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优秀工程硕士论文范文十篇

[ 作者:dede58.com   时间:2018-05-11 点击: ]

  优秀工程硕士论文范文十篇

  优秀工程硕士论文范文篇五

  1. 绪论

  1.1 课题研究的背景和意义

  金属探测器最早应用于军事领域,探雷器就是它的雏形(探雷器能够检测出带有金属部件的地雷)。二十世纪中叶,世界上第一台金属探测器问世[1],它的功能是:检测出工矿业矿石中混入的金属块,并驱动相应的设备剔除金属块。金属检测技术的发展离不开电力电子技术。上世纪六、七十年代,电力电子技术[2]、印刷电路板技术的快速发展,才出现便捷式的金属探测器,如公安部门常用的搜身器和公共场所或大公司的安全门。60 年代以后,金属探测器的开始使用平衡式接收线圈[3],同时电路中增加同步解调器,不仅能检测到接收信号的振幅,而且还能检测到接收信号的相位,提高探测器的灵敏度和对接收信号的处理能力。早在 70 年代,国内就在食品安全领域引入金属探测器,当时,探测器使用大量的电子管和晶体管,导致线路庞大,功耗较大。随着电子元器件进入集成电路时代和微处理芯片的使用,让金属探测器走向自动化、智能化的道路。随后出现了能够自动进行自动大地效应平衡 (AGEB)技术和数据处理功能的金属探测器,使金属探测器有了质的飞跃,硬件上从单纯模拟电路转向模拟与数字电路相结合。软 件 上 从 单 片 机 发 展 到 数 字 信 号 处 理 器 (DSP) 和 Advanced RISC Machine(ARM),数字化芯片的使用提高了金属探测器的性能、扩展了金属探测器的功能、扩大了金属探测器的应用范围。 金属探测器的价值体现在军事、食品、药品、原材料加工、公共安全等各个领域。最直接的体现就是在如火车站、汽车站等公共场所,或世博会、奥运会、亚运会、全运会等各种大型活动,人员大量聚集,安保工作好坏成为判定活动成功与否的重要因素之一。金属探测器的使用,可以及时有效地检测出潜在的危险物品,如犯罪分子(尤其是恐怖分子)携带的管制刀具或金属违禁品,提醒安保人员提前采取应对措施,保证广大公众的人身、财产安全[4]。医疗、食品等行业,直接关系到每个人的生命健康,因此无论是民间还是政府对其品质成分含量要求越来越严格,要求达到国内或国际上一系列技术标准,如国际食品技术委员会的危害分析、关键控制点 HACCP 体系[5]和我国的食品质量安全 QS 体系和 ISO 体系等[6],在这些标准体系中,都将金属颗粒的含量检测作为关键的标准之一。因此,金属探测器成为食品、药品加工等领域必不可少的检测设备。并且对于某些特殊的加工行业,政府明确规定,如果其加工生产线没有金属颗粒物的检测设备,是禁止开工的。在原材料加工行业,金属探测器也是不可缺少的保护性设备之一。

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  1.2 国内外发展概况

  金属探测器的应用范围越来越广泛,而且达到了良好的效益。一台普通的矿用金属探测器便可以保护昂贵的矿石粉碎机(破碎机);在机场一台性能良好的安全门式金属探测器就可以保护价值上亿元的飞机和数百人甚至数万人的生命安全。因此,对金属探测器的研发引起政府和专家的高度重视。我国在冶金、医疗、食品、原材料加工等行业中,先后引进美国、日本、澳大利亚、等国和欧洲国家研制的金属探测器,在北京、广州、上海、深圳等地进行各种型号的金属探测器的设计和研究,并投入到广泛的生产生活应用中。 现在,金属探测器的应用已经从军工、矿业、纺织等领域逐渐扩展到木材加工、药品、玩具、安检、野外探险等领域。此外,国外还研制出了 X 光、红外线式金属探测器,能够准确指示出金属碎片的位置和大小,达到精确除铁的目的。此外,这些探测器也能应用在安检方面,提升其检测的精度。目前,有一部分科研人员正在研究利用超高频的电磁波谱:万亿赫兹辐射或称 T 射线。T 射线的引用可能使安全监测、医学成像、食品加工等领域的检测精度发生质的变化。食品加工商可以通过使用 T 射线检测装置来检测密封包装食品得知其含水量,确保食品的新鲜度达到最好。英国的 TeraView 公司设计出能够运用到码头的金属探测器,这种探测器的检测精度可以达到:随身携带的剃须刀或行李中的塑料炸药。 随着科学技术的发展,电子元器件的精度有了很大的提高,使金属探测能够达到较高灵敏度的要求。国产的 JTJ 型金属探测器能够检测到直径为 0.44cm 的铁球;南非生产的金手指(GOLD FINGER)型金属探测器,通过二维检测,能够在显示屏上标出被检测到的金属块的大小、位置,其灵敏度最高可检测出 0.5g的黄金;随着灵敏度的提高,误报警率也大幅提高;较高的灵敏度和准确报警之间相互矛盾;故研制出适用于各个领域,且能够精确报警的探测器成为电磁检测行业的重中之重。

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  2. 探测器的原理分析及整体设计

  2.1 基本原理

  麦克斯韦提出了位移电流假说:在任何随时间变化的电场都要在附近空间激发磁场;十九世纪早期,丹麦的物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,推翻了几百年来电和磁无关的定论。同期的法国的物理学家毕奥和萨伐尔在拉普拉斯的帮助下总结出了毕奥-萨伐尔定律,定理描述变化的电流周围产生变化的磁场,在电流附近某点的瞬时磁感应强度可由公式 2.1 和 2.2 求的。传统的检测金属方法是:当有金属物体通过探测器的检测区域时,其等效电阻由原来的 R1变为公式(2.21)中的 R,阻值增大;等效电感由原来的 L1 变为式(2.22)中的 L,电感量减小。从而导致检测线圈两端电压的幅值和相位发生变化,通过检测这些变量可以判断被测物是否为金属。涡流的作用导致阻抗的实部(电阻部分)增大,而虚部等效电感量是增大或者减小,由下部金属的材料决定。当金属为非磁性材料时,电感量减小;为磁性材料时,由于金属材料被磁化使其电感量增大。新的检测方式是:切断原线圈两端电流时,被测物中的涡电流不会立即消失,会以某种方式衰弱,如果在被测物下部又有一个线圈时,线圈两端会产生一个感应电动势 EMF,测量 EMF 的大小也可以判断被测物是否为金属,甚至可以判定金属的种类。发生线圈输入信号为脉冲信号时,这种测量接收信号衰减曲线的方法在 2.6 节详细介绍。

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  2.2 金属导体在线圈中的磁场分析

  假定存在一个球形导体固定在某个发射线圈和接收线圈的中间,如图 2.3 所示,以球形导体的中心为原点建立直角坐标系,发射线圈和接收线圈的轴心为坐标系的 Z 轴,其半径大小分别为 Rt、Rs。发射线圈、接收线圈的截面与 XOY 平面平行。坐标系原点到发射线圈、接收线圈的距离分别为 rt和 rs,设球形导体的半径为 a,电导率为 σ,磁导率为 μ。发射线圈通入大小为 I、角频率为 ω 的交变电流时,在周围产生一个交变磁场,球形导体感应到交变磁场时,就会在导体内部产生涡电流;由涡电流产生的新磁场与原磁场相互叠加。假定某一时刻原磁场保持不变,接收线圈的 EMF 只与新磁场有关。新磁场随着涡电流的变换而变化,涡电流的大小不仅与原磁场有关,而且与自身的电阻率、磁导率等有关;判断新磁场的变化情况最有效的方式是测定接收线圈 EMF 的变化。金属探测器从最初的模拟信号技术[22]到数字脉冲技术,由原来“涡流效应”到现在的巨磁电阻传感器等科学技术成果。探测器由原来的笨重、功能简单发展到现在的轻便、智能化。无论是探测精度,还是稳定性,都有了质的飞跃。金属探测器一般根据检测原理分为差拍式、自激感应式、耗能式、平衡式等。现在国内的检测精度较低的金属探测器大都采用从差拍式、自激感应式、耗能式等探测技术,检测精度较高的采用平衡式原理。平衡式相对其它式金属探测器性能更加稳定、可靠。下面对这几种金属探测器[23]的工作原理作简要介绍。

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  3. 硬件电路设计....21

  3.1 发射模块 .....21

  3.1.1 脉冲信号的产生 ..........21

  3.1.2 接收线圈上的信号 ........23

  3.2 接收模块设计 .........24

  3.3 主控芯片 .....25

  3.3.1 DSP 系统 ........26

  3.3.2 DSP 电源电路 ....27

  3.3.3 DSP 的晶振及复位电路 ....28

  3.4 电源模块 .....30

  3.5 RS485 通信模块 .......30

  3.6 输出驱动模块 .........31

  3.7 人机界面模块 .........31

  3.8 键盘模块 .....34

  3.9 PCB 的制作 ...........35

  3.10 本章小结 ....36

  4. 软件设计........37

  4.1 DSP 程序设计 .........37

  4.2 人机界面的软件设计 ...........42

  4.3 本章小结 .....44

  5. 实验结果分析及改进措施..........45

  5.1 实验准备 .....45

  5.2 实验结果 .....46

  5.3 抗干扰措施 ...........51

  5.4 本章小结 .....51

  5. 实验结果分析及改进措施

  本系统针对矿业中输送煤炭、金属矿石、非金属矿石设计的,在矿中需要检测出来的金属主要是:铲斗齿块、齿锰钢块、镗孔齿块、条钢、条链、铁制工具等。输送矿石主要用的是传送带(或输送带),传送带主要由牵引件、承载构架、驱动装置、支撑件、皮带等组成,能够影响金属探测器的主要因素是皮带、支撑件,因为探测器完全可以通过移动位置来避开其它部件的影响。皮带中含有铁丝网,皮带的接头或修补处都是用的铁钉;在设置探测器灵敏度时都需要考虑。 金属探测器的灵敏度设计上需要对矿石背景分类;金属矿石的品位对灵敏度影响较大,而非金属矿石则对灵敏度没有影响。

  5.1 实验准备

  利用 Altium Designer 软件将硬件图设计成 PCB 板,能够实现焊接任务,并完成相应的焊接组装工作,其次通过程序下载然后将程序下载至 TMS320F2812型 DSP 和 STC12C5A60S2 单片机中进行最后的调试。接收面板的尺寸为 200cm×40cm×2cm;发射面板为 200cm×20cm×2cm。硬件电路板焊接完成后需要进行一系列的测试,来确定硬件系统能否正常工作。测试主要完成以下内容[39]: (1)查看硬件电路板有没有焊接好、漏焊、短路,关键是查看在各个元器件同地线之间有没有短路。 (2)检查发射面板、接收面板的电缆和是不是正确连接到控制器上。 (3)给系统上电后,检测各个器件的两端电压是不是达到正常值,大功率器件有没有发热、发烫迹象;完成的金属探测器硬件结构的调试,实物图如图 5.2所示。调试好的金属探测器的显示面板如图 5.1 所示。

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  总结

  本文介绍了多种原理的金属探测器。描述了圆形和矩形线圈的磁场分布和平衡线圈的基本原理,并在圆形平衡线圈模型的基础上提出灵敏度、可靠性更高的矩形平衡线圈模型,并加以改进得出改进平衡式金属检测原理。以此理论为基础,结合检测原理以及电路知识,设计出应用在矿业中检测金属杂质的金属探测器。通过金属探测器实验,将的到的结果与理论设定值相比较,验证探测器的灵敏度和可靠性。结合现场对产品技术性能的要求,通过多次实验测试探测器的检测效果,本文设计的金属探测器的检测精度能够满足市场的需求;需要注意,为了最大程度上抑制干扰,提高检测精度,加入了数字滤波电路;同时加入了屏蔽罩和稳固措施,使探测器的稳定性到了较大的提高。 设计的不足之处是不能消除输送带和补丁处铁钉的影响。需要设计出能够使探测器识别出皮带接头,在皮带接头处降低探测器的灵敏度,减少误报。

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  参考文献(略)

  优秀工程硕士论文范文篇六

  1 绪论

  1.1 选题背景及意义

  随着社会发展突飞猛进,生活和生产中的用电设备也多样化起来,人们对用电设备的依赖性也日渐增强。因此可以说供电质量的保证不但关系着人们的生活质量,更关系着国民经济的发展速度。近十多年微电子技术和电力电子技术以十分迅猛的趋势在发展,增加了电网中的非线性、不平衡性和具有冲击性的负载,这将增加电能质量问题的发生概率,并且使电能质量问题有逐渐恶化的发展趋势[1]。我国的供电系统也普遍存在电能质量问题。目前对电能质量问题划分为以下几类:电压的波动、偏差和闪变,以及一些三相不平衡问题和谐波问题[2]。在近几年的各种新兴电气设备的冲击下,相继又产生了很多问题。比如有:瞬态过电压、暂态过电压、短时间间断及电压凹陷等[3]。 不论是生活家用电器设备还是电力系统中供配电设备,都会不同程度受到电能质量问题造成的不良影响。电能质量的问题必须得到足够的重视并及时解决,否则会严重威胁到一次系统中设备的安全运行。同时电能质量的恶化可能导致二次系统的一些重要设备直接退出正常工作状态,这将对整个系统造成无法挽回的严重后果。电能质量不合格会导致电力系统中一些装置接收到的控制信号不准确,从而导致供配电网络中一些继电保护装置发生误操作。这样会对电力系统的安全可靠的运行状态造成很大的隐患。因此可以得到一个不争的结论:电能质量的保证是十分重要的。这不但关系着用电设备的安全,而且还关系着整个电力系统的稳定运行。对于生活用电用户来讲电能质量的稳定与否关系到生活用户用电的质量[4],也关系到生产用户的产品生产质量。据美国方面可靠资料记载,过去十几年中每年经济损失中有超过几百亿美元是因为电能质量不合格的问题造成的。不合格的电能会对社会经济造成无可估量的影响。例如电能质量出现问题将会导致电网的大面积停电,这将会造成生产用户的生产力大幅下降,使产品的成本大大增加。对日常用户而言,由于电能质量不稳定出现的电压闪变显然会使家用电器的照明设备和显示屏发生闪动。一些家用电器中压缩机由于受到电压波动所产生的冲击力而发生震颤,大大影响了电器的工作寿命。此外,电能质量受到污染还会造成其他不良的影响。常见的主要有对有线或无线通信设备造成干扰。 综上,对电能质量的提高和优化不仅对社会的整体经济收益可以提供一个稳定的保障,而且对供电系统中电气设备的安全运行和生活用电用户的生活质量都有着很重要的意义。由于电能质量问题影响面之大,危害性之严重,因此国际供电会议已经把这个问题提上会议议程[5]。其中电能质量污染的问题已经被列入当前供电界关注的首要问题。目前国际和国内的许多科研工作者已经将电能质量的评定和优化单独列为一个研究方向开始投入研究。

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  1.2 课题国内外研究现状

  电能质量去噪技术是近二十多年才提出的,虽然发展时间较短,但是发展速度非常迅速。国内外很多专家学者对电能质量信号去噪的问题已经做了比较深入的研究工作。目前相关的去噪技术基本形成了一套较为完善的理论基础[7]。噪声污染对电能质量信号的影响主要表现在电能质量评估所用的特征量提取方面。比如采用小波变换去噪时,在高频处附近的信号波动特征就可能由于电能质量信号受到污染而提取不到。这样一来就与小波变换原理中更为精确的多尺度判断的特性发生冲突。还有一种可能情况发生,是发生在利用局部模极大值原理检测信号的时候。待检测信号若被噪声污染则会在检测结果中出现一些本来没有的奇异点。与此相似的情况还会发生在一些算法变换中,噪声会随着有效信号的放大而随之放大。这样会混淆了有效信号中的特征信号与奇异点,使设备无法分辨真实信号。 有些学者在文章中提出应该将信号在使用和检测前进行一定的去噪预处理。文献[8]中提到了一种形态方法的预处理方法。但是文中提到的两种方法 DQ 变换法和动态测度法都会受到噪声的影响。这是因为这个算法本身不具有消噪的功能,接着为了应对消噪的问题就相继提出了傅里叶变换和 HHT 变换等具有消噪运算功能的算法。 按照去噪技术的分类可以归为线性滤波去噪和非线性滤波去噪两类。前者具有简单易操作,平滑性较好等特点。不过在实际应用过程中发现线性滤波不擅长处理脉冲型信号,针对脉冲型噪声无法很好的达到抑制目的,脉冲部分的有效信号会被模糊掉。非线性滤波技术就是针对线性滤波的不足之处提出来的。经过非线性滤波去噪处理后,噪声信号会被处理为零值,非噪声信号的特征信号部分会被保存下来。

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  2 电能质量信号评估及去噪技术

  2.1 评估电能质量的重要性

  电能质量的概念已经被提出了好多年,近些年越来越受到国际上各国的重视。通常意义上电能质量指的是公用电网向用户所提供交流电的电能品质。合格的电能质量应该是具有标准的电压、恒定的频率和标准的正弦波形的供电信号[22]。关于电能质量的定义有很多,在没有统一定义之前不同文献中会使用电压质量、用电质量等词语对其进行代替或概括。直到 IEEE 标准技术委员会正式将电能质量一词规定为标准术语后,才出现了统一的定义。合格的电能质量具体定义内容为:可以保证设备进行正常工作的供电或接地系统的信号质量[23]。 三相交流供电系统中,不同相之间的电压、电流幅值相等、相位是对称且相互间隔120 度。实际在系统运行的过程中存在很多设备的非线性运行、系统中一些设备的不对称等、设备的开合闸操作和外在环境的干扰等因素造成了实际电能达不到理想状态。实际系统中用电设备和用户对供电电源特性的要求不同。对于这种供电和用电双方相互影响和相互作用的关系,在技术层面采用普遍认同的技术名词定义法给出一种定义[24]。

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  2.2 电能质量评估标准及意义

  电能质量评定问题是一个涉及到多学科的综合性课题,迄今为止对电能质量问题的研究仍然是电力部门和用电部门之间需要长期协调、研究和解决的问题。为了找出产生电能质量问题的根本原因并找出引起电能质量下降的因素,要对电能质量进行一定的规范分类,从而可以选择有效的解决方法去改善这一问题。目前国际上对电能质量的定义不统一,导致不同国家和地区所规定的类别分界和类别技术名词也不尽相同。国际电工届将此类问题归结为电子扰动的基本现象[26]。据此可以得出,电能质量问题可以根据造成扰动的时间长短大致分为暂态电能质量问题和稳态电能质量问题。 稳态电能质量问题主要是指发生电能质量异常的持续时间在大概一分钟以上的电能质量问题。主要的特征表现为波形畸变,主要问题包括:间谐波、谐波、噪声、缺口及电压不平衡等。暂态电能质量问题主要指发生电能质量异常的持续时间较短的电能质量问题。主要问题包括:信号凹陷、信号凸起、信号间隔、脉冲暂态和振荡暂态等[27]。IEEE根据电能质量问题的特征对其具体分类做出一个说明,将具体说明整理如表 2.1: 实现电能质量问题的分类与合理评估具有十分重要的实际意义。首先电能质量问题的准确分类和评估可以为供电方与用电方在拟定供电合同的时候来明确发生电能质量问题时候的责任提供划分依据,也为电能商品的分质计价提供参考。其次,准确的评估电能质量问题是对一个供电网络或者供电区域进行电能质量综合评估的提前,也是下一步对电能质量进行分类治理的先决条件。同时通过实时监测各监测点的电能质量可以调查到电能质量的干扰源,将责任具体到各电力用户,也有助于及时准确解决存在的问题。

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  3 小波理论在电能质量信号去噪中的应用 .... 14

  3.1 小波变换去噪的原理 .... 14

  3.1.1 连续信号小波变换去噪 .......... 15

  3.1.2 离散信号小波变换去噪 .......... 16

  3.2 小波基函数的确定........ 17

  3.2.1 小波基的选取 ..... 18

  3.2.2 离散小波变换 ..... 19

  3.2.3 小波基函数的特性 .... 20

  3.3 小波阈值变换去噪参数确定 ...... 22

  3.4 本章小结.......... 26

  4 结合阈值函数的构建及去噪原理分析 ........ 27

  4.1 结合阈值函数的构建 .... 27

  4.2 加权结合阈值法去噪步骤 .......... 30

  4.3 本章小结.......... 31

  5 加权结合阈值去噪效果仿真及验证 ..... 33

  5.1 加权结合阈值去噪的去噪模型建立 ........ 33

  5.2 三种特征信号的去噪仿真 .......... 34

  5.3 去噪效果的量化评定 .... 40

  5.4 本章小结.......... 45

  5 加权结合阈值去噪效果仿真及验证

  5.1 加权结合阈值去噪的去噪模型建立

  采用小波阈值去噪是依据有效信号与噪声信号经过小波变换后得到的小波系数再频率领域表现出来的特性不同,进而根据二者的差异制定相应的去噪规则,对小波系数进行分离去噪处理。处理的主要目的是在最大限度的保留有效信号的前提下尽量将噪声信号全部去除掉。然后将经过小波阈值处理后的小波系数进行重构。 因此去噪效果的改善主要在于小波变换后去噪规则的制定。本文中第三章介绍了几种阈值选取的规则与小波变换基函数,并且依据电能质量信号与高斯白噪声的特点选定采用正交小波基 Dsubechies 中的 db3 对原始含噪信号进行小波变换,采用 Donoho 和Johnstone 提出的统一阈值法进行阈值划分。接下来对阈值划分后的小波系数采用本文第四章详细介绍的加权小波阈值函数法进行不同频率段的阈值去噪,达到了再阈值门限处信号平滑过度不会发生跳变信号,在信号频率较高处的有效信号进行很好的信息保留。最后对去噪后的信号进行重构,通过计算 SNR 与 RMSE 来验证去噪效果的优劣。

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  结论

  本文通过研究电能质量评估的重要意义与具体的评估要求,提出了针对电能质量评估环节中最重要的采样环节进行信号的去噪预处理,使得采用去噪后的信号进行电能质量评估的结果更加准确可靠,从而保证了电力系统的安全稳定运行。文中详细对比研究了目前用于电能质量信号的去噪法,总结出了各种方法在去噪过程中的优缺点。以此为研究基础对小波变换去噪的方法进行了深入的研究。主要工作有:

  (1)通过对电能质量问题划分的研究,分析了电能质量评估中电能质量信号去噪的重要性,决定了要针对电能质量信号去噪的方法进行改进,达到提高去噪效果的目的。

  (2)详细对比研究了小波变换去噪方法的去噪原理与阈值门限选取方法,依据电能质量信号中所含高斯白噪声的特点,选定了针对电能质量信号小波变换的小波基函数db3 进行小波变换处理,确定了使用 Donoho 和 Johnstone 提出的统一阈值法进行阈值划分。

  (3)根据现有的小波阈值去噪方法存在的问题,针对阈值函数进行了加权优化,对传统的软硬阈值函数,通过一个可变的加权因子,实现了结合去噪阈值函数的加权结合。达到了优化电能质量信号去噪的效果。

  (4)Matlab 仿真软件对优化后的小波阈值函数进行了针对电压暂降、电压中断、电压暂升的去噪仿真,并与小波阈值去噪方法进行去噪效果的对比验证。

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  参考文献(略)


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