基于近红外光谱检测木材单板含水率装置设计与研究
这是一篇关于木材含水率,近红外光谱技术,微型近红外光谱采集装置,小型化,无损检测的论文, 主要内容为木材作为一种重要的材料,广泛应用于生活的方方面面,纤维素、半纤维素,木质素是组成木材的主要成分,而纤维素中存在大量-OH,-OH是亲水基团,所以木材对于水蒸气和液态水有亲和力,由于木材疏松多孔的特性,木材在环境中具有一定吸湿性,这就导致木材以及木制品会随着环境中温度湿度的变化引起含水率的变化。当含水率低于30%时,木材的尺寸稳定性、导电性等都会受到影响。因此对木制品的含水率管理和控制就显得尤为重要。烘干法是传统检测木材含水率的方法,虽然测量结果较为精准,但是测量时间较长,在木材工业的应用上不是长久之计。除此以外,电导法、微波法、射线法也是常见的方法,但是综合成本,检测时间等多因素考虑还不宜大规模应用。为了满足现代木材工业发展的需求,近几年有学者对木材的含水率预测展开各种研究,其中,近红外检测用时较短,采集光谱只需在几秒内即可完成,测量的精度高,并且能够实现无损检测,深受学者青睐。通用红外光谱的光谱覆盖范围为780-2526nm,但其价格较昂贵。水分吸收光谱的5个吸收带分别位于波长760、970、1145、1450、1926nm附近,而位于1450和1926nm附近的吸收峰更为明显,针对这两段特殊波长内的近红外光谱采集装置相对较少。为了解决以上问题,本研究旨在设计一款成本较低、便于携带、可以对木材含水率进行实时检测的微型近红外光谱采集装置,基于近红外光谱识别技术特点,结合偏最小二乘法(PLS)建立模型,有效的对木材的含水率实现快速检测。研究内容及创新点:(1)根据水分在近红外区1450和1926nm附近两处明显的光谱特征,本实验选择滨松公司的C14272和C14273两个微型光谱传感器作为核心光学元件。(2)考虑到装置的成本和集成化的设计理念,选择意法半导体(ST)公司的stm32f107vct6作为主控芯片,根据主控芯片的要求,设计了微控制器模块电路,实现光谱数据的传输与采集。采用亚德诺(ADI)公司的AD5541作为数模转换芯片,设计了可调恒压源模块电路,实现对光谱传感器内部可调谐滤波器的控制。采用德州仪器(TI)公司的ADS8320作为模数转换芯片,设计了信号采集模块,实现对传感器输出信号的采集。最后依据各个模块的设计方案绘制出装置的原理图与PCB图。(3)根据驱动程序与应用程序分离的原则,基于Free RTOS实时操作系统分别设计了装置驱动程序和应用程序,包括可调恒压源驱动设计、温度采集模块驱动设计、数模转换模块驱动设计和通信模块驱动设计,并根据木材光谱采集需求,建立多任务系统,确定任务执行逻辑,实现装置对光谱信息的快速准确采集。搭建实验平台对装置硬件模块进行功能测试,测试结果如下,可调恒压源电路输出电压精度高于0.76%,峰值为48m V,温度采集电路精度高于0.12%,数模采集电路精度高于0.82%,基本满足C14272和C14273光谱传感器外围电路的设计需求。选取橡木单板含水率进行检测,通过采集不同含水率的木材样本在1350nm～2150nm波段内的近红外光谱,结合偏最小二乘法对采集的光谱数据进行建模分析。并用传统烘干法与测量数据作对比,结果表明测量数值良好,最大误差0.9%,最小误差0.3%,整体误差控制在1%以内,测量结果良好。
小型构造变形实验装置虚拟仿真系统设计与开发
这是一篇关于构造变形,小型化,实验装置,虚拟仿真,Virtools的论文, 主要内容为构造变形与烃类充注物理模拟实验是研究地质构造特征、形成和演化机制以及油气运聚规律的重要方法，对油气资源的勘探与开发具有重要的指导意义。课题以断层封闭性和构造地质学理论为指导，依据相似性理论，在原有构造变形实验装置的基础上，研究与设计了小型构造变形实验装置，并设计与开发了一套具备人机交互功能的三维虚拟仿真系统。 小型构造变形实验装置缩小了地质模型尺寸，机械结构紧凑，实现了机电一体化与实验流程一体化，降低了人力物力的消耗，避免了地质模型在二次搬运过程中受到破坏，提高了实验成功率，保证了实验效果。 针对目前构造变形实验存在实验周期长、装置机械干涉现象多、受不可控因素影响大的缺陷，为提高实验效率和建立实验员教学培训平台，课题基于虚拟现实技术借助Virtools平台开发了具备交互性、真实性、易用性和安全性的虚拟仿真系统。虚拟仿真系统依据构造变形实验流程由地质实验模型制作、变形装置的安装和动力加载装置的控制三个仿真模块组成，涉及到的关键技术包括角色控制、虚拟装配、碰撞检测等，使用户能够在分场景式的交互界面中体验虚拟构造变形实验。课题利用参数化建模技术构建了小型构造变形实验装置初始三维模型，并经3D Max优化处理后导入Virtools中，逼真的模型保证了虚拟仿真系统的真实性。视点控制模块提供了三维环境中的全方位可控视角。数据库与通信模块创建了虚拟仿真系统与外部数据库Access的连接，实现了实验信息的记录。经测试，虚拟仿真系统达到了设计要求，功能完备、实用性强，为构造变形实验的继续开展提供了新的技术手段。
基于辐射零点独立可控的滤波天线技术研究
这是一篇关于滤波天线,多辐射零点独立可控,小型化,宽带,高带外抑制,实验验证的论文, 主要内容为天线作为通信系统中发射或接收信号不可或缺的射频前端,在移动数据迅速增长的5G时代承载着高效、精准和敏捷传输信息的重要使命,但随着多频段不同标准通信系统中射频器件的不断增加,天线的口径面积受到了越来越高的限制,而复杂的通信环境又对不同频段的信息传输造成越来越严重的干扰,因此高速高质量通信的急迫需求和系统资源的严重匮乏之间的矛盾日趋突显,已成为当前射频前沿技术亟需重点研究的热点和解决的难点。为了解决以上突出的矛盾和困难,本文针对滤波天线集成设计的思想和方法。即把天线和滤波器集成为一个综合的滤波天线(Filtering Antenna,FA)嵌入式模块,进一步开展微波无源器件与天线一体化小型化集成设计和应用研究,通过微波滤波天线新概念技术研究,逐步迭代,实现高速高质量的灵巧型通信系统的研究和发展目标。本文对滤波天线新概念技术开展了深入地研究和分析,创造性地提出了基于辐射零点独立可控的滤波天线拓扑结构、设计方法,给出了该滤波天线的典型优化尺寸和性能指标,并完成了实验验证,证明了该设计方法的正确性、有效性和实用性。本论文的主要研究内容和创新点如下:1.提出并创建了双分割形槽结构辐射零点独立可控的紧凑型滤波贴片天线的设计方法和拓扑结构,实现了双零点独立可调可控的滤波天线。研究了微带贴片天线的辐射原理,利用提取极点技术,在贴片表面融合双带阻谐振结构的分割形槽形成微带滤波天线结构,无需加载额外的滤波电路结构,实现了小型化的设计需求。利用LC等效电路模型分析带阻结构的谐振特性,通过调节谐振频率完成对辐射零点的独立控制。与其他微带滤波天线进行对比,具有紧凑性以及优异带外抑制特性的优势,并通过实验验证了该结构的可行性和设计方法的正确性。2.提出并创建了谐振和耦合双结构辐射零点独立可控的宽带滤波贴片天线的设计方法和拓扑结构,显著地提高了滤波天线的设计带宽,实现了双零点独立可调可控的独特性能。首先提出F型馈电结构,优化了微带天线的特性阻抗,使天线的带宽增加了一倍,突破了传统微带天线两个辐射缝之间传输特性阻抗较低导致天线带宽较窄的难题。采用极点提取和交叉耦合复用技术,引入谐振带阻结构、多路径源与负载的耦合结构形成双结构特性,获得带外辐射零点。通过分析等效电路的谐振特性、调节交叉耦合水平,可对辐射零点进行独立地调整和控制。制作完成了一款兼具宽带、小型化以及高带外抑制水平的微带贴片滤波天线,并通过实验验证了该结构的可行性和设计方法的正确性。3.提出并创建了双腔结构辐射零点独立可控的SIW背腔式滤波天线的设计方法和拓扑结构,实现了三零点独立可调可控的滤波天线。提出了单层双腔结构SIW背腔式滤波天线,双腔体的多模特性扩展了阻抗带宽,同时利用双腔体之间的交叉耦合构造了辐射零点。采用极点和电流分析结合技术,引入谐振带阻结构、激励SIW的不同模式优化通带的选择性,形成了较宽范围的阻带抑制。通过调节谐振模式、交叉耦合水平实现对辐射零点逐个独立控制。研制完成了一款具有宽阻带抑制、小型化的宽带SIW滤波天线,并通过实验验证了该结构的可行性和设计方法的正确性。
面向机电一体化关节的高精度伺服系统关键技术研究
这是一篇关于电机控制,小型化,中空轴,机电一体化,双电机控制的论文, 主要内容为伺服电机作为响应速度快、控制精度高、运行平稳的工业自动化执行机构,广泛应用于各类加工制造领域,以及军用领域。目前,在工业机器人的机电一体化关节方面,一般采用普通电机与减速器结合的传统驱动方案,且采用外部走线的方式,很容易造成动作干涉。随着电机制造和材料加工等方面的进步,直驱电机逐渐取代传统驱动方案用来直接驱动设备。针对以上问题,本文设计一种基于全32位高精度磁电编码器的中空轴、高精度和机电一体小型化的直驱电机伺服系统,以满足机器人机电一体化关节或转台的需求。针对伺服系统高精度的需求,从控制算法计算精度、电压实现精度和传感器精度三个方面进行控制算法的优化设计;针对关节刚性提升的需求,基于单电机伺服系统设计并验证双电机控制算法。首先,进行电机的分析与设计。针对小型化和中空轴的设计需求,进行了电机基本参数的分析与方案设计。基于参数确定后的电机方案,建立了电机的三维模型,并进行电磁场仿真分析,逐步优化电机基本结构。针对电机的机电一体化需求,对控制器的硬件电路方案进行了设计规划,调整控制器电路板与电机结构间的装配方案。搭建了机电一体化的永磁电机,对电机基本参数和控制器基本性能进行初步验证。其次,设计并调试电机控制算法。针对全32位高精度的磁电编码器,设计了电机电流环基本控制算法。针对控制周期内死区时间的影响,设计了提高电压实现精度的控制算法。基于已设计的电流环控制算法,设计了全32位整型计算的速度环和位置环控制算法。调试了电机电流环、速度环、控制环的基本控制参数,进行了电机伺服系统特性实验。最后,设计并验证双电机控制算法。基于调试完成的永磁电机,设计了无减速器下的双电机测试平台结构。基于高精度的电机控制算法,设计了双电机控制算法。基于电机控制器,设计了双电机与上位机间的通信方案。搭建了双电机测试平台,验证了双电机控制算法对电机刚性提升的有效性。
基于辐射零点独立可控的滤波天线技术研究
这是一篇关于滤波天线,多辐射零点独立可控,小型化,宽带,高带外抑制,实验验证的论文, 主要内容为天线作为通信系统中发射或接收信号不可或缺的射频前端,在移动数据迅速增长的5G时代承载着高效、精准和敏捷传输信息的重要使命,但随着多频段不同标准通信系统中射频器件的不断增加,天线的口径面积受到了越来越高的限制,而复杂的通信环境又对不同频段的信息传输造成越来越严重的干扰,因此高速高质量通信的急迫需求和系统资源的严重匮乏之间的矛盾日趋突显,已成为当前射频前沿技术亟需重点研究的热点和解决的难点。为了解决以上突出的矛盾和困难,本文针对滤波天线集成设计的思想和方法。即把天线和滤波器集成为一个综合的滤波天线(Filtering Antenna,FA)嵌入式模块,进一步开展微波无源器件与天线一体化小型化集成设计和应用研究,通过微波滤波天线新概念技术研究,逐步迭代,实现高速高质量的灵巧型通信系统的研究和发展目标。本文对滤波天线新概念技术开展了深入地研究和分析,创造性地提出了基于辐射零点独立可控的滤波天线拓扑结构、设计方法,给出了该滤波天线的典型优化尺寸和性能指标,并完成了实验验证,证明了该设计方法的正确性、有效性和实用性。本论文的主要研究内容和创新点如下:1.提出并创建了双分割形槽结构辐射零点独立可控的紧凑型滤波贴片天线的设计方法和拓扑结构,实现了双零点独立可调可控的滤波天线。研究了微带贴片天线的辐射原理,利用提取极点技术,在贴片表面融合双带阻谐振结构的分割形槽形成微带滤波天线结构,无需加载额外的滤波电路结构,实现了小型化的设计需求。利用LC等效电路模型分析带阻结构的谐振特性,通过调节谐振频率完成对辐射零点的独立控制。与其他微带滤波天线进行对比,具有紧凑性以及优异带外抑制特性的优势,并通过实验验证了该结构的可行性和设计方法的正确性。2.提出并创建了谐振和耦合双结构辐射零点独立可控的宽带滤波贴片天线的设计方法和拓扑结构,显著地提高了滤波天线的设计带宽,实现了双零点独立可调可控的独特性能。首先提出F型馈电结构,优化了微带天线的特性阻抗,使天线的带宽增加了一倍,突破了传统微带天线两个辐射缝之间传输特性阻抗较低导致天线带宽较窄的难题。采用极点提取和交叉耦合复用技术,引入谐振带阻结构、多路径源与负载的耦合结构形成双结构特性,获得带外辐射零点。通过分析等效电路的谐振特性、调节交叉耦合水平,可对辐射零点进行独立地调整和控制。制作完成了一款兼具宽带、小型化以及高带外抑制水平的微带贴片滤波天线,并通过实验验证了该结构的可行性和设计方法的正确性。3.提出并创建了双腔结构辐射零点独立可控的SIW背腔式滤波天线的设计方法和拓扑结构,实现了三零点独立可调可控的滤波天线。提出了单层双腔结构SIW背腔式滤波天线,双腔体的多模特性扩展了阻抗带宽,同时利用双腔体之间的交叉耦合构造了辐射零点。采用极点和电流分析结合技术,引入谐振带阻结构、激励SIW的不同模式优化通带的选择性,形成了较宽范围的阻带抑制。通过调节谐振模式、交叉耦合水平实现对辐射零点逐个独立控制。研制完成了一款具有宽阻带抑制、小型化的宽带SIW滤波天线,并通过实验验证了该结构的可行性和设计方法的正确性。
平面超宽带天线的研究与设计
这是一篇关于超宽带,MIMO天线,小型化,多陷波,高隔离度,可重构天线的论文, 主要内容为无线通信领域的快速发展必然促使着人们寻求能够提供大量和高数据传输的新技术。超宽带(UWB)系统以其宽带宽、频谱资源丰富、抗干扰能力强和高数据传输速率等特性受到大量关注。现如今移动终端设备正朝着轻量化、便携化的趋势发展,因此需要设计小型化天线,特别是在空间有限的紧凑设备。超宽带频段内存在其它窄带信号对通信系统造成干扰,需要将其滤除,设计陷波特性的超宽带天线具有重要意义。超宽带系统局限应用在短距离通信领域,多输入多输出(MIMO)技术具有空间多径性和多路信号并行传输特性,将UWB技术和MIMO技术相结合提高抗多径衰落能力,增强了无线通信系统的信道容量,可以实现信号远距离稳定传输。为了适应微波设备对不同频段的要求,避免单一天线性能的改变造成重复性天线制造,设计可重构天线成为研究的新方向。本论文主要针对超宽带天线的小型化、宽带宽、多陷波、可重构以及超宽带MIMO天线的高隔离度特性进行了深入的研究和详细分析。本文主要工作如下:第一,设计了两款小尺寸多陷波超宽带天线。第一款天线为三陷波超宽带缝隙天线,正面采用圆形辐射贴片,背面采用蚀刻了类似蘑菇形缝隙的接地板,在辐射贴片蚀刻倒U形槽,微带馈线旁加载一对C形寄生枝节,接地板上寄生一对Z形枝节实现了WIMAX、WLAN和ITU 8G频段的三陷波特性,该款天线的尺寸为30mm×24mm×1mm,工作带宽为2.82～12GHz,增益在陷波频段外保持2～4.6d Bi,具有稳定的辐射性能。第二款天线为五陷波超宽带天线,使用开槽和添加寄生枝节的方式有效的滤除WIMAX、5G、WLAN、X波段下行频段和ITU8G频段。天线的尺寸仅为25mm×16mm×0.8mm,工作带宽为3.1～12GHz,增益在陷波频段外保持在2～3.6d Bi范围内,辐射性能总体良好。第二,设计了两款超宽带MIMO天线。第一款天线为两单元超宽带MIMO天线,正面的辐射贴片蚀刻开口互补方形谐振环(CSRR)以及在渐变微带馈线两侧寄生两对C形谐振枝节有效抑制了WIMAX、WLAN、C波段和X波段下行频段四个窄带频段;背面的接地板中心寄生阶梯形解耦枝节实现了高隔离度。结果表明,该款天线在2.89～12GHz范围内|11|<-10d B,|21|<-20d B,增益在陷波频段外保持在2～4d Bi,辐射特性稳定。第二款天线为四单元超宽带MIMO天线,这款天线具有42mm×42mm×1mm的紧凑尺寸,实现了3.09～12GHz的阻抗带宽,隔离度小于-16.4d B。天线的分集特性中ECC<0.02,DG>9.991d B,TARC<-20d B,总群延迟值小于1.4 ns,峰值增益为2～5.1d Bi,辐射特性良好。第三,设计了一款基于开口环谐振器(SRR)的互补陷波和窄带频段的可重构超宽带天线。首先研究了加载在共面波导上的一对单环S形SRR的相关传输特性,分析展示了耦合在共面波导(CPW)馈线的SRR具有带阻功能,通过扭曲式布局可以在基次谐振到二次谐振两个状态之间切换。将S-SRR对角传输线用pin二极管代替可以到达同样的效果。为了在频段范围内取得多个谐振,引入变容二极管可以从基次谐振连续可调到二次谐振。进一步研究表明将一对pin二极管加载在CPW和共面地缝隙之间,该结构可使得SRR传输特性通过控制pin二极管的断开和导通在带阻和带通之间切换。这种结构很容易应用在印刷单极子天线,最后提出了应用S-SRR结构的平面超宽带天线。该天线实现了互补陷波和窄带频段可重构特性,并进行了模拟实验验证。超宽带天线的频带范围为2.82～12GHz,在pin二极管断开时,呈现出了陷波特性,实现了WIMAX到WLAN陷波频段范围内连续可调;在pin二极管导通时,呈现出了窄带特性,实现了从WIMAX到WLAN窄带频段范围内的连续可调。天线增益在陷波超宽带天线中除陷波频段外保持在2.5～4.6d Bi;在窄带状态下增益为1.2d Bi左右,两种模式下的辐射特性稳定。
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