二维位置敏感探测器(PSD)自动测试系统

为了实现对大尺寸二维位置敏感探测器(PSD)的性能标定,设计了基于LabVIEW的PSD自动测试系统.驱动步进电机以1mm步长对PSD光敏面进行扫描,并采集电压值计算激光光斑的位置.应用二元二次多项式法建立光斑位置测量值和实际值的计算模型,由此得出二维PSD非线性校正函数,使测量误差显著减小,较大地扩展了二维PSD的测量范围.     

激光光斑位置精确测量系统

设计了一种激光光斑位置测量系统,用于提高激光照射器监测系统测量激光光斑位置时的测量精度.分别介绍了测量系统的组成及它们的信号连接关系.针对激光光斑图像采集过程中的后向散射现象,提出基于异步距离选通的激光后向散射抑制技术.为了克服大气湍流扰动对激光光斑成像的影响,利用改进的盲解卷积算法对激光光斑图像进行事后图像处理.最后,对光斑图像进行畸变校正,并利用高斯曲面拟合算法提取光斑位置.设计了若干仿真实验,并应用该系统处理了实际外场实验.结果表明,所设计的激光光斑位置测量系统的测量精度不超过0.3 pixel.     

齿轮表面倾斜对测量精度的影响及校正

为了满足应用激光位移传感器进行位移测量时的精度要求,分析了齿轮表面倾斜对激光位移传感器测量精度的影响。根据探测器信噪比与输出灰度值成正比,提出了光斑分布非线性加权和线性插值联合的重心校正算法,使高灰度值像素在光斑重心定位的贡献总体增大,其增长规律具有非线性特征。经量块组合实验表明:当物面粗糙度Ra小于0.4μm时,本校正法相对于传统的灰度重心算法,在物面倾斜角小于35°时位移测量精度能提高40%以上,在物面倾斜角为47°~75°时位移测量精度能提高30%以上,有效地减小了物面倾斜引起的位移检测误差。     

光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面

分析了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素。根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声。通过综合滤波算法对光斑图像进行处理,可以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征。根据激光光斑图像在倾斜被测物体表面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小、计算效率高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响。利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系统,对标准内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48 mm,中径测量精度提高了0.44 mm,牙型角精度提高0.57°。     

激光三角测量传感器的精密位移测量

本文论述了激光三角法测量位移时，其象点位置随被测物面位移的变化规律；推导出激光散射用与成象角之间的关系；讨论了激光三角测量传感器结构参数的设计方法。     

粗糙表面精度测量系统的研究

设计了一套粗糙表面精度测量系统,采用线边缘激光三角法实现了亚像素级测量,在图像算法上采用改进的阈值法进行边缘检测,用形态滤波法对被测物表面图像进行处理。研究结果表明,该系统能较好地提高测量精度,并得出较满意的图像边缘,可达到5 m的测量精度要求,且具有一定的通用性,实现了对具有粗糙表面的电池极片涂敷层的厚度及均匀性的测量。     

基于三角测距系统的不同表面材质测量精度的研究

研究不同被测表面材质对激光三角测距测量精度的影响,利用光线追迹方法,通过对不同表面材质成像光斑的光学模拟,同时利用MATLAB对得到的波形数据进行归一化处理并对光斑质心理论计算,得到影响三角测距测量精度的2个关键因素:表面反射率分布和表面微观形貌。表面反射率越接近朗博体的目标物对应的检测误差越小;表面纹理越少,对应的检测误差越小。进而提出提高测量精度的方法并验证,结果表明:通过优化成像光斑的高斯分布和增加垂直于检测方向的激光宽度能够提高测量的精度。     

一种基于双目立体视觉的激光线扫描技术

针对线结构激光扫描系统标定成本高,而双目立体视觉测量中立体匹配难的问题,提出了在双目立体视觉的原理上,结合线结构激光扫描的方法实现对被测物体的三维测量。该方法采用张正友相机标定方法对系统进行立体标定;采用BOUGUET’S法对左右相机图像进行立体校正;运用重心法进行激光中心线的精确提取。在图像校正的基础上,可快速实现激光中心线位置的立体匹配;再结合线扫描原理可完成对物体的扫描工作。最后,使用该系统对具有复杂自由曲面的鞋楦进行测量,结果表明:该方法能快速准确地测量出符合要求的三维数据。     

CCD分段测量的光学位移测量系统

为了高精度地实现大量程的位移测量,采用传统激光三角法的测量原理,提出一种基于虚拟探测器的激光三角法来测量位移。该方法基于3个CCD分段测量的思想,将3个CCD互相独立且沿光轴均匀分布,以此扩大传统方法测量的范围。使用平面反射镜作为虚拟探测器进行探测,当成像光束经平面镜反射后在CCD上成像时,系统相当于增加了一个CCD,扩展了测量量程。由准直系统、偏振片、光阑组成准直滤光系统,缩小探测器光敏面上像点的直径,减小被测表面非理想光点对测量精度的影响,从而实现了较高精度下的大位移测量。最后通过实验验证了方法的可行性。     

旋转测量状态下光斑中心定位方法

目前,对管道内腔为自由曲面的截面轮廓进行高精度测量是行业难题。拟将多个不同测量范围的激光位移传感器放置于管道内腔中,采用旋转的方式对内腔进行测量,将得到的测量数据进行归一化处理后获得被测管道内腔截面轮廓形状。分析测量过程中激光光斑的变化情况,针对光斑图像的多峰、散斑、平顶与形状变化等现象,提出了一种基于传统灰度重心法进行粗定位的距离倒数加权多项式插值亚像素光斑中心定位方法。采用中值滤波对光斑图像进行预处理,通过自适应阈值分割法从环境背景光强中分离出光斑中心定位区域。通过MATLAB仿真与灰度重心法、加权灰度重心法与高斯拟合法传统光斑中心定位方法相比,结果表明,光斑中心定位精度达到0.01 pixel,在激光光斑中心定位精度和稳定性方面有一定的改善,明显优于传统的光斑中心定位算法。     

LOW FLYING HEIGHT MEASUREMENT WITH MULTI-WAVELENGTH INTERFEROMETRY

A method for measurement of ultra-low flying height in head-disk spacing is described. Three different wavelengths are selected out from white light by filters to measure the spacing simultaneously. Besides solving the ambiguity problem, a more reliable result is achieved by using weighted average of measurement results from three different wavelengths, where the weight is dependent upon spacing. Fringe-bunching correction algorithm （FBC） and spot-tilling technique are adopted to suppress calibration and random errors. Moreover, incident bandwidth correction （IBC） method is introduced to compensate the error caused by low monochromaticity of incident light. Based on dynamic flying height tester （DFHT Ⅱ）, with the redesigned of photo-electric conversion and signal acquirement module, an instrument has been developed. And comparing the experimental data from the instrument with those from a KLA-FHT D6, the discrepancy is less than 5%. It indicates that the instrument is suitable to perform ultra-low flying height measurement and satisfies the reauirement of magnetic heads manufacturing.     

基于场曲的物像间曲直面的换算及其应用

从点源圆孔衍射的成像原理出发,经过适当推理得到仅有场曲像点的光强和位置的计算式,进而分析探讨了基于场曲的物像间曲直面的换算原理与方法及其应用。该方法有利于光学设计中对场曲进行像差平衡与校正、光学加工中对场曲的检测与修正、数码成像时做场曲的电子校正以及虚拟测量中的曲直面换算等。     

任意位姿物体机器视觉测量视差变形补正

提出一种对机器视觉测量视场内任意位姿目标物体视差变形导致测量误差进行物体自动跟踪和变形补正的方法。在分析视差变形基础上,提出自动跟踪检测模型,得出补正参数。通过改进的序贯相似性检测算法(SSDA)模板匹配、图像的二值化处理和腐蚀、质心坐标求取和轮廓边缘搜索等计算,计算出反映目标物体位置、姿态偏移的特征参数,从而求得目标物体自动跟踪位置、姿态偏移补正量。以任意位姿M4螺母内螺纹检测为实验对象,实验结果表明,该自动跟踪补正方法可行,具有较好的跟踪一致性,取得了较好的视差变形补正效果。     

基于几何光学的图像矫正法在圆管PIV实验中的应用研究

粒子图像速度技术被广泛用于流体流动测量,介质折射率差异使光在圆管壁面发生偏折,导致图像失真,直接影响速度测量精度。本文建立了光学折射的物理模型,得到圆形管道中物点和图像点之间的函数关系进而得到矫正后图像的像素坐标,使用双线性插值算法得到像素灰度值重建出矫正后的粒子图像,最后根据多重网格迭代算法计算管内速度场。分别对流体进行管内静态流体与管内层流速度场测量实验,对比了光学矫正箱法、线性矫正以及基于光学模型的畸变矫正方法误差。结果表明,本文提出的基于几何光学的图像矫正方法精度优于光学矫正箱法和线性矫正方法,并通过静态与流动实验充分验证了所建立几何光学模型的准确性和有效性。     

考虑声源非线性影响下材料非线性系数测量研究

采用有限幅值法测量材料非线性系数,提出减少声源非线性影响以提高检测结果精度的方法。利用多元高斯声束模型,将准线性条件下探头产生的基波、二次谐波及声源非线性声场表示为纯平面波解、衰减修正项和衍射修正项组合的形式;通过设备输出的监测信号分析声源非线性值的大小;进一步修正了采用平面波理论计算非线性系数计算公式,得到消除声场衍射、声能衰减及声源非线性波影响下更加准确的计算方法。对6061铝试块进行非线性系数的测量试验,结果显示在消除声源非线性影响下,不同检测电压下的测量结果间误差在10%以内,相比于未考虑声源非线性时的结果,其精度得到了极大的提高。研究将为减少声源非线性影响以提高材料非线性系数的测量精度提供理论帮助。     

齿轮整体误差测量中异点接触误差及其修正

在齿轮整体误差测量技术中,整体误差测量结果与齿轮单项误差测量仪器的结果之间存在差异的问题一直没有得到很好的解决。通过对齿轮整体误差测量中异点接触现象的分析,提出了异点接触误差的定义和计算方法,分析了异点接触误差和曲率干涉误差在本质上的不同之处,提出了基于准形态学滤波的异点接触误差修正方法,并进行了异点接触误差修正的仿真试验和实际整体误差测量结果的误差修正试验。理论分析和试验数据表明,修正后的整体误差测量结果更加接近实际被测齿廓的真实形状,应用本方法修正异点接触误差的效果显著,可提高整体误差式齿轮量仪的测量精度。     

层去图象法反求测量系统的标定

在层去图象法测量系统中,物体的空间坐标与截面图象坐标之间存在着复杂的非线性映射关系。如果采用完全理想条件和线性几何失真方法来标定系统,则会影响测量精度。本文提出了一种基于神经网络的标定方法,显著地提高了测量系统的精度。     

基于神经网络的反求测量系统的标定

在层去图象法测量系统中,由于诸多因素的影响,物体的空间坐标与截面图象坐标之间存在着复杂的非线性映射关系。如果采用完全理想条件和线性几何失真方法来标定系统,则会影响测量精度,为此提出了一种基于神经网络的标定方法,显著地提高了测量系统的精度。     

多基地周视红外搜索系统的目标定位模型与精度分析

对周视红外搜索系统提出了一种新的目标定位模型,并推导了定位误差公式。研究了周视红外搜索系统中目标搜索定位的影响因素,包括搜索站站址误差,各站对目标定位的方位角误差、俯仰角误差以及目标距离等因素。采用矩阵分析方法推导了目标的三维坐标及相对各搜索基地的距离值。采用定位误差的三维几何分布（GDOP）图分析了三站、正方形四站、菱形四站及五站模式的搜索系统对目标的定位误差。仿真实验结果表明,与其它定位模型相比,这种针对周视红外搜索系统的四站正方形目标定位模型具有较高的准确度。     

BP神经网络用于光镊力的非线性修正研究

光镊是测量微小力的有效工具,力的测量范围和测量精度是光镊系统的重要指标。本研究提出运用BP神经网络方法对光镊系统的力的测量和标定进行非线性修正,并通过实际应用检验,证明BP神经网络方法对光镊系统力的测量进行非线性修正,不仅扩大了光镊系统力的测量范围,而且与多项式拟合方法相比,该方法的精度更高,从而有效提高了光镊系统的性能指标。