测量系统分析

测量系统分析（精选12篇）

测量系统分析 篇1

摘要：正确的测量过程, 永远是质量改进的第一步。如果没有科学的测量系统评价方法, 缺少对测量系统的有效控制, 质量改进就失去了基本的前提。为此, 进行测量系统分析就成了企业实现连续质量改进的必经之路。

关键词：测量,测量系统分析,测量过程控制

目前, 很多企业都已建立了测量管理体系。为推动企业的计量管理起到了很大的作用, 对质量管理、生产管理、能源管理、环境管理、安全管理等方面给予很大的技术基础支持。同时也为企业节能减排、提高经济效益提供了有效的计量保证。但是, 实施过程中对ISO10012:2003的7.2条款——测量过程的理解与实施还没有真正到位。就测量过程的控制而言, 还没有真正按规定的要求进行。标准中指出“对每一测量过程, 应识别有关的过程要素和控制。要素和控制限的选择要与不符合规定的要求时引起的风险相称。这些过程要素和控制应包括操作者、设备、环境条件、影响量和应用方法的影响”。

那么如何对测量过程进行控制, 下面采用几个实例来着重介绍一下测量系统分析与测量过程控制方法。

1 测量过程控制

测量过程控制是对测量过程采取的控制技术和活动, 是对影响测量结果的所有因素 (包括人员、环境、设备、计量溯源、检测方法等) , 即资源和活动加以控制, 以此达到减少或消除其影响。众所周知, 在影响产品质量特征值变异的六个基本质量因素 (人、机、料、法、环和测) 中, 测量是其中之一。与其它五种基本质量因素所不同的是, 测量因素对工序质量特征值的影响独立于五种基本质量因素综合作用的工序加工过程, 这就使得单独对测量系统的研究, 并进行有效控制成为可能。

1.1 简单控制方法

是利用相同或不相同的方法进行重复测量;对保留的物品进行再测量;分析一个物品不同特性结果的相关性;对测量过程中使用的测量设备进行抽样检查;对测量过程的环境条件进行监测;对测量人员的工作实施监督检查等。

1.2 复杂的控制方法

2 测量系统分析

测量系统分析指用统计学的方法来了解测量系统中的各个波动源, 以及他们对测量结果的影响, 最后给出本测量系统是否合符使用要求的明确判断。目的是确保企业产品质量检验、生产过程的监控和工艺监测、物料和流程性产品交接时计量核算、能源核算、新产品试验、环境监测以及生产安全监测的结果准确可靠等。测量系统可分为“计数型”及“计量型”测量系统两类。测量后能够给出具体的测量数值的为计量型测量系统;只能定性地给出测量结果的为计数型测量系统。“计量型”测量系统分析通常包括偏倚、稳定性、线性、以及重复性和再现性 (简称R&R) 。在测量系统分析的实际运作中可同时进行, 亦可选项进行, 根据具体使用情况确定这里着重对被检测量设备进行控制。下面举例对游标卡尺在尺寸测量过程中的偏移、线性以及行进行重复性和再现性分析。

2.1 偏移分析

【例2】东北特钢集团高合金线材公司, 精整线使用一把 (0-300) mm/0.04mm的游标卡尺, 作为产品终端测量尺寸, ￠65.50mm圆钢GCr15作为样品, 其基准值直径为￠65.50 mm, 共测量15次, 测量结果如表1。

平均值=65.48 mm偏移=平均值-基准值=65.48-65.50=-0.02取α=0.05 (95%置信度)

偏倚的95%自信度区间上限为:-0.0615

偏倚的95%自信度区间下限为:0.0215

结论:“0”落在偏移值附近的1-α置信度界限内, 则偏移在α水准上是可以接受的。

2.2 线性分析

【例3】检定人员对模具钢公司精整线 (0-300) mm/0.04mm的游标卡尺按规程要求检定五点 (也可以选用不同规格的产品作为样件进行测量) , 检定结果列入下表, 根据检定结果对该尺的线性进行分析。 (如表2、表3)

根据中途计算结果按下列公式进行计算, 最后画出线性图如图1。

利用散布图和统计软件求出回归直线的拟合优度R2。

R2=0.793>0.7, 且“偏倚=0”线包含在置信带中, 判定此测量系统可接受。

2.3 重复性和再现性 (简称R&R) 分析

测量系统分析是通过过程特征的连续性分析来确认测量过程是否有效。严格的来说, 必须是具有复现性的测量系统才可运用本方法进行分析。

按照测量系统分析的要求, 在产品特性范围内获取10件产品作为样件, 并分别编号为1~10号;由三名测量人员按随机顺序对1~10号的样件各循环测量3次, 由负责记录的人员记录在《量具重复性和再现性数据收集表》中 (见《测量系统分析》参考手册、第三版、第101 (图12) 对应的编号栏内。记录人员不应让测量人员知道相互之间的测量数据。按要求及时出%GRR和ndc最后测量系统可接受性的通用比例原则进行判断。

3 需要注意的几点

3.1 样件的选择

在选择样件时需要考虑样件尺寸的散差应均匀分布在公差范围内, 特别是有上下公差要求的, 我们需选择几个临界尺寸的样件, 目的是保证区别分类数ndc≥5, 即MSA是有效的。

3.2 测量结果的取值

为了保证MSA的准确度, 仪器的读数也是很关键的一项, 尽可能保留估读值, 千万不要舍除每次的估读值。

3.3 操作方法

在对测量系统进行分析时, 测量人员的操作方法必须相同, 测量程序、测量手段、测量设备以及样件的测量位置都要保持一致。如果不注意测量细节, 就无法保证测量系统的有效性。

参考文献

[1]GB/T19022—2003/ISO10012:2003《测量管理体系测量过程和测量设备的要求》·中国标准化协会·2003.12.16日发布.

[2]国家质量监督检验检疫总局计量司·中国计量测试学会.现代企业计量工作指导手册 (修订版) [S].北京:中国标准出版社·2005.

测量系统分析 篇2

海洋重力测量实时处理系统

介绍了我国第一套海洋重力测量实时处理系统的`软、硬件结构、技术性能、与其相关的理论研究成果以及试验、应用情况.

作 者：管铮 欧阳永忠 黄谟涛 陆秀平 作者单位：天津海洋测绘研究所,天津市友谊路40号,300061 刊 名：武汉大学学报(信息科学版)  ISTIC EI PKU英文刊名：GEOMATICS AND INFORMATION SCIENCE OF WUHAN UNIVERSITY 年，卷(期)： 26(6) 分类号：P229.2 P244 关键词：海洋重力   实时处理   误差分析  

测量系统分析 篇3

杭州科雷机电工业有限公司近期研发的Techcron Super Scan（TSS）分光密度扫描装置和ExPresso视窗软件等构成了一套完整的质量控制系统，其中，TSS可持续提供各种测量参数，以满足高品质的测量需求并提高工作效率，帮助印刷企业解决难题。其彻底改变了印刷色彩的检测方法和操作过程，自动扫描功能实现了高速、准确、流程化的印刷控制条数据获取；手动扫描功能实现了灵活、全面的单点色彩檢测、标准色样数据读取等各种针对色彩的数据获取。

TSS附带的ExPresso视窗软件提供了一个包括专色测量、支持16个印刷机组、支持正面和反面印刷、彩色密度测量、网点增大测量、灰平衡测量、L*a*b*值测量和如何调整印刷油墨的建议（这些功能仅仅是整体功能的摘录）等组成的综合工具包。由于采用模块化设计，ExPresso可扩展并且通用，可以导出测量数据到标准应用程序，如Microsoft Excel？；也特别适合对不同的质量控制方法（如ISO 12647或Gracol G7？）得到的印刷质量情况进行评估和处理；也可配合印刷机油墨预置系统扫描数据，并反馈到软件进行校正，实现色彩闭环控制，无需手动调节墨键，从而提高了批量印刷的色彩稳定性。

TSS附带的Spectro Connect软件可配合使用，实现灵活的单点密度、色度测量，亦可用于ICC印刷特性文件数据的采集和数码打样的校色。

应变测量系统误差分析 篇4

关键词：灵敏系数,误差,导线电阻,电阻应变片

应变电测技术由于它适应性强,易于掌握,能在复杂的工作条件下进行大型工程结构的应力应变测量,目前已广泛应用于国防、化工、机械等部门的生产与科研工作。在进行电阻应变测量时,需要评价测量数据的可信度[1],也就是在进行试验及数据处理之前,应对电测试验中可能产生误差的因素加以分析,找出误差可能产生的原因和它们的规律,设法减小误差对测量结果的影响。

在此拟从4个方面对测试中产生的误差进行分析讨论。

1 电阻应变片灵敏系数K的变化产生的误差

电阻应变片的电阻变化率可表示为:

undefined

式(1)中:KL为电阻应变片的轴向灵敏系数;KB为电阻应变片的横向灵敏系数;εL为沿电阻应变片轴向的应变;εB为沿电阻应变片横向的应变。

由式(1)可见,电阻应变片的电阻变化率实际上是2部分的迭加,一部分是敏感栅仅受εL作用(εB=0)时的电阻变化率,另一部分是敏感栅仅受εB作用(εL=0)时的电阻变化率[2]。

式(1)又可表示为:

undefined

式(2)中:H=KB/KL为电阻应变片的横向效应系数。令C=εB/εL,则可得:

undefined

对已贴片的电阻应变计,C表示横向应变与轴向应变之比,所以C由电阻应变片贴装处应变场特性和贴装方位所决定。电阻应变片的灵敏系数K是式(3)的一个特例,即:

undefined

上式中:μ0为电阻应变片金属丝材料的泊松系数;εX为电阻应变片金属丝的轴向应变。

此时:

undefined

式(4)表达了一般意义下电阻应变片的灵敏系数。它表明电阻应变片表现出的对应变的灵敏度是有条件的,K值除取决于电阻应变片敏感栅的材质、形状之外,还与被测量点应力的状态和电阻应变片的贴装方位(C值)有关[3]。

2 机械滞后引起的误差确定方法

由于电阻片的特性不好,粘贴剂固化处理不好或胶层过厚,都会造成电阻片不完全服从胡克定律或稳定性差,而使电阻片产生机械滞后[4]。机械滞后的误差可从加载曲线得出,如图1所示。机械滞后对动态测量不仅会影响到所测应变得大小,而且在时间上还有滞后,这对于分析结构各部件变形的相互关系,将带来一定的影响,因此需要加以修正。可采用对被测量试件反复加卸载的办法来减小机械滞后量,一般反复3～5次即可[5]。

3 电桥非线性带来的误差

为了说明这个问题,讨论单个桥臂工作时应变与电桥输出电压的关系[6]。图2为单臂工作时的直流应变电桥原理图。其中E是供桥电压;Vo是电桥的输出电压。设R1为工作电阻,ΔR是工作片承受应变后引起的电阻增量,因应变有拉有压,所以ΔR有正负之分。

当R1=R2=R3=R4=R时,可得出电桥的输出电压Vo为:

undefined

一般,R≫ΔR,且undefined为电阻应变片的灵敏系数,ε为应变),所以式(5)可写成:

undefined

从上面的推导过程可以看出,Vo实际上与undefined是非线性的,只是因为undefined很小做了近似处理,才简化为线性关系[7]。下面讨论由式(5)到式(6)这一简化带来的误差。

由式(5)得:

undefined

比较式(6)和式(7),可得到相对非线性误差为:

undefined

当ε=10 000×10-6,K=2时,误差=-1%,所以,在大变形测量中误差较大,应予修正。

4 长导线引起的测量误差

由于野外工作条件所限,往往使测量仪器远离被测结构物,从而必须使用较长导线连接,由于組桥方式和连接方式不同,引起误差的大小也不同[8]。假设单根导线的电阻为r,现分别讨论如下。

4.1 单片接法

由图3可知,AB桥臂的电阻相对变化不是undefined,而是undefined;测点处的真实应变为:undefined,而读出应变为:

undefined

也就是说仪器读数ε1应乘以undefined才是测点的真实应变。所以undefined称之为修正系数。换句话说,导线的接入降低了灵敏系数K值,其降低程度为:

undefined

设降低后的灵敏系数为K′,

undefined

将式(11)按幂级数展开,略去高次项得:

undefined

所以其误差为:

undefined

4.2 半桥接法

半桥接法可以分为半桥三线制和半桥四线制,后者的修正系数及误差同单片接法。图4为半桥三线制接法,B′B间的电阻r与放大器输入阻抗相串联,所以忽略不计,其修正系数为:undefined,而误差为:undefined。从以上讨论可以看出,半桥三线接法比单片接法误差减小一半,故在同样误差下,半桥接法的导线长度比单片接法的导线长度可增加1倍[9]。

4.3 全桥接法

图5为全桥接法,同样B′B和D′D间的电阻是与放大器阻抗串联的,可忽略不计。

由于A′A和C′C的导线电阻使加到应变电桥上的桥压降低为:

undefined

也就是说使K值下降为:

undefined

所以,其误差为undefined,当导线过长,必须修正。

这里还要指出的是,温度变化除引起应变计电阻变化外,还会引起连接应变计和应变仪的连接导线电阻变化[10]。例如对于横截面积为0.5 mm2,长为15 m的铜导线,其电阻约为0.6 Ω。当温度变化5 ℃时,导线的电阻将变化0.012 Ω,灵敏系数为2.0的应变计,相当于100×10-6所引起的电阻变化。也就是说如果其他因素不变,应变仪读出100×10-6的虚假应变。可见温度变化也会导致很大的试验误差。因此,在试验时,工作和补偿应变计的连接导线应采用同一型号的电线,长度应相同,并且将它们捆扎在一起,使其受相同温度的影响,这样温度变化产生的影响也将被补偿。

参考文献

[1]周民.压力传感器灵敏度特性的研究[J].武汉船舶职业技术学院学报,2005(6):27-30.

[2]孟立凡,郑宾.传感器原理与技术[M].北京:兵器工业出版社,2000.

[3]梁立凯.电阻应变片测量中温度为误差的补偿方法[J].呼伦贝尔学院学报,2001(1):72-73,110.

[4]孙宇宁.应变式测力传感器的非线性误差及其校正[J].测绘信息与工程,1998(1):38-41.

[5]陶宝祺,王妮.电阻应变式传感器[M].北京:国防工业出版社,1997.

[6]张建民.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[7]郑秀瑶,谢大吉.应力应变电测技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[8]徐晗,陈灼民,武松涛.电阻应变测量方法浅析[J].测试技术,2002,30(1):25-29.

[9]刘玲霞.电阻应变式测力传感器设计的应力集中原则[J].中国科技信息,2006(17):106-108.

真空热试验的温度测量系统 篇5

真空热试验的温度测量系统

文章介绍了航天器真空热试验的.温度测量系统,包括热电偶测量系统、无线测量系统和红外摄像测量系统,涉及接触测量和非接触测量、有线传输和无线传输.目前热电偶温度测量系统在国内外真空热试验中居主导地位,应用十分普遍.但国外近几年无线测量系统已得到研制,红外摄像测量系统已得到应用,有的空间机构已计划将新型测量系统列入空间环境模拟器的标准配套设备.航天器温度测量系统的这些发展变化值得业内人士关注,进行必要的技术和设备研发工作,更好地适应未来航天器真空热试验的需要.

作 者：郭赣 Guo Gan 作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094刊 名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：26(1)分类号：V416.6关键词：真空热试验 温度测量 热电偶 无线测量 红外摄像

测量系统分析 篇6

关键词：影像测试方法；竞技体育

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）06-0278-01

近年来，在观看部分体育比赛如网球、篮球等项目时发现，这些比赛均可以通过回放来确定某一个关键球的归属或者得分情况。尤其在比赛的末尾，这种通过影像资料帮助裁判决定判罚的方法十分奏效。而这里提到的影像测量方法还是目前运动生物力学研究中常用的方法，它主要用于分析人体运动过程中技术是否合理、是否符合人体身体生理结构等。因此，影像测量对于生物力学相当重要。

一、影像测量方法的分类

影像测量方法包括以下几种： 平面定点机摄像、平面定点跟踪射线、立体定点定机摄像、立体定点跟踪摄像等方法。由于各种条件的限制，常用的是平面定机摄像测量方法、平面跟踪摄像测量方法和立体定机摄像测量方法。

（1）平面定机摄像测量方法：平面定机摄影测量方法是运动生物力学摄像测量方法中最为简单易行的一种测量方法。这种方法是将摄像机固定在三脚架上，拍摄前设定好摄像机的空间位置、拍摄距离、机高、取景范围、焦距、光圈等，这些条件固定好以后不变，从而拍摄人体和物体在平面内的运动。此种方法只适用于小范围的拍摄对象在一平面上或主要在一个平面上的运动，比如竞走，跳远等运动项目。

（2）立体定机摄像测量方法：立体定机摄像测量方法是采用两台或多台摄像机从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台摄像机所拍摄的影像进行数字化，通过直接线性变换从而获得所需的三维运动的空间坐标，获得有关的运动学参数[3]。立体定机摄像测量方法较平面定机摄像测量使用范围较广，在田赛的项目中经常用到立体定机摄像测量来获取所需运动学参数。

二、影像测量方法存在的误差现象

对人体动作规律的揭示主要是依靠影像测量方法的测量结果，而影像测量误差的存在会产生伪信息，歪曲混淆对人体动作现象的认识，甚至会导致出现错误信息和结论。为获得可靠的测量结果，必须研究影像测量过程中误差的大小、关系和性质，研究消除、抵偿和减弱测量误差的措施。因此，我们有必要对影像测量方法的误差问题进行系统的分析，全面考察影响影像测量精度的误差因素、误差性质以及减小和消除误差的对策与方法，从而使研究者能够更加深入的了解影像测量方法的误差范围，避免误差的产生，达到正确、有效利用这一方法为体育科研工作服务的目的。

（1）人因误差：运动影像测量的拍摄过程中，人因误差主要是由于测量者受分辨能力的限制，或因工作疲劳引起的感觉器官的生理变化，固有习惯引起的读数误差，以及一时疏忽等引起的误差。

（2）环境误差：由于目前使用的影像测量系统大都属于光电子设备，易受到光线、温度、电磁场、振动等环境因素的影响，从而引入误差。通常仪器在规定的正常工作条件所具有的误差称为基本误差，而超出此条件时所增加的误差称为附加误差。

（3）装置误差：装置误差主要包括标准器的误差和测量器具的误差两个部分。在运动影像测量中，所使用的标尺或标定框架本身的精度不够，会引入误差；另外，利用 DLT 算法进行三维重构时，对于控制点的质量、数量与分布会有一定的要求[4]，否则会产生重构误差。

而为了减少这些测试误差，贾谊、严波涛总结了5种较为常用的方法： （1）粘贴皮肤标志点法；（2）设置参照点法；（3）周期运动对侧关节点计算法；（4）局部拍摄法；（5）自校准技术标定法等[5]。

三、影像测量的发展趋势

（1）合于各个运动项目的需要、能现场及时反馈测试结果与方法和提供详细测试分析报告的方向发展。

（2）三维跟踪摄像、摄影测量方法的推广：目前，在进行影像解析时所拍摄的运动范围的横径一般只有3～5 m，拍摄范围越大，人像在画面中占的比例越小。为了增大人像占画面的比例、提高测量精度，必须采用跟踪拍摄方法。

（3）摄像测量精度越来越高：近年来，摄像测量方法逐步替代了电影摄影测量方法，但摄像测量的精度较低。为此必须提高摄像测量的精度，其途径是提高摄像、解析系统的分辨率。

（4）运动影像解析系统将逐步在我国各训练单位及体育院校普及：随着国民经济的迅速发展，科技的进步以及人们对运动影像解析在体育科研、运动训练、体育教学等方面重要作用认识的提高，该系统仪器设备将进入各基层单位，随之体育科研的成果、运动训练水平也将会更上一层楼。

四、小结

本论述大致阐明了如今比较火热的影像测量分析方法的分类、使用误差、目前的使用状况以及未来的发展趋势。该方法能较好的评价与指导运动员技术动作的完整与协调，随着摄影系统的不断升级，该方法也会日趋完善，将来一定会拥有更广阔的使用空间。但在使用时一定注意对误差的谨慎处理，避免得出无用数据，对竞技体育产生不良的影响。

参考文獻：

[1]马逢伯。运动影像测量方法的发展现状研究

[2]王清，忻鼎亮，严波涛，张跃，曲峰。运动生物力学在竞技体育中的应用[M]。国家体育总局体育科学研究所

[3]卢德明，王云德，严波涛。运动生物力学测量方法[M]。北京体育大学出版社，2001：19 -33.

[4]冯文灏。近景摄影测量：物体外形与运动状态的摄影法测定[M]。武汉：武汉大学出版社，2002.

[5]贾谊、严波涛。运动影像测量方法与误差分析[M]。天津体育学院学报。

[6]杨跃飞、宋跃先、彭支玉。运动影像解析系统在体育领域的应用现状及发展趋势

心音信号测量及分析系统 篇7

传统的听诊器主要缺点有:难以捕捉到人体内脏发出的一些微弱却非常重要的生理声音, 准确性较差;听诊的同时无法实现波形实时显示, 容易受人耳听力敏感局限和听诊者主观经验的影响等。这些缺点最终导致医生无法及时做出正确的诊断。因此临床迫切需要一种准确性高、波形实时显示、简单易用、成本低、体积小的装置, 让临床医生在心脏听诊的同时能看到相应信号的波形图, 以便对病人的病变做出更加准确的判断。

1 硬件电路设计

1.1 模拟电路部分

心音传感器采用传统听诊器与驻极体体电容式传声器自制而成。可以采集心音信号, 并将其转化为电压的变化输出至模拟电路。

信号调理模块主要包括初级放大模块、滤波模块以及再放大模块。

初级放大模块:心音呼吸音传声器输出的是非常微弱的交流小信号, 不能满足滤波模块的要求, 必须对心音信号进行初级放大处理。这里使用LM358搭建交流小信号同相电压放大电路。

滤波模块:为了得到比较纯正的心音信号, 必须设法去除这些噪声, 提高心音的信噪比。心音的频率范围是20-600HZ, 主要集中在20-150Hz范围内, 信号的主要干扰源之一的工频50Hz在心音的频率范围, 所以采用低通-50Hz陷波滤波器网络, 截止频率分别是20 Hz和150Hz。

再放大模块:经过滤波处理后, 我们得到的心音信号己经比较纯正, 滤波后信号中噪音部分被滤除, 由于初级放大倍数不能太大, 否则心音信号也会被截止。所以需设置再放大模块, 进行信号的再放大处理, 提高信号的信噪比。

1.2 单片机数控部分

单片机控制系统是将放大电路输出的心音模拟信号转换成数字信号, 实时显示其模拟信号电压值, 同时将该信号通过串口送至上位机进行分析和处理。

系统主控单片机采用PIC16F877A单片机。其运行速度快, 采用RISC精简指令技术, 低工作电压, 低功耗, I/O口有较大的驱动能力。RA0口作为模拟输入, 接收放大器传输的模拟心音信号。

数据传输方式采用3位串行方式与单片机通信, 其显示内容为AD采集过来的实时电压值, 即放大器输出的模拟心音信号。

单片机数控系统与计算机通信采用RS232串口。主要电路由MAX232EPE及其外围电路构成, 将TTL电平转换为RS232电平, 进行数据的传输。电路中将单片机的串行通信输入输出口与MAX232EPE的输入输出口连接。

2 系统软件设计

系统软件设计由三部分组成:

第一, 系统初始化, 包括ADC初始化, LCD初始化, USART初始化, TimerA初始化, 端口初始化, 使能全局中断;

第二, 心音系统初始化部分, 包括LCD基本显示及等待系统完成初始配置, 使能TimerA中的各中断;

第三, 中断服务程序, 主要包括ADC中断, 和TimerA 中断。

ADC中断服务程序, 当ADC转换完成后, 相应中断标志位置位, 响应中断服务程序。在ADC中断中, 将ADC采样后的数据进行了相应处理, 如由于采样速率较高, 通过多次采样求平均值, 保证采样的准确性, 处理过后数据存入一个缓冲区1, 经过中值平均滤波处理, 消除尖脉冲后, 再送入数据缓冲区2, 再经过平均滤波处理后, 利用USART串口模块将数据传输给PC机。

3 心音信号的上位机分析

上位机分析模块主要利用MATLAB软件编程实现心音信号波形的实时显示。心音信号数据经过单片机模块处理之后, 利用串口通信模块将心音信号的实时数据传至上位机。利用MATLAB中的画图函数, 对心音信号的实时数据进行画图。在画图过程中, 使心音信号数据没隔3s中更新一次, 保证心音信号显示的实时性, 同时又不至于采样数据过大, 影响系统工作速度。

4 总结

本论文主要完成心音信号测量及分析系统的硬件设计, 包括心音传感器、初级放大模块、滤波模块和再放大模块, 以及单片机控制部分的设计, 同时可以将所采集的数据通过串口送至计算机中进行保存、分析和处理。最终完成了系统的整体设计, 达到了预期的目标。

参考文献

[1]李勇, 高小榕, 郭爱雯.基于连续小波变换的心音信号时频分析[J].清华大学学报, 2001, (3) :77-81.

测量系统分析 篇8

测量系统分析是指用统计学的方法解读测量系统中的各个波动源,以及它们对测量结果的影响,给出本测量系统是否合乎使用要求的明确判断[1]。测量是以确定实体或系统的量值大小为目标的一整套作业。这个过程的输入有操作者、量具和必要的设备软件、实体或系统、操作方法和测量环境;过程的输出就是测量结果。由人、量具、测量方法和测量对象构成的过程整体就是测量系统。测量系统由分辨力、偏倚和线性、R&R(重复性和再现性)、%研究变异比(%P/TV)和%研究公差比(%P/T)等指标来评价系统的优劣[4]。

叶丝水分是制丝烟草加工过程中的重要指标,直接影响后续的卷接加工和产品质量,但是水分又极易受环境温湿度影响而变化。在烟草加工过程中,水分控制由红外水分仪的实时测量、数据反馈控制来完成。现以实验室红外水分仪(Infra Lab 710 e-series)为例,借助MINITAB工具来分析评价该仪器对叶丝水分的测量能力。

1 破坏性试验设计

1.1 实验原理

测量系统分析包括计量型数据(非破坏性和破坏性试验)和计数型(属性值)数据[10]。测量系统的重复性和再现性是评价系统波动大小的量。重复性波动σ2RPT反映量具本身的波动,再现性波动σ2RPD主要是不同操作者在操作过程中产生的波动[6]。测量系统的波动σ2ms组成:σ2ms=σ2RPT+σ2RPD。重复性波动σ2RPT包括测量部件的波动σe2,再现性波动σ2RPD包括操作者的波动σo2和操作者和部件的交互作用σop2[7]。

测量过程是否有能力准确可靠地反映被测对象的波动是测量系统分析所关注的[8],对测量系统的能力作出评价的方法有2种。

(1)用测量系统的波动R&R与总波动TV之比来度量,通常记为P/TV

(2)用测量系统的波动R&R与被测对象质量特性的容差(公差)之比来度量[2],通常记为P/T

数据组数就是在统计分析后由测量系统给出的测量对象波动和测量系统波动的标准差而确定的可分辨数据组数,是判定测量系统分辨力是否足够的依据[16]。

一般说来,数据组数应大于等于5,这样的测量系统才能有足够的分辨力,使数据能较好的用于分析和控制过程。

在进行破坏性试验过程中,测量数据的同时,样件遭到破坏,则不能对其进行多次测量[13],比如叶丝水分测试。常用的方法是认为同批次内样件间的差异小到可以忽略不计,采用同一批次中多个样件当作单个样件来评价测量系统的波动[3,9]。经过试验发现该方法对水分测量并不适用,主要是反映在线取样同批次的水分差异太大且不可忽略。经过改进使用环境试验箱的温湿度平衡法[11],并用MINITAB工具的量具R&R研究(嵌套)的选项进行分析。

1.2 实验步骤

首先确保仪器运行状态稳定且经过烘箱法校准,其次对叶丝水分进行重复性和再现性测试,叶丝水分各值由环境试验箱设定温湿度值,并平衡48h后取样测试,样品均匀分布在试验盒中,试验盒置于试验箱的上、中、下3层,取样时首先由同一操作员各取上、中、下3层中9份的样品,取出的样品加盖铁盒暂存,取出的样品(铁盒)再倒入水分仪自带的样品盘中,均匀铺开置于水分仪中快速测试2次,第1位操作员测试完后再由另一个操作员用同样的方式取样测试。

这样设计的目的是降低生产线上取样时叶丝水分受到环境、物料批次等因素影响,而采用平衡法来制造不同层面的3批产品样本。而每个样品快速测量2次,是理解为在短时间内叶丝水分前后2次测量的差异,认为是同一批次中多个样件当作单个样件来处理,缺点是第2次的测量结果会略小于第1次0.10%左右的水分,同时水分越高,2次之间的差距越大。

分析3种情况下的实验室红外水分仪测量能力的可区分类别数和合计量具R&R(重复性和再现性)。

2 测量分析应用

2.1 叶丝水分11%下的分析

MINITAB工具输出结果(见图1,表1)。图1 A表明,过程的变异不仅来自部件间,还包括量具,量具的变异主要来源于重复性。图1 B表明,每个操作员测量的同一个部件的极差形成的控制图数据点落在控制限内[12],极差无特异,重复性较好。图1 C表明绝大多数平均值落在控制域外,过程实际波动大,测量系统能力较好。图1 D表明按部件分组的测量结果,均值连线的变化大,过程实际的波动大。图1 E表明按人员分组的测量结果,均值连线的变化小,表明再现性波动小。

从测量系统能力判定来看:方差分量贡献率0.36,%研究变异(%SV)6.04%<10%,测量系统能力良好,可区别类别数NDC=23[15]。

2.2 叶丝水分15%下的分析

MINITAB工具输出结果(见表4,图2)。图2的结果与图1基本一致,图2 E表明按人员分组的测量结果,均值连线有上仰,表明操作员之间略有差异。

从测量系统能力判定来看:方差分量贡献率6.27,%研究变异(%SV)25.04%<30%,测量系统能力勉强可以接受,可区别类别数NDC=5。

2.3 叶丝水分20%下的分析

MINITAB工具输出结果(见表4,图3)。图3的结果与图1基本一致,但是前后2次测量结果之间差异显著大于11%和15%的情况。

从测量系统能力判定来看:方差分量贡献率2.87,%研究变异(%SV)16.95%<30%,测量系统能力勉强可以接受,可区别类别数NDC=8。

由以上的分析,该测量系统对于叶丝水分的测量是可接受的[14]。

3 结论

叶丝水分测量仪器(红外水分仪)在测量叶丝表面水分时,容易受到环境、人员、仪器等多方面的影响,而无法对其进行计量型数据的测量系统分析。通过这种测量系统分析(破坏性试验)的改良方法,使我们有办法解决这个问题。这种改良的方法是应用嵌套的方法实现R&R(重复性和再现性研究),采取有效的分层水分平衡法,在各层中分别取样。在短时间内测量叶丝水分前后2次的差异,认为是同一批次中多个样件当作单个样件来处理,认为2次测量是单样件的重复测量,从而增加样本的测量频次。

通过试验分析,在11%,15%,20%3种水分含量情况下,系统的测量能力判定是研究变异比(%SV)均小于30%,有的甚至达到小于10%,还有可区别分类数NDC的数值均大于等于5。因此这种叶丝水分的测量分析方法完全可以接受。

随着检测仪器的不断更新改进,工艺质量的不断提高,基于数理统计方法的测量系统分析(MSA)为检测仪器适用性能的判定,提供有效的分析方法和重要的科学依据。

摘要：介绍测量系统能力分析的分辨力、线性和偏倚、R&R(重复性和再现性)各测量指标,并对实验室红外水分仪的测量能力进行破坏性试验的测量系统分析评价。以制丝烟草加工过程中的叶丝水分为例,应用测量系统分析实验室红外水分仪测量能力分析评价,使用破坏性试验的测量系统分析方法,分析说明MINITAB软件生成的结果,找出测量过程中的波动源和影响程度,为后续实验室红外水分仪的使用提供帮助。

浅谈计量型测量系统分析 篇9

关键词：重复性,再现性

1 概述

数据是通过测量得到的, 数据的准确性取决于可靠的测量系统, 正确执行测量系统分析是有效利用数据的基础, 本文主要论述了计量型测量系统分析方法。

2 计量型测量系统变差:

计量型测量系统变差包括稳定性、偏倚、线性、重复性和再现性。测量系统分析就是对每项变差进行分析, 确定其是否可以接受。

3 计量型测量系统分析时机:

执行SPC前;新测具、新测量人员;环境发生明显变化;定期分析;测具进行重大维护后。

4 计量型测量系统分析实施

本文主要讨论重复性和再现性分析, 即Gage R&R分析, 对其它特性, 各公司的计量部门应进行保证。

4.1 分析前提条件:

a) 测量设备的分辨率应为所测特性公差的1/10或更好;b) 测量设备的稳定性、偏倚和线性符合要求;c) 建立了测量过程操作说明, 规定如何测量和记录;d) 具有能进行测量系统分析的人员。

4.2 分析前期策划:

通常选择10个零件、3名测量人员、分别测量3次。选择的零件应能代表整个加工过程变差, 即包括中差和极限状态的零件, 测量人员应来自不同的班次和团队并经常执行测量工作;利用Minitab软件的“创建量具R&R研究工作表”功能产生随机化数据收集表。

4.3 零件测量和数据记录:

保证测量采用同样的方法并对同一位置按数据收集表顺序进行盲测, 对于数显测具应读取到结果的最后一位小数, 对于模拟测具应估读到最小刻度的1/2。记录测量结果, 并记录异常情况。

4.4 结果产生:

利用Minitab软件的“量具研究”功能, 对测量系统的重复性和再现性进行分析。Minitab会输出数据和图形结果。

4.5 接受准则:

一般接受准则为:a) 如%公差的结果小于10%说明是理想的测量系统;结果在10%-30%之间时, 需要依据所测特性重要程度、量具成本和维修费用来判断该测量系统是否可以接受;结果大于30%表明测量系统不可接受;b) 可区分类别数大于等于5时测量系统可以接受;可区分类别数小于5时, 测量系统不可接受。

4.6 图形分析和改进:

根据图形结果可以大体确定影响测量系统结果的主要因素。图1的柱形高度表明变异贡献大小。如果零件间的柱形很高, 表明大部分变异是由于零件间的差异所致, 这是理想情况;如果重复性的柱形很高, 表明测量人员每次的测量结果不一致;如果再现性的柱形很高, 表明不同测量人员的测量结果不一致, 通过分析该图形可以帮助我们确定变异的主要来源。图2表明测量人员前后测量的差异大小。可见测量人员B的前后测量值差异很大, 需要调查为什么测量人员B在测量部件2和8时测量差异较大。图3表明测量部件的均值状态。应保证超过50%的点落在控制限之外, 表明变异主要是由于部件间的差异所致, 如果大部分点落在控制限之内, 表明测量系统不能对零件进行区分, 即测量系统造成的变异掩盖了过程波动, 说明选择的零件没有代表性或测量系统不合适。同时, 该图形理想的状态是三名测量人员的结果图形一致, 如果图形不一致, 表明不同测量人员的测量方式不同, 需要进行调查。图4将所测零件的全部测量结果用○表示, 并将计算的均值用+表示, 如果测量结果差异较大, 图形散布较大, 如果测量结果一致性较好, 图形散布较小, 如图, 零件2、4、8、10的测量结果散布较大, 需要调查原因。

结语

上述仅是常用的计量型测量系统分析方法, 此外还有极差法, 测量过程能力指数法等, 在零件数量不能满足要求时可考虑使用这些方法。

参考文献

测量系统分析 篇10

关键词：高速摄影,运动分析系统,误差

0 概述

高速摄影运动分析系统是利用摄影手段对被测对象进行连续高速拍摄, 并据此进行运动参数分析的专用设备, 完成高速拍摄的设备称为高速摄影机。高速摄影机的拍摄速率可高达每秒数千帧、数万帧乃至数十万帧;最初的高速摄影机使用摄影胶片, 称为胶片式高速摄影机, 近年来, 随着计算机技术和数字存贮技术的发展, 出现了采用数字存贮技术的数字式高速摄影机, 并因其使用方便, 使用成本低等优点得到迅速普及。

高速摄影运动分析系统的基本组成是:高速摄影机及其附件、控制分析计算机和运动分析软件, 各部分的作用如下:

(1) 高速摄影机及其附件:高速摄影机用于将研究对象以一连串图像的方式连续记录下来, 并将其存贮在内部存贮器中。高速摄影机的附件包括镜头、接线盒、灯具等, 在拍摄时起着辅助作用。

(2) 控制和分析计算机:该计算机用于控制数字式高速摄影机设定拍摄参数, 并完成拍摄和图像下载、传输和转换。同时, 配合运动分析软件, 该计算机还可完成被测对象的运动参数分析。

(3) 运动分析软件:运动分析软件是一种特殊的计算机软件, 它根据高速摄影机的拍摄结果, 利用图像分析技术得到图像上运动目标的运动参数, 这些参数包括:时间、线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速度等。

1 高速摄影运动分析的特点

目前, 胶片式高速摄影机已经退出历史舞台, 已被数字式高速摄影机所取代。数字式高速摄影运动分析系统的特点是数据直观、可视、便于回放观察, 实现了与运动目标的无接触测量, 尤其可以进行多目标、多运动参数的同步测量, 且具有很强的抗干扰能力。

2 高速摄影运动分析系统测量误差的主要来源

高速摄影运动分析的误差主要来自以下几个方面:

2.1 时基误差

模拟式高速摄影机的时基误差取决于胶片走片机构的运动误差、主轴马达的运动稳定度。而数字式高速摄影机由于采用了频率高达数十兆赫兹的高精度晶振作为其时间基准, 时间精度非常高, 以Kodak EKTAPRO RO-Imager型高速摄影机为例, 其时间误差仅为10-7S, 新型数字式高速摄影机的时基误差更低至10-8以下;因此, 数字式高速摄影机的时基误差可以忽略不计。

2.2 摄影器件的感光灵敏度

感光灵敏度是衡量摄影机质量的重要指标之一, 定义为单位光照强度入射在摄影感光器件产生的输出量, 单位为μA/Lx, 感光灵敏度越高, 获得期望的信噪比输出所需要的辐射照度越小, 在同样的环境照度下就能够获得较好的图像亮度, 或者说得到预期的图像亮度所需要的照度越小。较高的灵敏度可使摄影机获得高亮度的图像, 这对运动分析是非常重要的。

2.3 信噪比和动态范围

信噪比定义为器件的有用信号与噪声信号之比, 动态范围的定义为感光器件饱和信号电压与噪声电压的均方根值之比;两者都用分贝表示:

信噪比=20log (信号/噪声)

动态范围=20log (饱和信号电压/RMS噪声电压)

动态范围反映了摄影机的工作照度范围, 信噪比则影响着图像的成像质量, 两者越高, 所获得的图像的质量越高;反之, 图像的信噪比越差, 噪声信号就会大量出现, 干扰正常信号, 从而给运动分析带来困难并加大测量误差。

2.4 分辨率

像素是数字图像的基本单位, 图像分辨率的大小直接影响到运动分析的位置精度。分辨率越高, 像素间距越小, 目标点的定位精度越高, 因此分析精度越高。

2.5 拍摄速率

即摄影机在单位时间内拍摄的帧数, 单位FPS (Frames Per Second) 或帧/秒, 对应于数字信号处理里的采样频率。拍摄速率越高, 则对运动位置的分辨能力越高, 对应的曝光时间越短, 要求的光照条件越高。在实际拍摄时应选用合适的拍摄速率, 过高的拍摄速率可能导致速度微分处理时的误差效应;过低则帧间隔过大, 会过分损失目标运动的细节和位置精度。

2.6 环境光照

合适的光照是良好的拍摄效果的前提和必要保证, 光照过低则图像画面昏暗、噪声加大, 无法观察和分析;反之, 如果光线太强, 则会出现过渡曝光, 损失图像的细节, 也不便于观察和运动分析。

2.7 聚焦清晰度

调整物距可获得较好的图像清晰度, 但如果聚焦不良, 则画面模糊不清, 增加了确定目标位置的难度, 因而影响分析结果。

2.8 曝光时间 (快门速度)

曝光时间是每一帧图像拍摄时快门的开启时间, 它与拍摄帧速率、目标运动速度等参数密切相关。使用合适曝光时间是使运动目标得到清晰成像的前提。曝光时间过长, 目标物会在画面上留下虚影或叫拖尾, 直接增大分析结果的误差;曝光时间过短, 则图像曝光不充分, 画面暗淡不清, 无法进行分析。

2.9 光圈

光圈是调节控制镜头光线通径的装置, 光圈的大小决定了单位时间内的曝光量。因此, 在照度有限的情况下, 较小的光圈可以得到较亮的图像效果。但光圈同时控制着成像的景深, 光圈越小则成像清晰的前后范围越大, 反之则越小。

2.10 视野 (或取景范围)

视野大小与物体成像的尺寸成反比。视野太小时, 虽然可以得到较大的目标图像, 像素距离较小, 相对应的位置精度较高, 但无法得到较大的运动分析范围;视野太大时, 可以统全局, 有着较大的运动分析范围, 但像素距离大, 对应的位置精度较低。因此在拍摄时要根据实际需要, 选择合适的取景范围。

2.11 镜头光学轴线与目标运动平面的垂直度

正常情况下, 摄影镜头的光学轴线应与被测目标的运动平面处于垂直关系。如果发生倾斜, 由于透视原理的存在, 成像的不同部位将会有不同的形状比例, 由此给测量结果带来误差。

2.12 摄影球面位置误差

球面误差是摄影所固有的系统误差, 原因是因为摄影机在拍摄时, 将距离摄影镜头相同的位置的球面景象投影到成像平面。由于一般摄影时视野有限, 物距较远, 因而不易觉察, 但在进行近焦拍摄和广角拍摄时, 其造成的变形非常明显。

3 减小测量误差的方法

根据上述分析结果, 可有针对性地采取措施, 以减小高速摄影测量误差。下面结合实际测量经验, 给出一些减小误差的方法和建议:

3.1 选择像素分辨率高的高速摄影机, 并根据测量目标的运动范围调整视野, 尽可能提高图像的物理分辨率

高速摄影机的像素分辨率越高, 则对于同一摄影视野, 其物理分辨率也越高;同时, 选择合适的摄影视野 (即摄影宽度和高度) , 在被测目标点及其运动范围全部被包络的基础上, 尽可能缩小视野, 可充分利用摄影机的像素分辨率, 从而使实际拍摄的物理分辨率达到最佳。

3.2 增加环境亮度并减小光圈, 提高目标区域的亮度, 并调整曝光时间和焦距, 以获得最佳的成像质量

增加环境亮度可提高成像亮度, 减小光圈可进一步提高成像亮度, 通过调整曝光时间和焦距, 可依获得最佳的成像质量, 即:适宜的亮度, 清晰的图像。同时, 小光圈可获得较大的景深, 对于运动分析来说, 大景深有利于对复杂目标上的各点取得较好的清晰度。值得注意的是:目标点的亮度并不是越高越好, 适宜的目标点是其边缘清晰, 内部灰度均匀, 周围无明显噪点, 整体不出现曝光过度。

3.3 保持摄影光轴与目标运动平面垂直

摄影光轴与目标运动平面部垂直, 将导致目标在运动平面内的相同距离在成像平面内的投影距离不一致, 从而产生测量误差, 且此误差大小和方向随目标所处的位置不同而不同。因此, 不可为了调节拍摄范围的需要而使摄影光轴倾斜。

3.4 尽可能远的拍摄距离

如前所述, 拍摄距离过近, 其球面效应越明显, 测量误差越大, 因此, 在保证拍摄范围的条件下, 应尽可能将拍摄距离调远。

4 结语

数字式高速摄影机因其在运动分析上的显著优势而得到广泛应用, 但由于其测量方法的特殊性, 使得其在许多方面会产生测量误差, 因此, 根据测量误差产生的原因对测量过程中进行控制, 可依有效减小测量误差。

参考文献

[1]薛以平, 曾勇.现代摄影教程[M].中国建筑工业出版社, 2008, 9.

[2]杨再华.摄影测量的动态测量应用[J].电子机械工程, 2008, 2.

便携式注水肉测量系统设计 篇11

摘要：AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片。本文利用AD5933和单片机等器件设计了一款注水肉快速检测系统，该系统能够实时检测受检肉类的阻抗谱信息，然后与标准肉类的标准阻抗数据进行比较，从而判断受检肉是否注水肉，为注水肉的检测提供了科学的判断标准。本系统阻抗的测量范围为100Ω～10MΩ，频率分辨率小于0.1Hz，精度为0.5%，能够满足一般肉类阻抗频谱测试的要求。

关键词：AD5933 注水肉 检测 设计

1 概述

注水肉是肉品经营人用强制的手段往肉里注水，以水增重来多卖钱的一种损害消费者利益的违法肉，不法商贩为谋取暴利，市场上的注水肉也越来越多，成为严重威胁人们身体健康的一大公害。

本文采用STC89C52单片机作为控制器，利用电极、阻抗测量器件AD5933、放大电路、4位LED数码管等器件，设计了一款高精度的肉类水分测量系统。该系统能够实时检测受检肉类组织的阻抗数据，通过一系列的科学计算得出受检肉类是否注水，从而为执法部门检验注水肉提供有力的证据，在很大程度上保障了人民的生命财产安全。

2 肉类水分测量原理

2.1 肉类水分与阻抗的关系

通过对家禽肉类在无线电频率[4]范围内导电特性的研究发现，肉类的水分与阻抗特性基本成对数关系：

ZX=a+log■■（1）

式（1）中，ZX为肉制品的阻抗，M为肉制品水分含量，a、b均为常数，取值与被测肉类的品种有关[1]，且0

2.2 AD5933阻抗测量方法及原理

AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片，它是基于比例测量的方法来测量阻抗的，其测量原理非常简单，用一个运算放大器接成电压并联负反馈结构即可[2]。AD5933的比例测量原理如图2所示。

图2中，在输入接入一阻抗ZX，在反馈回路接入一反馈电阻RFB。由理想运放的“虚短”“虚断”，通过推导，有：

ZX=■=■=-R■×■（2）

3 系统硬件组成及实验测量结果

本系统的硬件电路组成框图如图3所示。

信号发生器产生的标准信号经被测样品的衰减，得到与水分含量成正比的水分测量信号，阻抗测量信号放大后经信号调理电路转换成数字信号，送给单片机进行数据处理，并与标准肉类的阻抗数据进行比较，直接判断受检肉是否注水。

阻抗测量电路主要由AD5933来完成[3]。若AD5933的VOUT峰峰值为2V（2Vp-p），对3块不同的受检肌肉，在常温下（25°C），选用不同的反馈电阻RFB和标定电阻R，对受检肉的阻抗模Z■的测量和计算结果如表1所示。

表1 系统对多块受检肉的测量结果

■

标定电阻R的精度要求较高，这样在一定程度上可保证阻抗ZX的测量准确性。由于AD5933内部A/D转换器的最高输入电压U为2V，经过推导和计算，对每次测量选用3种不同阻值的标定电阻R，并使反馈电阻和标定电阻的比值RFB/R保持在0.2和0.066之间，这样就可以保证A/D 转换器工作在线性工作区。

4 结论

由AD5933将ADC转换器输出的数字信号经I2C总线送给单片机进行处理后，直接在显示器上显示受检肉类的阻抗数据，然后与未注水的标准肉类的标准阻抗数据进行比较，从而得出受检肉是否合格肉或注水肉。

利用高精度的阻抗测量器件AD5933对受检肉类的阻抗进行实时检测，从而为注水肉的检测提供有力的判断依据，在一定程度上打击了某些屠宰场的不法行为，保障了人民的生命财产安全。经过实验测试，该系统具有安全可靠、测量准确、不破坏受检肉、成本低廉等优点。

参考文献：

[1]杨宇祥，王珏，牛飞龙，等.基于AD8302的生物阻抗频谱测量仪的研制[J].仪器仪表学报，2006，27（06）：168-170.

[2]傅元，吴然，韩吉声.AD5933测量水电导率电路设计中的若干问题[J].仪表技术与传感器，2011（7）：63-65.

[3]黎步银，黄兆祥，幸会，等.基于AD5933的阻抗频谱测试系统设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（10）：288-290.

基金项目：受2013年国家级大学生创新创业训练项目资助，项目编号：201310702003。

基于通风阻力测量的通风系统分析 篇12

随着矿井开采不断向深部发展, 机械化采掘强度不断增加, 对于一些老矿井的通风系统发生改变, 在进一步优化之前给矿井通风造成一定的负担, 其通风系统的研究具有一定的代表性。

根据山西某矿井通风阻力测量数据的处理结果, 矿井总风阻0.091 N·s2/m8, 等积孔为3.94 m2, 属于通风容易矿井, 目前矿井有2个回采工作面, 4个掘进面, 矿井整个通风系统比较简单, 根据矿井测量报告误差分析, 误差3.76%, 小于5%, 其结果是可用于现场实际, 能够反映矿井阻力情况, 为矿井通风系统研究提供了一定依据。

1 阻力分布特点分析

根据该矿井通风阻力的测量报告, 矿井通风系统的总阻力2 453.9 Pa, 矿井系统的阻力测算值为2 549.7 Pa, 风机房水柱计的读数为2 600 Pa, 自然风压和动压分别为13.21 Pa和63.55 Pa, 矿井通风阻力在进风段、用风段、回风段的阻力分配比为30.4∶31.3∶38.3, 是属于比较年轻的矿井。

目前, 研究矿井的通风系统主要从安全可靠性、经济合理性和技术可行性三个方面选取矿井的负压等各个指标分析评价矿井通风系统。根据该矿井通风阻力测算结果, 矿井的自然风压hn为13.21 Pa, 通风管理中矿井负压一般有其理想的取值范围, 对于所有的矿井, 矿井负压H不能太大, H大时会增加矿井通风的电耗, 不经济。对于有自然发火倾向性的矿井, H大时会增加矿井内部的漏风, H大已成为公认的可引起煤层自然发火的重要因素之一[1]。

该矿井通风系统的阻力分布特点如下: (1) 通风路线较长, 矿井通风系统的总阻力较高。该矿井通风系统比较简单, 矿井有2个回采工作面, 4个掘进工作面, 其中有2个掘进工作面的回风是9-4辅助回风暗斜2井回风, 但实测的主干通风阻力较高, 可以根据矿井巷道的实际情况, 改善巷道的支护形式、控制风流的主干风流, 降低巷道的通风阻力。 (2) 矿井在进风段的通风阻力所占比例相对于用风段通风阻力所占比例较高, 阻力分布失衡。主要是由于进风段路线过长, 并且经主斜井和副斜井的进风在到达主要用风地点906和907工作面之前, 在中央辅运巷和补辅运大巷及中央主运巷之间经联络巷风流流动控制不力, 进风段的联络巷要根据矿井的风压进行调节, 合理的安排巷道使风流流动合理, 满足进风段各材料库需要的同时, 降低进风段的阻力消耗。 (3) 目前矿井主要工作面的通风阻力占矿井主干系统阻力的31.3%, 掘进巷道的局部通风系统的回风主要经9-4辅助回风暗斜2井回风, 根据测算数据选择经掘进巷道的通风路线进行阻力分析时, 掘进巷道的阻力占总阻力的5.55%, 同时, 结合通风旬报其掘进巷道的风量也能满足要求。 (4) 矿井通风系统日趋复杂, 阻力增加。目前矿井有2个掘进工作面回风, 经9-4辅助回风暗斜2井回风。随着矿井开采的推进, 4号煤层是将来的主采煤层, 因此, 4号煤层一旦开采, 形成通风系统, 将是整个通风系统的距离最远, 阻力最大的用风环节, 考虑4号煤层开采过程中的通风系统阻力和风量分布是目前和未来几年要考虑的主要问题。

2 风量及风速分析

对于矿井风量, 在任何时候, 矿井实际风量Q都必须满足大于矿井需风量Qx的要求。同样在通风管理中, 矿井风量Q与矿井负压H一样, 也不是越大越好。一般风量Q≤ (1.2～1.3) Qxm3/min。对于风速, 《煤矿安全规程》中有井巷风速的具体规定[2]:

设有梯子间的井筒或修理中的井筒, 风速不得超过8 m/s;梯子间四周经封闭后, 井筒中的最高允许风速可按表1规定执行。

无瓦斯涌出的架线电机车巷道中的最低风速可低于表1规定值, 但不得低于0.5 m/s。

综合机械化采煤工作面, 在采取煤层注水和采煤机喷雾降尘等措施后, 其最大风速可高于表1的规定值, 但不得超过5 m/s。

根据表2所示数据, 回风斜井的风速达到9.9 m/s, 已经高于规程中在主要进、回风巷的速度规定值8 m/s, 矿井的进风副斜井和主斜井的风速有5.97 m/s和3.68 m/s, 矿井总进风量为9 804 m3/min, 回风总量为9 852 m3/min, 同时矿井有2个掘进工作面回风经9-4辅助回风暗斜2井回风。

根据阻力测算数据和矿井的通风旬报, 系统实际风量大于需风量, 所以在回风时风速存在局部超限, 主要用风工作面和掘进工作面风速在规定范围内。因此需要在局部地点设置风量调节装置或改变巷道的断面以控制风流, 提高通风效率, 降低风量, 节约通风成本。

目前, 增加了9-4辅助进风暗斜井和9-4辅助回风暗斜井主要满足908、909掘进巷道的风量要求, 根据矿井的旬报, 9-4辅助进风暗斜井的进风为1 232 m3/min, 掘进巷道的风速只有0.34 m/s, 目前基本上能满足掘进要求, 但随着掘进工作面的推进, 以906、907的工作面进行比较分析, 工作面长度较长, 908、909掘进巷道断面为17.5 m2, 需要风量基本上在1 600 m3/min左右, 但依据目前的掘进进度, 风量基本要求350 m3/min左右, 相差较大。

如果仅靠目前的9-4辅助进风暗斜井供风显然风量很难达到要求;如果从主运巷道上调节风量向908、909面提供风量, 同时, 通风机需要负载3个或4个工作面的风量, 风量同样很难达到要求, 需要提高9-4辅助进风暗斜井通风机的风量。对于主运巷的通风风量, 由于进风的路线很长, 通风阻力较高, 若通过增加主通风机的风量向新推进巷道供风, 整个矿井系统的阻力将会增加, 需要对主通风机进行风量调节, 根据分析, 存在局部风速超限的问题, 可以向新推进巷道进行风量调节, 这样整个通风系统的阻力也不致过高, 风机的负载也不致过大。

以906工作面作为参考, 巷道的风阻为1.3211 N·s2/m8, 新掘进巷道的风量以1 600 m3/min计算, 当开采4号煤层时, 两个工作面的阻力为2×939.4 Pa, 可见这部分阻力消耗要通过增加主通风机风量提供, 同时在主运巷上根据巷道的测算风阻值, 主运巷上的阻力最大将增加近1063.3Pa, 可见这部分阻力应主要通过9-4辅助进风暗斜井供风提供;同时, 4号煤层开采后工作重心也将转移到后面的工作面。通过表2可见, 拓展后根据风网软件模拟结果, 经水仓巷道和联络巷出现反风现象, 并且局部地点如上绕汇风巷道的风速不能达到要求等。

3 风阻分析

矿井风阻R=H/Q2, R的大小表明了矿井通风难易程度, 类似于矿井等积孔。同时R的大小在风机个体特性曲线上决定了风机运行工况点M位置的高低;生产矿井通风机工况点M的位置过高或过低都会导致通风机效率η降低。例如高阻力H、小风量Q的中小型矿井和低阻力H、大风量Q的特大型矿井的通风机效率往往都比较小。对于此次通风阻力测量的结果, 矿井总风阻为0.091 N·s2/m8, 等积孔为3.94 m2, 属于通风容易的矿井, 但根据分析, 随着矿井开采的推进, 需要结合矿井主风机的实际性能进一步调节矿井用风, 以满足新开采煤层工作面等的用风。

4 建议技术措施

改善矿井巷道的支护形式合理地安排通风巷道, 整体上降低主干路线上的通风阻力;改善局部阻力和风阻较大的地点的支护形式和巷道形式, 降低局部地点的通风阻力;进风路线上增加一些控风通道控制风流流向, 使在满足前面工作用风的同时尽量通向主要用风地点, 避免风量的浪费, 同时降低巷道的通风阻力;特别是流经各封闭工作面的风流, 通过改善巷道支护形式或改变巷道的断面形式, 降低通风阻力, 同时也能降低漏风;在通风路线联络巷上增加风门或调节风窗等, 根据风流能量和需风量控制风流, 提高通风效率, 降低风量, 避免局部风速超限, 同时节约通风成本;随着掘进巷道的推进, 目前的9-4辅助进风暗斜井和9-4辅助回风暗斜井的风量不能满足推进后新开采工作面的风量要求, 根据分析可知, 若同时满足3个工作面的风量至少需要增加风量3 200 m3/min, 由于矿井的主进风路线比较长, 通风阻力较高, 为了很好的控制和降低通风阻力, 只能调节和控制主通风机的风流, 满足前面工作面等用风, 对于新开采煤层用风主要要通过提高9-4辅助进风暗斜井的进风量, 这样整个矿井的通风系统才能平衡和很好的控制矿井系统的通风阻力;加强采空区的管理, 减少漏风, 尽量扩大封闭采空范围, 缩短不必要巷道, 便于进一步的通风系统优化。

5 结语

随着矿井开采的推进, 新的煤层开采后, 通风系统存在的问题将会暴露, 通风路线较长, 矿井负压增加, 风阻较大, 同时风量在局部用风存在短缺达不到要求等, 从风压、风量等几个方面分析了通风系统存在的问题, 同时提出了相应的改进措施;另一方面, 仅仅依靠目前通风阻力测量的数据分析其风压风阻等也存在一定的缺陷, 因此需要进一步掌握矿井通风系统的资料, 进一步优化矿井的通风系统, 以满足新煤层开采后工作面巷道等的用风。

参考文献

[1]杨胜强, 刘殿武.通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2009