测量参数（共10篇）
测量参数 篇1
摘要：在城市配电网建设中, 双回与多回临近高压线路配电线路的应用, 对配电线路互感参数测量提出了新的要求。互感参数测量多采取增量法、微分法与积分法等在线测量方式, 整合多次测量结果, 依托超定方程, 通过最小二乘法求解相关参数。提出改进总体最小二乘法以求得最优解, 通过仿真实验对其参数辨识可靠性进行验证。
关键词：配电线路,互感参数,测量,参数辨识
配电线路是配电网的重要构成部分, 线路参数是执行保护整定、故障分析、网损计算与配网潮流的现实基础, 参数测量与辨识准确性直接关系着网络运行与网络控制的有效性及安全性。伴随着经济与电力需求量增加, 城市配电网建设中双回及多回临近高压配电线路大量出现, 保证互感参数测量精度成为配电线路建设与运行中面临的重要问题。传统测量中多采取增量法、微分法与积分法, 执行在线测量作业, 其方法应用测量过程对系统运行影响较小, 测量精度较好, 具有一定的应用意义。在此基础上提出总体最小二乘法, 解决参数辨识问题。
1 常规配电线路互感参数在线测量方法
1.1 增量法
将配电线路中的互感线路数量设置为n, 即1, 2, …n。当零序电流加到被测系统时, 所有的存在互感的线路, 其自身会出现一定的零序电流增量, 所有与被测线路相关联的母线则会表现出一定的零序电压增量。依据伏安特性能够通过矩阵方式进行互感线路相关特性表达, 通过线路零序电流增量与电压增量, 借助线路零序互感阻抗矩阵, 对线路电气量进行采集。
1.2 微分法与积分法
通过微分法能够有效求解n条配电线路构成的互感系统数学模型, 如将R作为电阻矩阵, 将L作为电感矩阵, 依据电流相关知识够构建相应数学模型, 依托线路零序电流瞬时值与线路端电压瞬时值差, 进行互感参数测量作业。积分法在应用中, 其变量与微分法一致, 依托数学模型, 采取积分求解模型。
2 配电线路互感参数辨识与估计
依托系统电压及电流相关测量信息, 在某种准则意义下估算模型未知参数, 如电感、电阻等, 参数计算问题, 从本质上而言, 即系统辨识问题。双回与多回线互感参数在线测量相关模型, 均采用多元线性方程进行表示。具体方式为Ax=b, 其中A代表电流增量向量, x代表需要求解的参数, 为自阻抗与其他线路之间的互阻抗, b代表电压增量列向量。若在操作中采取积分法或微分法, 方程保持不变, x值代表电阻列向量, 电感列向量, A矩阵及b元素电压及电压均可通过瞬时值采样与计算获知。
采取增量法进行配电线路互感参数方程求解, 在i线路中存在着n个未知的阻抗量, 采用增量法操作一次测量仅可获知一个相关线路方程, 无法满足求解操作的需要。对所有被测线路两端均执行采样操作, 则可以得到n个数量的方程数目, 小于数值个数。为此, 通过改变线路运行方式, 采取不同的拓扑结构, 可以获知相关独立方程, 即超定方程执行线路参数求解。同理, 微分法及积分法在应用中, 也无法经过一次测量获取充分的独立方程, 需要通过对不同状态下的独立参量进行采集, 构建超定方程。
在参数辨识与估计中, 多采用最小二乘法进行操作。然而在互感参数测量中构建的超定方程, 其系数矩阵与数据向量, 均由实际电流及电压测量获得, 其自身存在着一定误差, 应用最小二乘法执行参数估计, 仅考虑数据向量误差, 将数据向量误差平方最小作为目标函数存在着一定片面性。提出应用总体最小二乘法对相关向量进行求解, 合理设定其约束条件, 结合超定方程, 设定超定方程总体最小二乘解。考虑到其向量为实测数据, 误差难以避免, 且随机误差遵循正态分布规律, 从理论上而言, 总体最小二乘法较之最小二乘法应用效果更好。
3 仿真实验与分析
针对多元线性超定方程Ax=b, 分别采取最小二乘法与总体最小二乘法进行求解, 借助多元线性回归检验其拟合优度, 对不同计算方法下的性能进行对比。通过仿真分析获知, 当数据不存在任何噪声干扰时, 两种计算方法的拟合优度一致, 当仅数据向量存在噪声时, 两种计算方法拟合优度保持一致。当数据矩阵与数据向量均存在噪声干扰时, 若噪声方差不大于0.1, 则两种方法拟合优度一致, 当其方差超出1时, 采取总体最小二乘法进行求解, 其拟合优度更好。从整体而言, 噪音扰动增加, 两种算法其拟合优度均出现一定程度的降低, 但总体最小二乘法应用效果更佳, 其推广应用前景较好。
4 结语
配电线路是城市配电网重要组成部分, 随着城市电网建设, 双回与多回临近高压线路配电线路获得广泛应用, 为确保有效控制电网运行质量, 要求确保配电线路互感参数测量精度。一般配电线路互感参数测量, 多通过增量法、微分法与积分法等在线测量方式来实现, 通过设定超定方程, 进行数学模型求解。提出应用总体最小二乘法进行最优解求解, 并应用仿真实验, 对其方法应用拟合优度进行研究, 仿真结果表明, 采取总体最小二乘法进行操作整体性较好, 应用价值较高。
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测量参数 篇2
传输／反射法测量材料电磁参数的研究
分析了材料样品填充的矩形波导或同轴线等效网络的.归一化通用矩阵，提出了一种求解材料电磁参数(εr,μr)的解析方法。分析表明，特性阻抗ZC与传播常数γ均可直接由传输／反射参数确定。同时应用特性阻抗与传播常数得到了磁性材料的电磁参数(εr,μr)。利用特性阻抗ZC、传播常数γ以及同时利用二者分别得到了三个确定电介质材料复介电常数的公式，其解的离散程度反映出测量误差大小。它们可用于提高测量精度并确定测量误差；同时，可用于解决复介电常数测量的多值性问题与π模糊性问题。实际测试结果证明本文方法是有效的且有实用意义。
作 者：田步宁 杨德顺 唐家明 刘其中 作者单位：西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，陕西 西安 710071 刊 名：电波科学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 年，卷(期)： 16(1) 分类号：O441.6 关键词：传输/反射法 归一化通用矩阵 电磁参数测量参数 篇3
基于多光束干涉理论建立了单层薄膜的透射率模型，并且得到了薄膜透射率与厚度及折射率之间的关系的数学模型，进而利用遗传算法求解该数学模型。根据薄膜透射光谱数学模型的特殊性，按照实际的精度需求，有针对性地选取了遗传算法中种群大小、交叉概率和变异概率等关键参数，并且针对透射光谱的具体情况，设计了离散化的适应度函数。最终的拟合结果表明，基于遗传算法的透射光谱法能够快速、准确地得到薄膜的光学参数。
关键词：
透射光谱； 薄膜光学参数； 遗传算法
中图分类号： TN 20文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.013
Abstract：
Mathematic model of the transmitted spectrum of thin films was established by multibeam interference theory.The relationship of transmittance，thickness and refractive index was built. Then the mathematic model could be solved with the genetic algorithm. In consideration of the special character of the optical film value of key parameters of genetic algorithm would be a special choice. Key parameters included population size crossover probability and mutation probability. Fitness function was designed to be discretized. Finally the fitting results proved that the method could calculate the parameters of optical films at the same time.
Keywords：
transmitted spectrum； thin film optical parameters； genetic algorithm
引言
隨着现代光学技术的发展，光学薄膜成为提高各种光学元器件性能的一种重要手段。近几年新的薄膜技术的国家标准相应出台[1]，也使薄膜参数的检测方法受到更多的重视。目前，制备光学薄膜的主要工艺包括：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和溶胶凝胶法等。物理气相沉积主要包括：热蒸发、溅射、离子镀等[2]。
现有的薄膜参数测试方法很难同时测量薄膜的各个参数。测量薄膜厚度的常用仪器有：台阶仪、椭偏仪[3]。台阶仪通过金属探针在样品表面划动，检测出台阶状薄膜表面的高度差，因有物理接触会划伤样品表面，而且必须在样品表面构建台阶结构。椭偏仪通过测试透射的偏振光的偏振性变化，可以得到样品的厚度，虽然精度较高，但是需要已知材料的折射率。测量薄膜材料的折射率可以通过薄膜波导法，在一定的波长范围内，通过导模的泄露模虽然可以测得某确定波长的折射率和大致的薄膜厚度，但是需要薄膜的厚度达到一定的条件，并且只能测试某些特定波长的折射率。传统的光谱法测量薄膜的材料色散曲线，需要在已知薄膜厚度的情况下，通过单纯性法迭代优化后才能得到相应的折射率与波长的曲线模型[47]。在某些特殊情况下的薄膜透射光谱中，单纯性法并不能准确获得足够数量或者足够明确的极值点的数量，从而不能完成对薄膜参数的迭代测量。
面对生产加工中的实际需求，需要获得一种高精度的、快速方便的测量方法，同时获得所需光学薄膜的厚度、折射率波长曲线，尤其是针对某些不能通过预先测量获得折射率的薄膜。
1氧化物薄膜制备及光谱测试
本实验利用镀膜技术制备了多种常用薄膜材料。采用了OPTORUN的800式镀膜机，以厚度为3 mm的同一批次生产的K 9光学玻璃作为衬底，制作了多种薄膜材料样品。本文以氟化镁（MgF2）薄膜为例，由PE公司的Lambda1050紫外可见近红外分光光度计测得氟化镁薄膜透射光谱，如图1所示。
2理论计算
2.1透射光谱模型建立
利用多光束叠加的原理推导单层薄膜的透射光谱[8]。多光束干涉的示意图如图2所示。光波E0入射到第一层薄膜，反射光E1、E2、E3、…在无穷远处发生干涉，同理透射光E′1、E′2、E′3、…在无穷远处发生干涉。其中入射介质为空气，其折射率nk为1，薄膜的折射率为n，基底玻璃的折射率为ng。
假设入射光的振幅为E0，则各透射光束的振幅分别为
3利用遗传算法求解数学模型
由上述可知，利用透射光谱法求解薄膜参数的过程就是求解式（8）的数学模型，实际上是一个多元非线性回归问题的求解。单一使用最小二乘法或者其他遍历算法很难获得实际上的全局最优解，因此，采用遗传算法来求解该数学模型。
3.1遗传算法的简介
遗传算法（genetic algorithm，GA）是由Holland J教授于1975年首次提出的一种将达尔文的进化论与计算机技术结合的启发式算法，其本质是一种高效的全局搜索算法[10]。遗传算法相对于传统算法的显著优势有：1）GA搜索过程依靠的是适应度函数，而不依赖于某些函数的求导或者其他信息，所以与目标函数是否是线性函数关系不大；2）GA计算时不依赖于梯度信息，其在整个可行域范围内进行搜索；3）由于人工编码，可将参数值限定在合理范围内，避免出现不合理的解。
nlc202309090942
3.2遗传算法的实现
遗传算法的主要工作流程如图4所示。遗传算法的主要工作包括以下几个部分[11]：
1）初始化种群
以氟化镁薄膜为例，此处的初始种群由a、b、d共3个变量对应的二进制数组合所得。每个变量在种群中所占位数由其变量范围的上下限的差值除以精度要求，再转换为二进制数。转换所得二进制数的位数即为对应的该变量在种群中所占位数。
以厚度d为例，初始设定氟化镁薄膜的厚度初值范围为[600，650]，单位为nm，精度为0.001 nm。由于
所以，在初始种群中，厚度d所占的种群长度为16位。同理，a、b所对应的种群长度可以由实际范围计算得到。在得到总的种群长度之后，种群中的每一个个体都由程序随机生成对应长度的初始种群。
2）适应度函数设计
在遗传算法中，适应度函数属于自然环境参数，通过每个个体的适应度函数值来对其进行判定。
在氟化镁薄膜参数的测定中，针对薄膜光谱离散化的特性，并且在透射光谱中存在较多的毛刺，适应度函数也采用了离散点判定的方法。每个个体的适应度函数值为拟合函数值与原函数值相差小于0.1的点的个数。
3）选择性复制、交叉、变异操作
选择性复制、交叉、变异操作都是算法模拟正常生物染色体复制的过程。选择性复制保证了适应度较高的个体有较大的概率复制到下一代。交叉、变异的操作保证了遗传算法能够在全局寻找最优解，而不是收敛于局部最优值。
交叉、变异的频率决定了遗传算法收敛特性的好坏，此处取常用推荐值，交叉的概率为0.25，变异的概率为0.01。
4） 代數（Generation）
Generation参数决定了算法进行迭代的次数，代数越多越逼近于全局最优解，但是在充分收敛的情况下没有必要设置较多的代数。在此处为保证充分收敛，同时为节省运算时间，Generation取1 000。
4测试结果
在经过多次的测试后，利用遗传算法求解光学薄膜透射光谱的数学模型，能够求解出光学薄膜的光学参数，所得结果见表1。
将拟合所得结果与原始透射光谱相比较，见图5。可以看到，拟合曲线与原始透射光谱有着较好的重合度，该方法能够快速准确地算得光学薄膜的参数。
5结论
基于遗传算法的透射光谱法，通过构建薄膜透射光谱的数学模型，再利用遗传算法求解光谱模型的待定系数，进而得到薄膜的主要光学参数。以上拟合计算结果表明：由遗传算法求解出的透射光谱与实验测得光谱基本一致，求解模型能够反映薄膜透射光谱的分布情况；在选取恰当的核心参数、合理设计适应度函数后，遗传算法能够准确地计算出模型的全局最优解；基于遗传算法的透射光谱法能够快速、准确地同时计算出薄膜的主要光学参数。
参考文献：
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（编辑：刘铁英）
单相电参数测量仪 篇4
单相电参数的测量在工业控制、电力系统、电气测量及各种机电一体化装置中具有重要意义, 传统单相电参数测量仪笨重、功耗大、精度低。目前市场上电参数测量仪种类繁多, 其中国产测量仪大多精度低, 测试误差大;而国外生产的数字测量仪价格昂贵, 不适合一般的工业应用单位;因此, 设计一种集成性好、精度高、经济实用的电参数测量仪, 具有重要意义。本研究基于STM32微处理器, 以高精度电能芯片CS5460A为计量核心, 设计出一种可精确测量工频交流电电压、电流、功率、电量等单相电参数的单相电参数测量仪。
1 系统总体设计
1.1 系统总体设计思想
该系统首先通过由互感器构成的信号调理电路, 将单相电转换为CS5460A能接受的共模信号。通过单片机对系统进行初始化后, 电能计量芯片便能够按照相应的设置, 对共模信号进行处理, 处理后的结果存放在相应的寄存器中。STM32F103RC的相应端口与CS5460A的SCLK、SDI、SDO、CS端口经光耦隔离后相连。利用串口通信, 单片机对相关寄存器进行读写, 将读到的某些值进行处理并显示。采用GUI界面, 通过触屏可对系统进行校准、选定量程等操作。其系统设计框图如图1所示:
1.2 测量原理
CS5460A接受由调理电路转换得到的共模信号, 对其进行ADC采样、滤波等操作。得到电压/电流瞬时值、瞬时功率值以及电能值、IRMS值、VRMS值, 并将测量/计算的结果以24位带符号或无符号字存放在相应的寄存器中。电能寄存器以及IRMS、VRMS无符号结果输出寄存器中的值每N次更新一次, N为周期计数寄存器中的值[1]。CS5460A可将电能转化成与电能成正比的脉冲, 将OUT口和EDIR口配置成正向电能和负向电能脉冲输出, 以便于电能表的检定, 同时指示电能方向。
2 硬件设计
2.1 信号调理电路
信号调理电路分为电流调理和电压调理二部分, 单相电参数测量仪利用2个电流式互感器将单相电路中的交流电压、电流信号转为低等级的电流信号, OP07和一个电阻I/V转换, 得到可供CS5460测量的共模信号。
2.2 CS5460A外围电路
CS5460A外围电路主要包括信号调理电路、以及与单片机通信的SPI电路。其中信号调理电路由电压、电流互感器组成, 通过使用不同阻值的电阻使得输入的信号能够在CS5460A允许的输入范围内, 为了适应不同范围内的电平输入, 可设置电压/电流通道增益寄存器。SPI通信电路, 主要用于电能芯片与单片机通信, 在使用的时候需要采用光耦隔离, 以使测量端的参考地电位与外部接口的参考地电位互不冲突。
2.3 电源模块
通过开关电源, 获得单片机所需要的+5V电源、以及CS5460A电能计量模块的工作电源。
3 软件设计
本系统硬件构成较为简单, 主要工作量在于软件的编写。具体程序流程框图如下, 其中软件部分组主要包括CS5460A的初始化程序、单片机数据采集及处理程序、TFT-LCD显示程序、以及GUI操作界面。在编写电量芯片初始化程序时要为相应的时基寄存器、电流/电压偏移寄存器、电压/电流校准寄存器等赋初值, 以对CS5460A进行量程的选择及校准, 对于其具体的配置见[1]。CS5460A通过双向SPI口与MCU进行数据交换时, 需严格依照其操作时序。在命令和状态的读操作时, 前8个SCLK周期用来对命令进行解码, 为将要进行读操作的寄存器进行准备, 在等待24个SCLK周期后, 完成寄存器读操作[2]。对相应寄存器的写操作类似。应当注意:上电时系统复位, 自动进入命令模式, 等待输入相应命令, 并且数据是由高到低进行传输的[3]。对寄存器的读写, 具体参照文献[4]。
4 整体测试
使用VC9808+万用表、ATTEN APS3003S-3D直流稳压可调电源、RIGOL DG1022信号发生器对本系统进行测试。
输入10V直流电压, 测量值为10.024V、输入20V, 测量值为20.031V;使用固定电阻, 电流实际值为0.5A时, 测量值为0.502A、实际值为1A时、测量值为1.003A;接入400Ω电阻测功率, 当电压为20.031V, 电流为0.050A, 功率真实值为1.012W时, 功率测量值为1.003W、当电压为39.977V, 电流值为0.099A, 真实值为4.01W时, 测量值为3.995W;当频率为50HZ时, 测量值为50.12HZ、频率为60HZ时, 测量值为60.15HZ;测量一小时, 功率真实值为200W, 测量值为0.2KWH、功率为500W时、测量值为0.5KWH。
5 结束语
通过合理的系统构建和软件编程, 该系统能够实现对单向电的电压、电流、电量、频率等电参数测量的功能。实际测试表明, 所设计的软件和硬件系统具备良好的稳定性, 能够快速精确的测量各电参数, 实际测试与理论分析一致, 完成了单相电参数测量仪的设计实现。
摘要：本系统以STM32F103RC为控制核心, 采用带串口的单相双向CS5460A电能计量芯片, 能够对单相电电压/电流瞬时值、电压/电流有效值、瞬时功率、有功电能进行测量, 并通过TFT-LCD进行显示, 采用GUI界面, 利用触屏进行校准、数据显示等操作。据实验, 该系统测量结果精确、灵敏度高、使用可靠, 具有很好的开发价值。
关键词：STM32F103RC单片机,CS5460A,单相电测量
参考文献
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测量参数 篇5
光电雷达对目标参数被动测量的方法研究
根据光电雷达测量到的目标方位信息,运用自适应修正增益扩展卡尔曼滤波理论,可以估计出空中目标相对载机的位置和速度参数.文章首先推导了坐标系的转换矩阵,建立数学模型后推导对应的自适应修正增益扩展卡尔曼滤波方程,通过对所得的算法进行仿真验证,表明该算法具有较好的.实用性,能够满足载机对目标参数被动探测的要求.
作 者：任波 于雷 REN Bo YU Lei 作者单位：空军工程大学工程学院,陕西,西安,710038刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：13(1)分类号：V246 TJ015关键词：被动测量 光电雷达 卡尔曼滤波
基于摄影测量的管路参数确定 篇6
摄影测量是通过摄影得到的图像进行场景或物体各种几何参数测量的方法,是光学图像处理最重要和最普遍的应用之一,也是视觉技术最早的应用领域之一[1]。工业应用中主要是指近景摄影测量。数字近景摄影测量除了数字摄像机外,无需任何精密仪器。另外,整个过程除了拍摄过程人工干预外,其他过程包括图像处理及三维模型重建等一般都交由计算机处理,因此,该方法硬件设置简单、测量方法灵活,且继承了传统摄影测量的严密理论与方法,具有较高的精度与可靠性。
在工业生产中,许多场合都可以看到管路系统的存在,比如广泛用于制药工程、啤酒工程、饮料工程、乳化工程、生化工程中的管路系统以及汽车、飞机发动机中的中小型管路系统等。随着工业的发展,对这些管路系统CAD模型的需求也就越来越迫切,因为CAD模型可以用于简化管路系统数字化设计、维护及扩展的过程,给制造及其修改带来了极大的方便,能显著提高生产效率,降低生产成本[2]。
然而,管路系统最终CAD模型的生成却不是一件简单的事情,这是因为在大多数情况下,即使有了管路系统的初始CAD模型,但在实际铺设时,由于现场的复杂性,并不是完全按照预先设计的CAD模型来进行铺设的,经常需要修改管路的空间位置以及管路的弯曲形状。因此,为了得到管路系统最终的CAD模型,能对铺设好的管路进行应力应变分析、维护、扩展及重新设计,常常需要进行实物测量,来得到管路系统最终的数字模型。
目前,管路系统实物测量一般采用手工或半手工测量,操作起来不仅要受测量设备的制约,还要受管路系统本身复杂性的制约,且不能保证较好的精度。为此,本文将多幅图像重建三维物体的理论应用于空间管路,用摄影测量的方法实现空间管路几何参数的确定。
1 坐标系及管路系统描述
本文获取图像的方式为使用一个数码相机,从不同的角度对含有管路的场景进行拍摄,得到多幅图像,利用多视图几何关系可以确定各次拍摄时的相机位置和姿态。在相机位置和姿态已知的条件下,选取其中的两幅作为左右图像进行匹配来进行管路的重建。在拍摄的过程中,相机的运动可以看成一般物体的刚体运动,因此可以用旋转运动加平移运动来描述[3],将相机两个不同位置之间的关系记为:
其中,0=(0, 0, 0)T,R为相机的旋转矩阵,t为平移向量。
图1描述了相机两个位置的几何关系,这两个位置决定了两个坐标系统,光心O1(O2)是坐标系C1(C2)的原点,z轴O1z1(O2z2)是主轴,图像平面与x1y1(或x2y2)平面平行,且距原点的距离为f,不失一般性,设f=1。
对于空间点P,令P1=(x1, y1, z1, 1), Pr=(x2, y2, z2, 1)分别为左、右坐标系中的齐次坐标,则这两个坐标的关系如下:
其中,R, t预先通过摄像机标定算法已经得到[4,5,6]。
在两个图像坐标系中,空间点P在左右图像中的投影点P′l和P′r的坐标分别为:P′l=(x′1, y′1, l)和P′r=(x′2, y′2, l)。我们注意到:P′l和P′r即可以看成图像坐标系中图像点的齐次坐标,也可以看成相机坐标系下的非齐次坐标(因为f=1)。
应用摄像机的针孔模型可以得到式(3):
undefined(3)
图2为管路系统几何参数确定方法的一个模拟实验场景。管路上贴有明显的标记条,目的是为了便于识别并提取特征。在场景中放有若干编码点,目的是为了识别在不同位置拍摄时相机的姿态,得到不同位置时相机的平移矩阵与旋转矩阵。另外,在测量场景内还放置标尺,目的是获得被测物体的实际尺寸,否则只能得到相差一个比例系数的三维结构。图3是管路的局部放大,其中图3(a)是左侧拍到的图像,图3(b)是右侧拍到的图像。
2 图像边缘特征的提取
所关注的边缘是图3中的标记条边缘,标记条与管路系统存在明显的灰度差异,采用了主动轮廓模型的基本思想,用交互方式来提取图像中的边缘特征。
主动轮廓模型又称Snake模型,广泛应用于图像处理中的各个领域,与传统的轮廓检测方法相比,主动轮廓模型有效的利用了局部与整体的信息,定位准确,能够保持轮廓线条的光滑,受局部噪声干扰小。其基本思想是:定义一个能量函数,在Snake由初始位置向真实轮廓逐渐靠近时,寻找此能量函数的局部极小值,即通过对能量函数的动态优化来逼近目标的真实轮廓[7]。Snake的能量模型有多种,基本形式可表示为:
ESnake+Eint+Eimg (4)
其中,Eint是由内力产生的内能,通常由拉伸能和弯曲能组成,以保证Snake的连续性和光滑性;Eimg是图像力产生的图像能,用来控制Snake与某些图像特征间的相对位置。本文用亮度的梯度来定义图像能,即:
Eimg=-|SymbolQCpI(x, y)|2 (5)
记Vij, j=(1, 2, …, 8)为Snake点vi的8邻域点,同时为了叙述方便,记vi0=vi。根据本文的具体问题,每个Snake点及其8邻域点的能量表示为:
E(vij)=[αEtension(vij)+βEbend(vij)+γEimg(vij)+δEattr(vij)] (6)
其中,Etension(vij), Ebend(vij), Eimg(vij), Eattr(vij)分别为vij点处的拉伸能量、弯曲能量、图像能量和边缘点引力产生的能量,α, β, γ, δ分别为各能量项的权值,用以调节各能量项的比重。为了平衡各项的影响,各能量项全都归一化到区间[0,1],本文采用的具体能量表达式为:
其中,Eattr(vij)中的pij∈P(为预先粗略检测出的边缘点集)是与vi距离最近的边缘点。在拉伸能、弯曲能、图像能之外增加边缘点引力能Eattr(vi)的目的是进一步促使Snake向目标曲线收敛。pij的搜索限定在以vi为中心的一个窗口内进行。如果该窗口内没有任何边缘点,Eattr(vij)=0, j=0, …, 8。
迭代时,对于当前Snake点vi进行位置优化时,认为当前其他的Snake点己经处在最佳位置,不考虑vi点的移动对其相邻Snake点能量值的影响。以点vi为中心对其8邻域进行能量计算,选择其中能量值最小的象素点作为新的vi点。接着再继续处理下一个Snake点vi+1。依次对所有的Snake点计算一次,称为一个迭代过程。在下一次迭代时,以上一次迭代所得到的Snake点为初始轮廓,重复上述迭代过程,直到所有的Snake点均不发生移动,或移动小于某一阈值,便认为找到图像的边缘特征。
对于得到的图像边缘,采用最小二乘的方法拟合椭圆。设需要拟合的椭圆方程为:
Q(x, y)=x2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0 (11)
曲线拟合的标准是使得误差平方和最小,即:
ξ=∑(xundefined+Bxiyi+Cyundefined+Dxi+Eyi+F)2→0 (12)
在方程中,分别对B, C, D, E和F取偏导,并令其为零,可以得到含有5个方程的方程组,求解此方程组可以得到系数B, C, D, E和F。
3 图像匹配及重建过程
假定管路上的标记条边缘为一空间圆,由摄影几何知,此空间圆在图像上的投影为椭圆。定义gl, gr分别为空间圆g在左右图像中的投影,则椭圆gl, gr可以表示为二次型方程[9]。
其中,Gl和Gr是3×3对称矩阵。由(12)式计算得到椭圆的B, C, D, E和F5个系数后,根据文献[8][9]即可以得到Gl和Gr矩阵。
把方程(3)代入方程(13)(14)后可以发现不仅位于空间圆g上的点满足代入后的方程,任何位于由O1与gl组成的锥面(或O2与gr组成的锥面)上的点的投影都位于gl(或gr)上,即也满足代入后的方程,因此将方程(3)代入方程(13)(14)后得到了两个通过光心O1(或O2)、图像上椭圆gl(或gr)以及空间圆g的圆锥方程:
假定空间圆g在平面f′上,设:
f′:z1=ax1+by1+c (17)
根据文献[10]的方法便可以得到两个方程表示的同一椭圆g0, g0为g在x1y1平面上的平行投影。
由于式(18)和式(19)表示同一椭圆g0,而xTGx=0和xTkGx=0又表示同一条曲线,其中k为比例因子,所以:
由式(20)可得:
FT(kGl-RTGrR)F=B (21)
B=FTRTGrtuT+utTGrRF+utTGrtuT (22)
把uT=[001]代入式(22)可以看出B是对称矩阵,且其左上方的4个元素均为0。因此B的行列式为0,即:|FT(kGl-RTGrR)F|=|B|=0
假定|F|≠0,即坐标系C1的原点O1不在平面f′上;同时假定|Gl|≠0,即左边成像面的二次曲线非奇异,由此可得:
|kI-GundefinedRTGrR|=0 (23)
这里I为3×3单位矩阵。
从式(23)可知:k是矩阵GundefinedRTGrR的特征值,另外根据上文也可以看出,k应该为一个实数。由此得到左右图像上的两椭圆Gl和Gr对应同一空间圆的条件为:
FT(kGl-RTGrR)F=B (24)
下面基于上述数学知识来进行空间圆的重建。在本文的重建过程中,空间圆看作特殊的椭圆,当重建出的长轴近似等于短轴时,认为是圆。基本过程如下:
令
则两椭圆对应同一空间圆的条件可以写成:
FTGF=B (26)
由于B是对称矩阵,因此式(26)包含6个方程,其中5个为相互独立的(在求解k时已经用了约束条件|B|=0)。下面列出6个方程:
a2g33+2ag13+g11=0
b2g33+2bg23+g22=0
c2g33+2ctTc3-tTGrt=0
abg33+ag23+bg13+g12=0
cg13+acg33-cundefined
t-atTc3=0
cg23+bcg33-cundefined
t-btTc3=0
观察上面6个式子可以看出:a,b,c分别可以由前3个一元二次方程求出,于是平面f′:z1=ax1+by1+c可求解得出。后3个方程可以作为两条椭圆曲线gl, gr的匹配准则,可以写成式(27)所示的形式:
ERR=(abg33+ag23+bg13+g12)2+(cg13+acg33-cundefined
t-
atTc3)2+(cg23+bcg33-cundefinedt-btTc3)2 (27)
这样空间圆就可由平面f′与锥1(或锥2)相交得到。
依据上述方法可以对管路上所贴标记条处的空间圆进行重建,这样就可以得到多组空间圆的圆心坐标与半径值,本文通过将这些半径值取平均得到管路的半径值,通过对得到的多组圆心坐标采用三次B样条拟合得到管路的中心轴线。
4 实验结果
本文所述的方法已在VC++的平台下编程实现。使用Snake方法提取标记条边缘,并用椭圆拟合的结果如图4所示。
为了验证由左右图像上的椭圆重建空间圆的理论,首先选取了一组模拟数据,该组模拟数据是由一个圆心在(0,0,1000)处,半径为50mm的圆,经过事先设置的旋转与平移矩阵向左右图像投影得到的,在计算的过程中通过VC自带的rand函数对每组参与计算的数据添加了0.01～0.09mm的随机噪声。经过本文方法计算后得到的数据如下:
空间圆所在平面的法向量为:(0,0,999.27);
空间圆的长轴与短轴分别为:49.4735,49.4735;
选取空间圆上特殊的四点来进一步验证重建出的空
间圆的正确性,所得到的这四点的坐标比较如表1所示。
通过对实验数据的分析可知,本方法是可行的。依据此方法,对图2所示的管路进行了重建,最后重建出的管路的半径为25.1879mm(管子的实际半径为25mm),重建出的空间圆圆心及管路的中心轴线如图5所示,拟合空间圆所得到的曲面如图6所示。
4 结语
将基于多幅图像进行三维物体重建的理论应用于管路系统,实现了空间管路几何参数的确定。本文的特点在于对管路系统采用了贴标记条的方法,应用主动轮廓模型来提取标记条边缘的轮廓,并实现了以二次曲线(椭圆)为基元的匹配方法。实验证明,以主动轮廓的方法来提取边缘,有效的利用了标记条与管路的灰度差异,提取的边缘比较可靠;以二次曲线为基元的匹配方法不需要点与点之间的对应,二次曲线可以从两幅图像中得到完全匹配,初步实验结果表明了本方法的可行性。
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固态照明产品色度参数测量系统 篇7
近年来由于固态照明产品的快速发展, 其性能评价标准也得到更大的重视, 固态照明产品在色度上来说与传统荧光灯有少许区别。为了能更好地评价固态照明产品的颜色以及通俗易懂的标称固态照明产品的色度参数, 在2008年, 美国国家电气制造商协会 (National Electrical Manufacturers Association, 简称NEMA) 、美国国家标准照明工作组 (American National Standard Lighting Group, 简称ANSLG) 联合发布了有关固态照明产品的色度规范ANSI NEMA ANSLG C78.377-2008《Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products》 (固态照明产品色度参数技术规范) , 该标准随即被美国国家标准学会推荐为美国国家标准。经过几年时间, 该评价体系逐渐被越来越多的照明工作者接受。
发展该色度参数评价标准的目的除了能更好地表述固态照明产品的色度范围, 采用色温范围分类的方法, 能使消费者更容易接受色温偏差的概念去判定颜色参数;而且在商业化的初期, 固态照明产品作为代替现存的荧光灯光源、荧光灯灯具、钨丝灯的新产品, 采用的色温偏差体系是基于原先荧光灯六个色温目标值的基础上发展而来的, 与原先麦克亚当椭圆颜色偏差保持一定的一致性;更重要的是固态照明产品制造工艺中对色度参数的控制以及稳定性在目前来说暂时还未能达到荧光灯的水平, 考虑了当前固态照明产品的工艺水平, 该色度评价体系较荧光灯更为宽松。但该系统并不是简单盲目地扩大色度容差范围, 其最大的优点在于既保持了与现存色度参数评价体系的一致性, 又预留了固态照明产品生产技术发展的空间, 与此同时, 考虑了固态照明产品生产中的合理性, 是一套较为完美的色度评价体系。
1 传统电光源产品——颜色匹配标准偏差
发光二极管 (LED) 固态照明产品出现在照明领域之前, 评价电光源颜色准确性采用5SDCM麦克亚当椭圆的方式。图1为麦克亚当最初选取的25个目标值并放大。由图1可以知道, 人眼在色度图中感知颜色变化的色品坐标距离是不一致的。
所以在测量光源颜色时, 在色度图中选取六个目标值, 测量电光源与色坐标目标值之间的色品容差。比如在色温为6 430 K时规定了x=0.313, y=0.337作为色品坐标的目标值, 根据该目标值, 可以在色度图上划出该点的1SDCM麦克亚当椭圆, 得到该麦克亚当椭圆后计算出长轴于x轴之间的夹角, 长半轴, 短半轴, 这三个值分别为:=58°23′, =0.00223, =0.00095。由麦克亚当论文《Specification of small chromaticity differences》中的方法转换成11=860 000, 12=-400 000, 22=450 000三个系数分别代入公式1。
公式1中, 用来表征倍麦克亚当椭圆的半径;为倍数;SDCM为单位颜色匹配标准偏差;为测试值与目标值=0.313之差;为测试值与目标值=0.337之差。
由图1可知, 不同的目标值计算系数不同, 所以不同的目标值需要分别计算。我国荧光灯国家标准以及IEC标准采用5SDCM的色品容差, 美国国家标准采用4SDCM的色品容差, 而美国能源之星采用7SDCM的要求, 这种评价方法对于荧光灯较为适用, 这六个目标值基本包括了荧光灯典型地用于普通照明的目标颜色, 只要荧光灯颜色与这六个目标值没有很明显的颜色偏差, 就能符合我们日常普通照明的使用要求。
2 固态照明产品——荧光灯色度基础系统
该色度评价体系适用于那些集成散热装置以及供电器件的室内普通照明用固态照明产品, 该类产品由直流或者交流电就可以使其正常工作, 并不包括那些需要另外的供电电路或者额外的散热装置固态照明产品。典型产品包括俗称的LED球泡、LED筒灯、LED反射灯等, 但不包括那些销售时无光源的灯具、户外灯具、以及室内装饰灯。
上文已知, 采用麦克亚当椭圆的色度评价方法需要精确的色品坐标来计算, 但消费者表达色度更倾向于使用习惯直观的相关色温。我们知道, 在相关色温相同等温线的各个坐标点之间颜色可能有很大的差别, 所以该体系引入没有被CIE正式定义“Duv”参数, Duv在该标准中被定义为色品坐标点距离普朗克黑体轨迹的距离, 如果Duv为“+”号, 表征了该坐标点位于普朗克黑体轨迹的上方, 反之, 符号为“-”号, 则说明该坐标点位于黑体轨迹下方。本标准规定了实测色度值在等温线上的Duv偏差不能大于0.006。在规定了等温线上的正负偏差之后, 我们就可以采用相关色温的偏差表述固态照明产品颜色的偏差, 见表1。
注: (1) 标称相关色温为2 700～6 500 K之间以步距为100 K的任何值; (2) 为标准中给出的相关色温偏差值公式:△I=0.000 010 8×2+0.026 2×+8 (3) Duv为偏差值公式:Duv=57 700× (1/) 2-44.6 (1/) +0.008 5
从表1以及图2中, 我们可以看出, 固态照明产品—荧光灯色度基础系统的特点是采用了8个四边形规定了容差范围, 容差范围在2 700～6 500 K范围内基本连续, 互不重叠, 各种相关色温产品均可在该系统中评价颜色偏差;各个四边形中心为目标Duv值同目标相关色温值的交叉点, 非常易于计算;根据固态照明产品的特性, 各个目标Duv值并不全部与普朗克黑体轨迹重叠;作为代替现有荧光灯色度系统的新方法, 尽量与旧系统保持一致, 8个四边形基本覆盖了7级麦克亚当椭圆, 并增加了4 500 K以及5 700 K两个目标值, 该系统的容差范围有所增大。
采用该评价系统, 主要是因为:
(1) 采用相关色温和Duv的概念表述颜色的偏差, 比麦克亚当椭圆的方式更容易判断产品的合格性;
(2) 在对LED分级时, 该四边形容差系统已经被广泛使用了;
(3) 在对LED分级时, 出于对经济性的考虑, 采用基本连续的四边形容差评价系统优于传统的麦克亚当椭圆评价系统, 在不影响照明质量的情况下大大提高了生产合格率。
3 固态照明产品——自定义相关色温系统
上述荧光灯色度基础系统在表1中定义了8个目标值, 作为照明用的产品预期目标颜色, 虽然很好地保持了与麦克亚当椭圆系统的一致性, 但是这8个目标值也过度限制了固态照明产品颜色丰富的特性。比如对于可变色温的固态照明产品, 就比较难以评价;另外, 那些被使用在新型灯具或者新的照明环境中的固态照明产品, 不是用来代替荧光灯产品, 并不需要同荧光灯相关色温保持一致, 比如标称值为3 200 K或者3 700 K相关色温的固态照明产品, 在符合了色度容差范围的前提下, 也许在某种场合更能符合用户的要求。
考虑到上述几点, 表1中给出了另外一种评价系统:自定义相关色温系统。该系统在美国国家标准里面更被推荐与接受, 在该系统中, 2 700～6 500 K之间以100 K为间隔的任何相关色温值均可作为目标值。每个目标值均可根据公式算出基本等于7级麦克亚当椭圆的相关色温容差以及Duv偏差。
该系统更大的在于, 当固态照明产品的颜色质量控制方法越来越先进时, 该系统可以随色度平均水平的发展减小容差范围, 但同时可以保持相关色温的连续性, 保留了固态照明产品颜色丰富的特性。预留了固态照明产品色度质量发展的余地。
该系统的容差图形见图3所示, 为了避免与荧光灯色度基础系统出现混淆, 目前该系统只用于评价8个目标值之外的目标相关色温值。
4 固态照明产品——颜色评价系统偏差
我们在这两套系统中都注意到, 目标Duv随着色温的增加逐渐偏离黑体轨迹, 从低色温的0.000到高色温的0.003, 这是由于定义的CIE标准照明体D65自身就有0.003的Duv偏差, 而D65标准照明体的偏差是由于在定义时, 当时的D65标准荧光灯无法复现真正的6 500 K日光色, 所以在后续的光源颜色评价系统中一直沿用下来, 固态照明系统也考虑到这点, 虽然Duv偏差并没有精确地和颜色匹配标准偏差系统完全一致, 但是也适当保持了Duv的偏差。
5 固态照明产品——显色指数
显色指数可以简单定义为:低色温时, 被测光源与同色温的普朗克辐射体的比较下物体外观颜色的效果;而高色温时, 标准照明体D作为参照标准。在显色指数评价中, a为一般显色指数, 是由1～8取算数平均值得出的, 而特殊显色指数9～15分别是代表深红、深黄、深绿、深蓝、白种人肤色、叶绿色、中国人女性肤色。光源颜色的显色指数是由光源的相对光谱功率分布所决定的。该标准要求固态照明产品显色指数的一个批次平均值必须大于等于标称的一般显色指数, 而批次中的单个样品不能小于标称一般显色指数减3。
虽然显色指数作为国际通用度量方法, 但人们发现用该显色指数系统评价固态照明产品的相对光谱功率分布时, 可能存在一些问题, 而这些问题目前CIE正在修改相关的显色指数评价系统, 以后当CIE出版新的显色指数评价方法时, 美国国家标准ANSI NEMA ANSLG C78.377-2008将作出相应的改动。但CIE没有出版新的评价方法时, 该标准仍然采用唯一现存的显色指数评价方法。
6 结语
一种全偏振参数的显微测量系统 篇8
随着生物医学研究的发展,研究者发现大多数的生物组织具有内在结构的光学各向异性[1]。该属性的测量对识别细胞物理特异性,对细胞生理状态的研究、分析与识别具有巨大的潜在价值[2]。目前,国际上公认的获得生物组织偏振特性的最好方法是测量其Mueller矩阵[3]。它的16个矩阵元素不仅包含生物细胞的尺寸、形状等有关结构信息,还反映生物细胞的生理状况,被喻为表征生物组织光学特性的“指纹”[3]。但是,目前测量Mueller矩阵的方法是多次改变入射光偏振态,以此建立多个线性方程并组成线性方程组,然后求解Mueller矩阵元素[4,5,6]。因此,实际的应用中,光源状态改变次数越多,测量周期相对就越长,无法满足对细胞变化的过程研究需求。
本文设计了一种基于电光调制液的全偏振显微镜测量方案,不仅测量次数减少为4次,提高了测量效率,而且测量误差较低,能够为进一步的生物研究提供技术支撑。
1 测量原理及装置
1.1 全Stokes矢量的测量
在现有显微镜光路中,一般采用单CCD成像方式,而本文的测量装置使用了双CCD模块。该模块利用偏振分光棱镜(PBS)将出射光(o光和e光)分别成像在两个CCD上,其结构如图1所示。其Mueller矩阵记为式(1)。液晶调制器前置于PBS棱镜的光入射面上,根据其材料特有的电光特性,其控制电压变化可对入射光偏振相位量δ进行控制[7],相应Mueller矩阵记为式(2)[8]。
其中:β=cosδ,μ=sinδ。基于该Mueller矩阵表达式,测量系统结构可以用如下方式表达:
式中:So_ray、Se_ray分别为出射o光和e光的Stokes矢量,MLCM为液晶调制器的Mueller矩阵,MPBS_o和MPBS_e分别为PBS棱镜的两个出射面的等效Mueller矩阵,Si为入射光的Stokes矢量。
为获得偏振相位的最优调制效果,该装置中调制器快轴与x轴的夹角θ取为-π/8[8]。由式(1)、(2)可知,β和μ将跟随电压变化,因此,两个CCD接收到的图像不断变化。设CCD芯片某像素点检测到的光强图像信号分别为Io和Ie,则:
为获取四个Stokes参数,本文设定液晶调制器的相位延迟δ分别为0、π/2、π、3π/2,并用下脚标数字序号1234表示对应δ值的测量结果。根据式(5)和式(6)联立解方程,可得
其中:S0~S3表示Stokes矢量中的各个分量,Ix和Iy分别表示入射光通过偏振分束棱镜后的o光与e光光强,该参数中下脚标的数字1~4分别对应调制相位0、π/2、π、3π/2。利用上述方案,可实现对入射光Stokes矢量中全部参量的测量。
1.2 测试装置的结构
如图2所示的系统其偏振分光棱镜上的两个CCD芯片的像素匹配是整个系统架构中的关键技术,要求实现CCD芯片像素级的配准成像。由液晶调制器电光特性[12]确定四个调制工作点,然后进行全偏振参数的测量。
系统工作时,入射的光线首先经过窄带滤镜,由液晶对其偏振相位进行调制,使之分别产生各种偏振态的入射光,之后按照前文所述的电光调制测量方法获取Stokes矢量中各参量的图像。
2 Mueller矩阵元素的测量
根据已有的研究模型[9,10,11,12],生物Mueller矩阵可以用式(8)表示:
针对该模型并结合本文设计的全偏振测量技术,设计Mueller矩阵的测量方案如下:
1)入射光是水平线偏光时,系统可测量到:
2)入射光是垂直线偏光时,系统可测量到:
3)入射光是与系统X轴正方向夹角为45°的线偏光系统可测量到:
4)入射光是左旋圆偏光,系统可测量到:
iinS中的下脚标in表示入射光,i表示第i次,ioutkS中的下脚标out表示出射光,k表示在Stokes矢量中的参量,i表示与第i次入射光具有对应关系。经过上述四次入射光的变化,我们可以获得Mueller矩阵的全部元素:
测量所得不同矩阵元素的图像代表样品的不同特征。如图3中的m22和m33适用于形貌特征的观测,m12和m13的图像分别去除了原图中的水平和垂直偏振分量,其可视性比原始图要好。m23表征了样品在水平与垂直方向上吸收系数匹配的结果。在生物Mueller矩阵测量中,人们最为关心的参数是m44[3,13,14],这是因为m44的测量结果能够同时表征生物样本结构特征与手性特征。而该装置能够实现对m44的测量并获取此类特征。
3 系统误差分析
系统进行测量时,最容易产生误差的是m44元素,其引入误差的主要因素是液晶调制器的快轴角度偏差、调制相位点的偏移量以及波长的偏差。根据前文的分析,假设两个工作点发生偏移时,其偏离程度是一致的。这时,m44输出误差分布如图4(a)所示,从图中可以看出,入射光偏振相位越接近π/4时,因工作点偏移引起的测量误差越小;而其越接近0、π和π/2时,按照上述条件产生的测量误差越大,但总误差不超过1.5%。
另外,设工作点恒定不变,则由方位角装配误差引起的测量误差如图4(b)所示。可以看到,系统的测量误差达到2%。因此,系统装配时必须优先保证该角度的精度。
4 总结与讨论
本文设计了一种全偏振显微镜的参数图像测量装置,该装置能够用来实时测量样本的全偏振参数。实验结果表明,该装置能够完成的测量误差小于2%,动态测量刷新率为2 frame/s。限制该刷新率的主要原因是本文使用的电光材料是非高速调制的液晶材料,其电光调制速度限制了采集的速度。如果将该材料更换为高速液晶材料,则帧频可以提高到微秒量级。该全偏振测量装置的结构并不复杂,利用Mueller矩阵的对称特性校准也相对简单,完全可以在显微镜的已有结构上进行改装。改装后的显微镜能够用于实时的生物样本全偏振参数及Mueller矩阵的测量。
摘要：本文设计了一种用于Mueller矩阵测量的全偏振参数显微镜测量系统。该测量系统以液晶调制器键合于偏振分束棱镜表面的模块为核心器件,实现了以10次光强获取为周期的Mueller矩阵参数测量功能,能够方便地实现Mueller矩阵中全部参数图像的实时测量,比前人设计系统的测量效率有很大提高。基于该系统,本文进行了Mueller矩阵快速调制测量方案的具体设计,并给出了测量结果。论文还对该系统进行了测量误差的分析,实验结果及误差分析表明,系统的相对测量误差能够控制在2%以内。
矿用钻机开孔参数测量系统研究 篇9
1系统工作原理
系统整机主要由本安电池组和系统主板组成,本安电池组主要用于整个系统的供电;系统主板主要包括充电电路、DC/DC转换电路、开关机电路、核心处理器(ARM)、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计、处理器外围存储器电路、WIFI芯片及LCD显示屏等。系统结构框图见图1。在实际的操作过程中,三种三轴传感器采集的信息通过对应的接口送给核心处理器ARM,ARM对数据进行相应的解算后,将得出的方位角和倾斜角结果显示在LCD显示屏上,同时用户可以通过按键操作对相应的测试信息进行储存,最后在地面可通过WIFI无线传输的方式将存储的测试数据传输到计算机上进行查看,此外还可以通过串口与计算机连接将测试数据传出。
系统实际操作流程如图2所示。设备正常开机后,首先进行设备初始化及传感器自标校,待完成初始化后,将设备安装在钻机上标定初始位置,然后设备将实时显示钻机的方位角和倾斜角信息,司钻人员可以根据实际的显示角度值进行钻机开孔方向的调整,进而完成钻机布置。
2参数测量
2.1倾斜角测量
设计将采用三轴MEMS加速度传感器进行倾斜角测量,传感器为表面微加工多晶硅结构,置于晶圆顶部。多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上,提供加速度力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成,能对结构偏转进行测量。固定板由180°反相方波驱动。加速度使梁偏转,使差分电容失衡,从而使输出方波的幅度与加速度成比例。然后,使用相敏解调技术来对信号进行整流并确定加速度的方向。
设计采用两轴加速度计进行计算倾斜角,如图3所示。采用双轴测量存在三个优点:
(1)由于两个轴相互垂直,X轴检测到的加速度与倾斜角的正弦值成比例,此Y轴加速度与倾斜角的余弦值成比例,随着一个轴的灵敏度下降,另一个轴的灵敏度会上升,不会存在灵敏度随着旋转角度趋于90°而逐渐下降的问题。
(2)即使第三个轴上存在倾斜,也可以测出精确值。而在用单轴进行测量,只要任何其他轴上存在倾斜,就会造成显著误差。这是因为灵敏度与目标轴上重力的和方根(rss)值成比例。
(3)能够区分各个象限并在整个360°弧度范围内测量角度,每个象限都具有与X和Y轴加速度关联的不同符号组合。
2.2方位角测量
设计将采用三轴陀螺仪与三轴磁力计综合应用的方式进行方位角测量。三轴陀螺仪的作用是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态;三轴磁力计用于测试磁场强度和方向,定位设备的方位,磁力计的原理跟指南针原理类似,可以测量出当前设备与所在磁场东南西北四个方向上的夹角。由于矿井下钻场周边磁场环境复杂,且施工时间长等因素的制约,需要采用三轴陀螺仪与三轴磁力计综合应用来实现方位角测量。本系统采用陀螺仪为主磁力计为辅的方式实现方位角的精确测量。
3系统校准
整个系统最为关键的部分就是传感器校准,如果不能精确的校准则系统的误差将远大于预期值。下面我们将探讨如何进行系统校准。
3.1倾斜角测量校准
设计采用三轴加速度传感器,主要误差包括失调误差和灵敏度失配误差。首先设想一下,任意两轴向都具有完美的灵敏度,但X轴上存在50mg失调。0°时,X轴读数为50 mg,Y轴读数则为1 g。由此计算得出的角度就是2.9°,因而会造成2.9°的误差。±180°时,X轴的读数为50 mg,Y轴的读数则为1 g。由此计算得出的角度会存在2.9°的误差。另一方面,假设任意两轴向具有完美的失调调整功能,且Y轴具有完美的灵敏度,但X轴的灵敏度为+5%。在1 g场中,Y轴读数为1 g,X轴读数则为1.05 g,这种为灵敏度失配而造成角度计算出现的误差情况。
当失调引起的误差和灵敏度失配引起的误差两者相叠加时,总误差可能会变得相当大,完全超出倾斜检测应用所能接受的范围。要减少这类误差,就应当对失调和灵敏度进行校准,并使用校准后的输出加速度来计算倾斜角。包括失调和灵敏度的影响后,加速度计输出变化如下:
AOUT[g]=AOFF+(Gain×AACTUAL)。
其中:
AOFF是失调误差,单位为g。
Gain是加速度计的增益,理想值为1。
AACTUAL是作用于加速度计的实际加速度,理想值为g。
校准方法是假设增益为1并测量失调。经过此校准之后,系统的精度即会限制为未校准的灵敏度误差。这种校准方法可通过将目标轴置于1 g场中并测量输出(大小等于失调)来完成。然后,应在处理信号之前从加速度计的输出中减去该值。这种方法通常称为无调头或单点校准,因为器件的典型取向会将X和Y轴置于0 g场中。
3.2磁场校准
一般情况下,当带有磁力计的设备在空中各个方向旋转时,测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上。如果磁力计在含有附加的局部磁场的环境中进行操作,磁力计的输出做附加的修正将是必要的。
修正的输出可以根据下面的方法来计算:
1)在磁场干扰的条件下进行,测试设备被多次旋转360°,并采集足够多的样本数据。
2)进行数据分析,以产生偏差的偏移和灵敏度的比例因子,以补偿所述干扰。
4实验验证
实验利用系统样机、可倾回转工作台和计算机进行倾角、方位角测量方法验证,实际实验平台如图4所示。
实验室测试采用的可倾回转工作台的倾角测量精度为2',方位角测量精度10″,根据多次测量结果取最大误差值,具体测试结果如表1和表2所示。
5结论
介绍了采用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计综合应用的矿用钻机开孔参数测量方案,给出系统设计框图及操作流程,并利用可倾回转工作台进行倾角、方位角测量,通过实际的测试结果验证了开孔参数测量方案的可行性。
参考文献
[1]王海锋,等.高产高效工作面顶板走向钻孔瓦斯抽采技术[J].采矿与安全工程学报,2008,25(2):168-171.
[2]石智军,等.煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术与装备[J].煤炭科学技术,2009,7:1-4.
[3]蒋庆仙,等.双轴倾角传感器的设计与实现[J].传感器与微系统,2009,28(12):86-89.
[4]冯智勇,等.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报(自然科学版),2011,36(4):137-141.
测量参数 篇10
在原油处理和储藏过程中,原油含水率的准确性和及时性直接影响到原油处理设备的正常运行。原油含水的波动会造成管输、燃油损耗并造成原油沉降罐的运行不稳定。由于原油在开发过程中使用化学助剂,原油所含水分的成分复杂,易造成设备和管道局部穿孔[1]。因此,在线检测原油含水率是原油开采、脱水、处理、集输计量、储运销售及石油炼制等过程的重要依据。
2 联合站储罐含水率的在线测量
原油含水率在线测量是不将原油中的水分脱出,采用一套微机化系统进行测量,用单个或多个传感器探头在线实时采样。在线分析测量又分为直接测量和间接测量。直接测量是根据原油和水在许多方面的物理特性及化学特性不同,采用不同测量原理的一次表进行测量。在线测量方法主要有:密度法、电容法、微波法、短波法、放射性法、中子水分测试仪法等。长期、稳定、精确进行在线测量较为困难,主要因为:(1)产油过程中,油水成分一直不断变化,而流程中一次仪表的标定不及时;(2)目前仪器对影响测量结果的参数修正不够;(3)原油成分复杂,附着在一次表的探头表面,易形成死油、死水区;(4)基于微机处理系统的仪表精度要求高,而大部分在现场使用的油田检测仪表,无法达到此精度要求;(5)位置一般固定,难测到其他层面的含水率。
本研究采用短波吸收的原理进行原油储罐含水率在线检测。短波吸收法是将电能以电磁波的形式辐射到乳化状态存在的油水介质中,根据油、水这两种介质对短波吸收的能力的不同来检测油水乳化液中的水含量[2]。电磁波通过介质时,总是有一部分被吸收,因此电磁波的出射能量总是小于入射能量[3]。这种能量的减少服从朗伯-贝尔定律(J.H.Lamber-A.Beer),即
式中µ--介质的吸收系数;N--介质的分子数
I入--电磁波入射波强;I出--电磁波出射波强。当保持出射波强一定时,电磁波的入射波强与吸收介质分子数成指数规律变化。吸收系数由介质特性决定的,各种介质的吸收系数µ是不同的。如果吸收介质由多种物质组成,则上式应为
在原油乳化液中,上式可变为
式中µ0--原油吸收系数;N0--原油分子数;
µW--水吸收系数;NW--水分子数。
根据实验可知,µ0<<µW,所以N0变化对I入的影响很小,可设电磁波通过纯油介质的入射波强为常数,即I0=I出eµ0N0,则上式可变为
说明电磁波的入射波强只与容器里的油中含水量成指数规律变化。基于这一原理可实现对原油含水的检测。
油田联合站储罐参数自动检测系统是通过安装在油罐中垂直运动的传感器实现移动检测。传感器由短波发生器、发射体、接收体组成。发射体和接收体以原油为介质,当原油含水率发生变化时,对短波的吸收能量也发生变化,传感器将这种变化转化为4～20mA的标准信号,通过二次仪表或计算机显示出油罐参数的检测数值。在每一个采样过程中传感器自上而下降至罐底时自动停住,接着传感器自动返回上升,升至油水乳化带时,以9 5%含水率数值为界限,划分出油水界面的位置。此时,传感器以等间隔上升检测罐中不同高度油层的含水率、温度等参数。当含水率变化大时,减小油层检测间隔,直到传感器检测至液面为止。
3 联合站储罐油量的在线测量
油田联合站沉降罐参数自动检测系统如图1所示,其检测过程是:通过安装在油罐中垂直运动的传感器实现移动检测,传感器由短波发生器、发射体(探头)、接收体(护罩)组成。发射体和接收体以原油为介质,当原油含水率发生变化时,对短波的吸收能量也发生变化,传感器将这种变化转化为4～20mA的标准信号,通过二次仪表或计算机显示出油罐参数的检测数值。在每一个采样过程中:传感器自上而下降至罐底时自动停住,接着传感器自动返回上升,升至油水乳化带时,以9 5%含水率数值为界限,划分出油水界面的位置。此时,传感器以等间隔上升检测罐中不同高度油层的含水率、温度等参数。当含水率变化大(或突变)时,减小油层检测间隔(即增加测量点数),直到传感器检测至液面为止。
在储罐参数的每一个采样过程,采样点数可能不相同,并且不是等间隔采样,所以把区间(ha,hb)分成n份,即ha=h0
曲线下方夹在直线h=ih-1,h=ih之间的区域是一个曲边四边形,它的一条曲边是原曲线y=f(h)的一段弧。若把区间分得足够细,这段小弧可近似地看成一段直线,于是这个曲边四边形可近似地用一个梯形来代替,而这个梯形的面积等于
所有这种梯形面积的和等于
由此可得储罐油量的动态测量公式为
在原油生产过程中,沉降罐的油水界面ah和液面hb都是随时间在不断变化。因此,积分限是可变的,在此称(1)式为原油储罐动态油量近似计算公式。为了进一步提高计算精度,定积分的近似计算可采用抛物线法或牛顿-柯特斯法。本研究以某联合站一储罐为例,该储罐测得一组数据如表1所示。
原油含水率Cw与储罐高度h的关系曲线如图3所示。
在人工测量中,所测罐内含水率通常仅取某点垂直线上的上、中、下三点的含水率,即认为是平均含水率。实际上这种测量结果很少有代表性。由于罐内含水率是油高的非线性函数,因此本研究采用梯形近似法和多项式回归法计算储罐油量:
1、采用梯形近似法计算
由于采样间隔不同,分别为T1=0.25(m),T2=0.5(m),T3=0.1(m),T4=0.2(m),可分为4段进行计算,即
设修正系数k=1,储罐直径D=17.146(m),罐内平均温度t1=40℃,原油密度ρt1=820.3 kg/m3,储罐净油量为
2、采用多项式回归法计算
根据现场数据,设y=f(h)=1-Cw,建立y与h之间的关系,采用4段回归曲线进行拟合,分段多项式回归方程为
储罐净油量的计算式为
上式中,
设修正系数k=1,储罐直径D=17.146(m),罐内平均温度t1=40℃,原油密度ρt1=820.3 kg/m3,储罐净油量为
由梯形近似法计算得到的油量为Gd1=801.45(t),由分段曲线回归法计算得到的油量为Gd2=803.44(t),由此可见,上述近似计算方法基本上能满足工程上的要求。
4 结束语
根据原油含水率非线性分布的变化规律,分析不同工艺条件下原油储量的测量方案,提出采用变积分限和不等采样间隔的定积分近似计算原理以及采用分段多项式回归方法计算拟合曲线下的积分,建立了原油储罐油量动态测量的数学模型。通过理论与实际应用相结合解决了油田联合站脱水工艺流程沉降罐油量的动态计算,为油田联合站原油储运动态、实时盘库系统的实现提供一条可行的途径。
参考文献
[1]张帆.原油含水对管道运行的影响[J].油气储运,1998,17(8):4-6.
[2]赵千锁,徐伟.短波原油含水监测仪及其应用[J].化工自动化及仪表,1996,23(1):60-62.