基于Qsys的时栅信号处理系统设计与实现

为提高时栅传感器位移测量精度和测量分辨力,研究采用FPGA嵌入式锁相环倍频产生4路同频且相位差为45°的高频时钟脉冲作为测量基准,利用多路并行双边沿计数方法对时栅参考信号和时栅感应信号进行相位测量,通过相位差转换得到具有高分辨力的时栅位移信号, 采用Qsys开发平台设计Nios－II软核进行数据处理,利用傅立叶级数谐波修正技术对测量结果进行误差修正,提高时栅传感器的测量精度,在72对极磁场式时栅角位移传感器上进行精度测试,实验结果表明:经过误差修正后,该系统测量的整周误差从－57.2″~ 92.5″下降到－2.0″~2.5″,作为角位移传感器满足高端装备高精度定位需求,具有重要的工程应用价值。     

高密度单光栅衍射光干涉线位移测量系统

为了突破传统的双光栅线位移测量系统结构和原理的限制,使用高密度光栅来提高测量精度与分辨力,介绍了一种采用高密度单光栅测量系统的光学结构,其采用衍射光干涉产生原始信号,具有光学四倍频,采用偏振移相的方法获得四路空间相位相差90°的原始信号.原始信号具有无其他谐波分量、正弦性和正交性好的优点.根据系统设计制作了样机,样机采用417 lp/mm的光栅,原始信号周期0.6 μm,经过1024电子学细分后,系统分辨力0.586nm,将系统的测量结果与HP5528干涉仪进行比较,实验结果表明:系统在100mm测量范围内精度达到0.1μm.这种线位移测量系统结构紧凑,分辨力高,精度高,可在众多需要高精度线位移传感器的场合中应用.     

基于激光自动搜寻的微位移传感系统设计

基于激光自动聚焦探测原理研究开发了一种非接触式微位移传感系统。利用光驱内的激光头,根据自动聚焦的原理进行设计,在“S”曲线法的基础上又提出了一种新的测量方法——自动搜寻法。将这2种方法相结合,既可进行大量程的测量,也可进行较小量程内高分辨力的测量。大量程(1.8mm)内的分辨力为2μm,较小量程(200μm)内的分辨力可达0.2μm。试验表明该系统具有良好的线性度、重复性和动态响应特性,可用来测量复杂物体表面的面形。     

一种实用纳米级位移测量校准器

提出基于新型共光路激光干涉原理的纳米级位移测量校准器，建立了其测量的数学模型，分析了其误差特性。由于采用相移干涉的相位分析技术实现波长小数测量，该测量校准器的精度好于0．5nm，量程达到几个mm；又由于共光路和紧凑的结构设计，因而具有良好的抗干扰特性，能够应用于一般实验环境。     

双频激光外差干涉的应用技术

针对以往双频激光外差干涉的舍去高阶误差测量方法,而这种方法在精度要求上已经越来越显得捉襟见肘,不适用于要求精度高的仪器,如纳米技术、机械加工等.本文结合双频激光外差干涉的速度快、精度高、抗干扰能力强、重复性好、溯源性强等特点,根据多普勒频移公式,建立了超精密矢量住移的测量方法.这种测量方法被广泛应用于数控机床、三坐标测量机等,动态特性测量和分析.     

高精度单频激光干涉仪的设计与试验研究

提出了一种光学8倍频的耦合差动式干涉光路,其结构设计简洁紧凑,光路布局对称性好,光程差倍增,符合阿贝原则和结构变形最小原则。对系统精度在理论分析的基础上进行了估算,得出了在10mm范围内干涉仪综合精度的理论值约为±1．8nm。采用与电容测微仪比对的方法对该系统进行检测,利用线性回归的方法对测量结果进行处理。试验结果表明：该干涉测量系统的精度约为14nm。     

一种改进的小数分频器设计方法

本文在分析整数和半整数分频以及双模前置小数分频原理的基础上,提出了一种改进的双模前置小数分频算法,并对改进算法的性能进行了分析。分析表明,采用改进算法进行任意小数分频器设计,可以在一个计数循环内达到相位平均偏差等于0,其相位抖动均方差也要远小于双模前置小数分频器,值得在实际应用中加以推广。     

大动态信号的高分辨采集电路设计方法

针对在数字采集中,受ADC的量化分辨力限制,大动态范围信号难以满足信号分辨力的要求的问题,提出了一种适应大动态范围信号高分辨力采集电路系统的设计方法.首先根据信号的动态范围、分辨力指标和关注度,将信号进行逆序分段放大到ADC的输入动态范围,之后,根据各分段采集到的不同分辨力数据,进行数据加权合成,实现大动态范围信号的分...     

干涉解调技术在光纤光栅传感系统中的应用

本实验的目的是为了将光纤光栅的传感特性应用于结构健康监测系统中,系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,通过以89C51单片机为核心的单片机系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小.系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,传感灵敏度为0.3950°/με.     

激光偏振干涉纳米定位系统的设计与实验研究

为适应工业发展和计量界对精密定位提出的越来越高的要求,本文提出了基于偏振激光干涉技术的纳米定位方法。在该干涉测长系统中,用偏振计取代传统单频激光干涉仪的光电传感器并配置偏振分光元件、起偏镜等,可将干涉仪出射光的干涉条纹相位细分为36000份,使用波长为633nm的激光源,可将理论测量分辨率提高到 10pm。将完成的偏振干涉测长系统与商用SIOS干涉仪的实验测量结果做了比对。本文还就完成的实验系统的各误差源做了实验研究,得到量化值。经不确定度评估计算,在标准实验室环境条件下,对于微米级行程的位移,其位置测量不确定度小于1.4nm。该方法可应用于纳米定位的各个领域。     

基于激光干涉技术的大尺寸绝对测量方法的研究

大型工件在制造过程中,面临着各式各样的检测任务,大尺寸测量技术成为现代测试技术的一个越来越重要的分支,为提高大尺寸工件静态几何量的检测精度,将激光干涉仪与传统测长机相结合,提出两种基于激光干涉技术的大尺寸高精度的绝对测量方法.通过对两种测量方法的不确定度理论分析和实验比对,验证方法的准确度和可行性.一方面激光干涉仪传统的动态测量转换为高精度的静态量检测,拓展了激光干涉仪的应用领域,同时弥补了测长机在绝对测量能力方面的不足,提高了测长机的测量精度和检测效率.     

高精度标准单晶硅球直径测量系统的研究

为建立我国高准确度固体密度基准和质量自然基准,对高精度标准单晶硅球直径测量系统进行了研究.论述了平面波前激光干涉法测量直径的原理和方法,分析了相移扫描、温度测量控制、以及硅球体积计算等系统的关键组成部分,并给出了各部分的实验结果.理论分析和实验结果表明,整个直径测量系统目前的不确定度为3 nm.     

基于伪随机码调制的车载激光雷达距离速度同步测量方法

针对双检测器激光雷达系统用于同步测量道路目标距离和速度时存在的成本高、回波利用效率低的问题,提出了一种基于伪随机（PN）码调制的脉冲式多普勒激光雷达结构模型,研究使用单个光外差接收器同步测量目标距离和速度的可行性并通过计算机仿真验证方法的性能。首先,给出激光雷达的系统模型,分析模型在脉冲方式下用于距离和速度测量时存在的问题;然后,讨论通过单个光外差接收器输出的电信号计算目标距离和速度的方法,即计算输出信号与本地调制码的相关函数确定激光飞行时间进而得出目标距离和使用非等间隔采样信号频谱分析方法确定输出信号的多普勒频率进而得出目标的速度;最后通过仿真验证所提出的方法可同时实现目标距离和速度的稳定检测。实验结果表明,在道路环境中该方法可实现目标距离和速度的稳定可靠测量,与直接检测系统相比,测量的灵敏度可提高10 dB以上,且与回波的到达时间、多普勒频率的大小无关。     

Measurement of periodic micro flows using micro-particle image velocimetry with phase sampling

A phase-sampling method has been developed to measure periodic flows at a high temporal resolution using conventional micro-particle image velocimetry (PIV). In this technique, the sampling is set such that each velocimetry dataset represents a unique point in phase of a periodic flow. The flow characteristics over a single cycle are reconstructed from measurements over a number of cycles, thus allowing measurement at a higher temporal resolution than the PIV system. The flow measurements were performed for AC electroosmotic flows and verified with results from the phase-locking technique. The temporal resolution is limited by the shortest camera exposure time and the time separation between laser pulses. The theoretical sampling resolution can be as low as 20 μs for 100 Hz periodic flows. A resolution of 200 μs was obtained in the experiment using 40 velocimetry datasets.     

Head–disk spacing measurement based on Michelson interferometry using white light illumination

Head–disk spacing of hard disk drives was measured based on Michelson interferometry using white light illumination. This method utilizes the phase comparison of two interference fringe patterns formed respectively on the inner surface of a glass disk and the air bearing surface of a slider through the glass disk. To suppress interference noise and to further enhance measurement accuracy, low coherent white light was adopted as an illuminating source to replace high coherent laser. A high sensitive CCD digital camera was used to compensate for the attenuation of the brightness and contrast of the interference fringe pattern in the white light-based Michelson interferometer. The captured images and the measured results indicate that the application of white light illumination effectively improves the interference fringe pattern, and the measurement error of extracting the ridgeline can be consequently reduced five times in comparison with a laser. Spacing resolution (=λ/2w) was enhanced to 0.68 nm/pixel in our experiment, closely approaching the extreme spacing resolution (at the largest fringe interval w _max) of 0.64 nm/pixel. Indirect and direct methods for determining fringe interval were proposed, and the latter provides higher accuracy. Head–disk spacing was measured at different spacing resolutions of 2.61 and 0.68 nm/pixel to clarify the effect of fringe interval on measurement accuracy. The results show that tested spacing at larger fringe interval achieves not only better agreement with the calculated example, but also better deviation tolerance characteristics. Based on the advantages, measurement of 10 nm spacing was realized with high accuracy and good repeatability.     

基于脉冲位置幅度调制的距离速度同时测量

针对传统波形方法在多普勒激光雷达测量目标距离和速度的应用中不能同时获得高测量精度的问题,提出一种使用位置和幅度同时调制的测量信号波形,以解决距离和速度测量精度之间的矛盾,同时使两个参数测量之间相互独立,并分析了该方法应用于智能驾驶道路环境中目标距离和速度测量的可行性。首先,讨论典型调制方法在同时测量目标距离和速度方面存在的困难,在此基础上,设计一种位置和幅度同时调制发射信号波形的解决方法,结合在线光纤放大器的放大特性给出该方法的物理可实现性;然后,讨论使用位置和幅度调制方法的激光雷达输出外差信号的频率计算方法以及激光雷达接收机输出回波信号的数据累加方法,从而分别测量出目标的速度和距离;最后,在道路移动目标可生成的多普勒频率范围内,通过仿真验证该方法的测量可行性以及两测量参数之间的独立性,并分析测量精度。仿真实验结果表明,位置和幅度同时调制的方法在激光雷达接收机输出信号的信噪比（SNR）低于0 dB时,可以有效测量目标的距离和速度,且这两个待测参数的测量过程完全独立。     

纸张平整度视觉精密测量系统

针对纸张平整度测量,研究和提出了基于四步相移法的面结构光三维测量方法.首先,DLP投射正弦条纹图像到待测纸张表面,光栅条纹以1/4周期为步长平移扫描.然后由相机采集经待测纸张表面形貌调制后的结构光分布信息,并利用四步相移法获取结构光图像的相位主值.最后采用多频外差原理实现解调,获得绝对图像相位的解调信息,经相位与高度之间的映射关系得到纸张高度信息并重建出纸张表面形貌.采用纸张表面点云高度坐标的极差和标准偏差对其平整度进行定量评价.实验结果表明,测量精度达到0.1mm,测量时间小于2秒,其稳定性和测量精度能够满足纸张平整度的测量要求.     

深海高流速传感器研制

阐述了深海高流速传感器的工作原理、结构设计、工艺研究及信号处理技术,该传感器中流速测量采用毕托管原理,利用差压传感器测量流体总压与静压差,流向测量采用水向标原理,角度变化由磁阻芯片检测,并采用单片机进行数据采集和后续处理,使得传感器具有测量范围宽、准确度高、耐高静压、分辨力高、抗振动冲击、耐腐蚀、适于深海中流场测量等特点。     

电阻层析成象系统的研究

１前言电阻层析成象技术是电阻抗层析成象技术的简化情况。自八十年代末由医学工程中的ＣＴ技术移植于工业过程成象领域以来,电阻层析成象技术获得迅猛发展。正逐渐由基础原理性研究向应用性研究转化。电阻层析成象技术是一种非侵入、接触式测量技术,它利用场域边界测量...