索力计算

通过上述步骤对目标进行实时跟踪，可得到图像序列中每一帧图像特定目标点中心的振动时程响应.使用快速傅里叶变换（FFT）对该点的位移响应进行频谱分析，可得到该目标的振动频率.

4 实验测试

为了验证基于摄影测量拉索索力测试方法的精度及实用性，在实验室做了2个实验.实验1：用POINT GREY数字工业摄像机FL3-GE-13S2C-C获取图像，它能以31 fps的采样速度获取480×640像素的图像，该实验对应单一目标.实验2：用普通手机（Apple iPhone 4S）的摄像头，以24 fps的采样速度获取1 920×1 080像素的图像，该实验为多目标.两实验结果均与东京测器的DC-204R动态应变仪测试结果和安装在锚固区的压力传感器测试结果对比.

试验时，在实验室两基座间张拉一根预应力钢绞线，计算长度为10.37 m，由7根直径为5 mm的钢筋组成，公称直径为15.2 mm，截面面积为139 mm2，每延米理论质量为1.101 kg，并用千斤顶施加5～10 kN不等的张拉力.在钢绞线跨中位置贴上目标，并将摄像头对准，调好焦距，确保钢绞线上的目标能完整地被摄像头拍摄到，且在振动过程中不会超出视频范围.现场实验设置如图4所示.

4.1 实验1：单目标测试

在钢绞线上贴一个目标，并用POINT GREY数字工业摄像机记录钢绞线在不同张拉力下的自由振动情况，如图4所示.利用基于卡尔曼滤波的目标检测技术得到目标点位移时程及频谱分析结果，如图5所示，前四阶振动频率测试结果见表1，其中索力计算结果利用实验得出的基频由式（15）计算得到.

可以看出，基于摄影测量得到的拉索振动频率与索力和由加速度传感器所得到的结果相比，误差均在2.7%以内，可以满足一般的拉索索力测试要求.

4.2 实验2：多目标测试

实验时，在钢绞线上贴上大小、形状不一的3个目标，用手机同步采集多个目标的振动视频图像.图6为多目标测量时连续5帧图像的跟踪结果；目标点位移时程及频谱分析结果如图7所示；前四阶振动频率及索力计算结果见表2，其中索力计算结果由式（15）得到.

结果表明，摄影测量能同时跟踪多个目标的振动，不同目标的各阶模态测试频率相近，索力测试误差在2.7%以内，且不同形状的目标对实验结果无明显影响.在实际应用中，基于摄影测量的非接触测试方法可拓展到多根拉索的索力测试，大大提高工作效率；在测试索体上布设多个目标点，可以测试索体振动模态；实验2仅用手机摄像头就能较精确测试拉索振动频率，使得索力测试过程更为方便.

5 结 论

高精度摄像机的发展和普及使得摄影测量在土木工程中的应用变得更为便利.本文研究了摄影测量在拉索索力测试中的运用.用普通摄像头或者手机进行图像采集，得到图像序列，这些图像序列经过二值处理和目标追踪检测，即可得到目标的位移时程图，最后利用频率法求解拉索索力.这一方法最大的优势在于操作简单、成本低、不需要安装传感器，且能同时跟踪多个测点.

通过2个实验验证了该方法的精确性.测试结果表明，该方法与传统加速度传感器测试结果误差较小，实验结果误差均小于3%.实验采用的摄像头为31 fps，640×480像素和24 fps，1920×1080像素，可以预见，如果采用分辨率更高、采样速度更快的摄像头，测量精度及适用范围将值得期待.本文提出的方法还有一个优势，即可以同时采集多个目标位置的位移响应，提高测试效率；通过多台摄像机的测试、图像融合及模态识别技术，可获取拉索的振动模态.因而，基于摄影测量的拉索索力测试方法是传统频率测试法的补充与拓展.下一步将研究摄影测量技术在实桥拉索索力测试中的应用.

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非接触式激光平面检测系统 篇12

关键词：激光位移传感器,非接触式平面检测,平移台控制,OpenGL,三维拟合曲面

0 引 言

随着科学技术的迅猛发展,具有非接触、高精度、稳定性好、可自动化及易于与计算机相结合等特点的激光位移检测技术在自动检测、机器人视觉、计算机辅助设计与制造等领域得到了广泛的应用,已将逐渐取代传统的接触式检测技术,成为现代检测技术最重要的手段和方法[1]。

非接触式激光平面检测系统主要利用激光位移传感器与平台运动控制系统来检测对象物平面平整度。位移传感器用来测量目标物体的距离,按与对象物的接触类型它分为两类:主要有使用差动电压等形式的接触式与使用磁场、超声波、激光等形式的非接触式。由于非接触式激光位移传感器具有高精度表面扫描的特点,系统选择基恩士公司的LT-9001 Series型激光位移传感器,该激光位移传感器可以对任何对象物进行高精密度的位移测定,例如可以对微细工件、粗面工件的高度进行测定,还可以测量电路板上的焊锡以及测定透明体的表面和厚度[2]。平台运动控制系统选择丹纳赫公司的ULTIMAC-G型控制器和二维电动平移台。云南丽江天文工作站2.4 m天文望远镜终端的拼接CCD相机为了得到更清晰的天体图像,将采用该非接触式激光平面检测系统,对拼接CCD相机平面平整度进行检测。

1 系统结构与激光位移传感器工作机理

1.1 系统结构

系统的整体结构如图1所示。从图1可以看出,整个系统由上位机、激光位移传感器和平台运动控制系统三部分组成。激光位移传感器由激光位移控制器、感测头和监视器组成。平台运动控制系统主要由平移台运动控制器、驱动器、电源和二维电动平移台组成。系统的部分设备如图2所示。图2列出了激光位移传感器感测头和二维电动平移台。图3为激光位移传感器感测头测量对象物原理。参考距离根据被测对象物的变化可测量范围为2 mm,基准距离为30 mm,激光位移传感器显示解析度为0.3 μm,线性度达到满量程的0.3%,即精度达到6 μm。

1.2 激光位移传感器工作机理

在激光位移传感器中,激光束通过调整音叉透过高速上下移动的物镜,在受测对象物上聚集为一焦点,同时反射光也会在针孔位置集合为一点,并使受光元件受光,通过测定物镜的具体位置,从而准确地测定目标物离参考位置的距离,并不受材质、颜色或倾斜度的影响。图4为感测头的焦点分别为对准和没有对准对象物时的情况[2]。

上位机与激光位移传感器中的控制器之间通过RS 232串行口进行通信,串口信号格式为:COM1口、波特率9 600、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位,也可以通过手柄控制激光位移传感器中的控制器采集数据[3]。

二维电动平移台使用的是步进电机,脉冲信号占空比为50%,运动控制器使用开环控制电动平移台运动。由于平台运动控制系统机械加工精密,该系统无需编码器反馈[4]。上位机与平台运动控制器可以通过RS 232串行口或以太网进行连接,本平面检测系统选择后者。非接触式激光平面检测系统软件界面如图5所示[5,6]。

2 平面检测试验及结果

2.1 定性检测

系统采用10元人民币的盲文作为目标物进行定性检测实验。二维电动平移台水平面两运动轴方向设为X,Y轴,与水平面垂直方向设为Z轴。表1为采集X,Y轴间隔为1.5 mm的16个进行处理过的、Z轴方向单位为μm的数据。图6中的白色折线与X轴、Y轴围成正方形区域,为平面检测范围。

采集和处理数据的主要操作步骤是:

(1) 将纸币放置在平台上,调整感测头与纸币的距离大约在30 mm左右,直至焦点对准纸币且监视器中显示可变化的读数;

(2) 按下人机界面中的Start按钮,平台将以设置好的速度、相邻数据点物理间隔和时间间隔进行移动,直到数据采集完为止;

(3) 保存步骤(2)中所采集到的数据,取下纸币,对平台进行复位;

(4) 重复步骤(2)操作,采集到的为平台表面离基准线间的距离,为了减小平台表面起伏对纸币表面检测的影响,将步骤(2)中采集到的数据减去步骤(4)中的数据;

(5) 将最终所得到的数据进行处理和保存,并利用OpenGL拟合三维图形。

数据均值(mean),曲面峰值(PV):undefined为数据总个数,PV=max{xi,yi}-min{xi,yi},i=0,1,2,3。经过计算,表1检测数据均值为23.99 μm,PV值为33.13 μm。10元被检测区域三维拟合曲面如图7所示。蓝色的点为16个控制点。图7给出运用OpenGL中非均匀有理B样条NURBS曲面拟合的三维曲面图。从中可以看出,该拟合曲面图较好地反映出对象物实际检测区域平面凹凸起伏的情况。

2.2 定量检测

系统的仪器定量检测试验方法与定量检测的类似,用CCD相机代替纸币,已知CCD相机的平面度为10 μm。表2为采集X,Y轴间隔为508 μm的16个进行处理过的、Z轴方向单位为μm的数据。

经过计算,表2检测数据均值为-0.001 25 μm,PV值为6.58 μm。与已知CCD相机平面度相比较,系统的实际检测误差为3.42 μm,达到激光位移传感器的理论精度为6 μm范围内的要求。

CCD相机被检测区域三维拟合曲面如图8所示。蓝色的点为16个控制点,该图是运用OpenGL中的非均匀有理B样条NURBS曲面拟合的三维曲面图。

2.3 OpenGL拟合三维曲面

在OpenGL中,系统采用非均匀有理B样条NURBS曲面来拟合三维曲面。u向p阶、v向q阶的NURBS曲面定义为[7]:

undefined

式中:{Pi,j}为构成曲面控制点网;{ωi,j}为权因子;{Ni,p(u),Nj,q(u)}为p阶、q阶B样条的基函数,其节点矢量为[8]:

undefined

这里r=n+p+1,s=m+q+1。

系统运用NURBS拟合三维曲面的主要步骤为[9,10]:

(1) 创建NURBS对象,定义NURBS对象函数为gluNewNurbsRenderer()。

函数原形:GLUnurbs * gluNewNurbsRenderer(void)。

(2) 设置NURBS对象的属性,在OpenGL中,设置Nurbs对象的函数为gluNurbsProperty()。

函数原形:void gluNurbsProperty(GLUnurbs * nurb,GLenum property,GLfloat value)。

(3) 利用控制点、节点序列等,生成和拟合三维曲面。定义NURBS曲面函数为gluNurbsSurface()。

函数原形:void gluNurbsSurface(GLUnurbs*nurb,GLint sKnotCount,GLfloat*sKnots,GLint tKnotCount,GLfloat*tKnots,GLint sStride,GLint tStride,GLfloat*control,GLint sOrder,GLint tOrder,GLenum type)。

3 结 语

非接触式激光平面检测采用的是集光、机电一体化的测量设备系统,系统中的激光位移传感器是一种代替传统接触式测量的新型位移检测装置,具有分辨率高,线性度高和稳定性好等特点,可实现对对象物的高精度、高可靠性的测量。本文中定性检测试验较好地反映出对象物平面实际起伏情况,定量检测试验结果达到了仪器的理论精度为6 μm范围内的要求。该系统能满足现代化生产和科学研究的需要,具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]段洁,孙向阳,蔡敬海,等.PSD在激光位移检测系统中的应用研究[J].红外与激光工程,2007(36):281-284.

[2]Keyence.High-Accuracy Surface Scanning Method UserManual[Z].2008.

[3]Keyence.Surface Scanning Laser Confocal Displacement Me-ter LT-9001 Series User Manual[Z].2008.

[4]Galilmc.DMC-21x2/21x3 User Manual[Z].2008.

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[7]董云风.基于NURBS曲面的逼近及数控加工技术的研究[D].北京:华北电力大学,2006.

[8]贾桂红.NURBS曲线的直线与圆弧数控逼近算法研究[D].北京:华北电力大学,2004.

[9]陈其,刘国良,曾航.OpenGL三维图形系统开发与实用技术(基础编程篇)[M].重庆:重庆大学出版社,2003.