铯光泵磁力仪测频方法的研究和实现

铯光泵磁力仪需要通过测量磁共振频率换算得到被测磁场值。以全同步测频方法为基础,提出一种改进的测频方法,并进行了误差分析。通过判断连续两次测量中的被测信号周期个数是否一致对计数值进行处理,二者一致时进行频率换算,否则计数值被丢弃。通过该方法可以将最大误差减小到原来的一半。设计了基于FPGA的测频系统,对改进的方法进行验证,结果表明,改进后方法的误差明显下降,证实了改进方法的有效性。被测频率换算成对应磁场值,改进方法的测频的绝对精度满足设计要求。     

基于 NI CompactRIO 的多通道磁场采集系统的设计与实现

针对磁法勘探、地磁导航等不同技术领域的地磁测量需求,提出了一种多传感器模块化采集方案,构建了基于NI CompactRIO的多通道磁场采集系统.系统整合了光泵磁力仪,磁通门磁力仪,惯性导航模块以及GPS模块,可满足不同情况下的实验需求.为了解决多传感器组件同时采集时数据无法同步的问题,提出了基于GPS的同步授时技术以保证数据的有效性.利用插值计数器实现了数字倒数插值测频法,在铯光泵磁力仪有效输出范围内,磁测分辨率优于0.006 nT.在吉林大学电磁屏蔽室中,对系统噪声水平进行了评估,评估结果表明采集系统的PSD为7 pT/Hz@1 Hz,符合设计要求.最后在长春南湖和内蒙古桃合木苏木两个实验场地应用采集系统,验证了系统在野外恶劣环境下能够稳定工作,并高效地完成采集任务.     

一种基于地磁总场梯度的匹配定位算法

水下载体地磁导航技术是近年来研究的热点问题.为提高匹配导航定位的精度,提出了利用地磁总场梯度作为特征量进行地磁匹配定位.通过与地磁总场基准图的性能指标对比,分析了地磁总场梯度作为匹配特征量的优势.阐述了经典MSD(Mean Square Deviation)匹配算法的原理和缺陷,提出一种基于旋转变换的改进算法.仿真结果验证了地磁总场梯度匹配的优势和可行性;改进后的算法的定位精度相比经典MSD算法提高了26.57%,证明了改进算法的有效性.     

光泵磁敏传感器中FPGA调频器设计与实现

射频场调频器是氦光泵磁敏传感器核心驱动部件。模拟压控振荡式调频器存在频率不稳、调试困难和需要高精度测频电路等问题,集成芯片调频器存在控制复杂和功耗高等不足,而FPGA调频器具有频率稳定度高、不需要高精度测频电路和集成在FPGA控制器里的优点。提出氦光泵磁敏传感器数字检测原理和调频器技术指标,阐述FPGA调频器原理并完成设计。调频信号解调实验和扫频式磁共振信号检测实验的结果表明FPGA调频器满足氦光泵磁敏传感器数字化检测要求。     

基于虚拟仪器与FPGA的快速高精度自适应测频设计

在某些对测频精度要求较高的场合,如惯导信号的频率测量,仍然是采用手动计数器测量,这种测频法不能同时测量多个产品、多个通道,而且测量结果需人工填写多张表格,耗时较长,测量效率很低。针对此缺陷,设计了用虚拟仪器和FPGA编程替代手动计数器的惯导信号自适应测频系统,该系统可在宽频段(0.1Hz~200KHz范围内)实现同时、连续对多个产品、多个通道快速、高精度测量,并能根据被测频率的变化自动实时输出测量结果,实现测量自动化;测频系统经实际测量检验精度达到10-7。     

应用于无屏蔽环境的心磁测量系统研究与设计

设计了一种基于高平衡性二阶梯度仪的9通道心磁图仪并对其进行了系统的性能测试，证明其实现了无需磁屏蔽室即可进行的高精度心脏磁场测量。本系统的探测端由9个以碳纤维复合材料作为基底的探头组成，通过自主定位，可在胸前4个方形区域以1 000 Hz的采样率采集36点的心磁信号，同时软件端对采集到的数据进行处理，得出电流密度矢量图、等磁图等一系列图形。主要基于该系统进行了多方面的性能测试，测得定位精度、磁场-模数转换器采样率传输系数、磁场分辨率等。并且对两名志愿者进行了实际测量，记录其心磁信号并生成等磁图，并根据等磁图进行了心脏健康程度判断，结果与志愿者病史相吻合。     

基于循环队列的磁梯度张量测量数据同步技术设计

在磁梯度张量测量中,梯度传感器的姿态发生变化会导致所测的磁场梯度产生较大的波动,影响对异常数据的解释与反演.要利用惯导系统测得的姿态信息对传感器测量的张量数据进行校正,必须保证惯导数据与张量数据在采集时间点上严格一致,针对这一问题,设计一种软硬结合的张量梯度测量系统数据同步采集技术,在硬件方面,设计了以秒脉冲(PPS)为基准的硬件采集触发方式;在软件方面,引入了循环队列缓冲机制,对惯导数据和张量数据进行融合处理.实验结果表明:依据所叙设计方案的系统能够很好地对梯度传感器进行姿态校正.     

利用PC104和CPLD实现多普勒频率的测量

在某相位编码毫米波雷达系统中，由于对目标速度测量精度的要求很高，因此目标多普勒频率测量电路的设计也具有比较重要的地位。文章提出了利用PC104和CPLD，采用多周期同步测频方法实现目标多普勒频率的测量。相比传统的测频法和测周法，多周期同步测频法可以实现整个测量频段的等精度测量。实际应用表明，该设计具有精度高，可靠、稳定等优点。     

FPGA与MSP430的多通道同步频率测量计

本文介绍了一种基于相位重合检测法、以现场可编程门阵列FPGA为核心的多通道频率计.为了可以同步、快速、精确地测量并提取多路频率,对传统的等精度测频法进行改进,利用相位重合检测法使测量误差大大降低,测量精度至少提高了1000倍以上;采用单路测量、多路提取的方式获取测量数据,大大降低了系统成本,提高了系统工作效率;引入MSP430单片机与FPGA进行通信,充分发挥FPGA的高速采集能力与MSP430单片机的高效控制能力,使两者充分结合,大大缩小整个系统的体积,将最终结果显示在UI交互界面.     

基于NiosII的自适应高精度频率计设计

设计了基于NiosII的自适应高精度频率测量系统.介绍了等精度频率测量基本原理,并对等精度频率测量原理进行优化.给出了优化的等精度频率测量原理图;介绍了等精度测频IP核设计方法,给出此核的verilog HDL程序;采用了频率测量时间最短为原理的自适应算法,使测频时间达到最优.通过分频50MHz的系统时钟得到各种测试信号,并给出了0.1Hz～50MHz的测试结果.测试结果表明,本系统工作稳定可靠、测频精度高、最大相对误差在10-7级别.     

Velocity measurement in microchannels with a laser confocal microscope and particle linear image velocimetry

Particle linear image velocimetry (PLIV), a novel velocity measurement method for microfluidic characterization, is reported. The method records a series of one-dimensional images that represent the trace of particles in the flow across a one-dimensional imager. Linear imaging results in a faster frame rate than planar imaging, allowing observations at larger magnifications, or the measurement of faster flow in real-time than comparable techniques. In contrast to particle image velocimetry (PIV), PLIV captures fast flow dynamics and does not require high-speed cameras or shutters. Furthermore, PLIV is adaptable to multiple linear imager formats and, as one example, can use laser scanning confocal microscopes (LSCMs) that acquire images slowly, but with high optical sectioning resolutions. A higher spatial resolution can be obtained for flows where the in-plane velocity gradient in the direction of the optical path (z direction) is important. The PLIV algorithm is fully described and its utility is demonstrated by the measurement of: a steady Poiseuille flow with 1-m spatial resolution in a microfluidic environment; dynamic measurement of transient flows with 250-ms temporal resolution; and the simultaneous calculation of particle dimension statistics.     

基于消光断层法的喷雾分布不均匀度测量技术

燃油喷嘴喷雾分布不均匀度作为衡量喷嘴喷雾性能的重要参数之一,直接影响发动机的燃烧效率以及污染排放。为了验证消光断层法激光式分布器(Statistical Extinction Tomography Scan Optical Patternator,SETscan)在喷雾分布不均匀度方面的测量能力,利用离心式喷嘴在不同燃油工况条件下开展燃油喷嘴雾化性能实验,并与传统机械式测量方法进行了对比。结果表明,相比于传统机械式测量方法,激光式测量方法稳定性更好、实验效率更高、实验数据更加直观,具有更高的时间和空间分辨率,对激光遮挡率为10%~90%的燃油喷雾能够得出合理有效的浓度分布实验结果,同时由于激光式测量方法属于非接触测量,不会受到喷雾本身特性和安装位置等因素的影响。     

基于光耦探测器显微CT的实现及其放大倍数的标定

X射线显微CT因其较高的成像分辨率,被应用于微小样品内部精细结构的检测。分辨率是显微CT最受关注的指标之一,而实现其测量功能则是当今CT研究领域的前沿方向。为了提高分辨率,本文设计实现了一种基于光耦探测器的显微CT系统,对经过几何放大的图像再进行光学放大。由于对其放大倍数的准确标定是实现其测量功能的重要前提,研究提出了基于标准栅格板和标准球的标定方法,对基于光耦探测器的显微CT的光学放大倍数和几何放大倍数分别进行了标定。这样即使在实际测试中射线源、样品和探测器的位置发生改变,亦可直接算出总放大倍数。标定过程还使用了最小二乘法以提高标定精度。二维X射线投影图像测量实验和三维重建结果测量实验显示,此种放大倍数标定方法是准确、有效的。     

光纤传感器测量煤气发生炉中CO气体温度的研究

阐述了光纤传感器的优点及其基本工作原理,蓝宝石单晶光纤是目前在高温环境下最适用的光波导材料之一,其测量温度最高为2 000℃,温度高于800℃时,采用单晶蓝宝石棒做高温探头具有较高的灵敏度和温度分辨力,在800℃以上时,灵敏度优于1℃,在1000℃以上时,温度分辨力优于0.1℃,将其用于光纤高温传感器并测量煤气发生炉中CO气体的温度,其测量精度为0.1℃。     

采用光学放大提高光电自准直仪的分辨力

要提高自准直仪的准确度,首先要提高分辨力.为了能有效地提高分辨力,采用了在自准直仪光路中加入放大光路,对自准直像及其位移量进行放大的方法.通过样机研制,自准直仪的最小显示值达0.001″,含示值跳动量的分辨力小于0.005″,在±10″测量范围内的示值误差为±0.01″,在±50″全量程的示值误差为±0.02″.自准直...     

Investigations into the effects of illumination and acceleration on optical mouse sensors as contact-free 2D measurement devices

Since its introduction in 2000, there has been much interest in the use of optical mouse technology for displacement sensing and motion tracking. A conventional optical mouse configuration uses a single source of illumination but tests have shown that this can result in differences in sensor sensitivity in the x- and y-axes. This paper presents an investigation into the use of an optical mouse sensor for a two-dimensional, contact-free measurement device. It has been found that two-axis illumination can improve the accuracy of position measurement in two dimensions when compared with single-axis illumination. The effects of acceleration and deceleration on sensor accuracy have also been considered and it has been shown that sensor sensitivity is higher under conditions of acceleration than when decelerating.     

旋光效应在微位移测量中的实验研究

微位移测量原理有许多种,利用偏振光的旋光效应是一种高效、简洁、精确的新方法.旋光效应是指单色线偏振光在沿光轴方向通过石英晶体时,透射出来的光的振动面会产生旋转的物理现象,其旋转角度与晶体厚度有关.用激光器、起偏器、石英晶体、千分尺等设计了一个微位移测试系统,测试表明:其测量精度能达到0.1 μm,测量范围可达300 μ...     

分布式光纤测温系统在煤矿火灾检测中的应用

摘要：针对煤矿安全存在潜在的火灾问题,文中主要介绍分布式光纤测温原理及其在煤矿火灾监测中的应用。在系统结构上,本文提出了一种优化设计方案。此外,在信号处理方面,本文提出了一种命名为RLN-ELAM的新颖算法,用于检测并消除瑞利噪声对系统测量精度的影响,提高拉曼分布式光纤系统的测量精度。实验结果表明,利用此设计方案和算法后,可以使系统的温度分辨率、空间分辨率均有所提高,测量误差从7%降低到不足2%。在实验室进行的模拟实验中,对温度进行实际测量,结果表明,该煤矿火灾监测系统能够提供详细的温度分布情况并能够及时准确地报警,使工作人员随时掌握煤矿温度分布情况,及时准确地找到火灾发生区。     

基于PSD的空间信标光位置检测系统的研究

通过采用FPGA作为主控制器,以PSD为位置敏感探测器,设计了一种空间信标角度检测系统,实现了空间信标光位置的实时测量。通过实验数据验证,本系统具有较高的测量精度和实时性,灵敏度高,系统位置分辨率优于5μm,等效视场角10°,最小分辨率0.005°,可广泛应用于光电跟踪系统或光电位置检测领域。详细介绍了系统的软硬件设计和实现方法,给出了多路同步数模转换过程的FPGA逻辑时序,进行了各接口模块的设计和状态跳跃图分析,为信标光角度测量领域设计提供了一种可行的实现方法。     

Design principle of micro-mechanical probe for lateral-deflection-controlled friction force microscopy

Design principles of lateral-deflection-controlled friction force microscopy (FFM) are presented. Lateral-deflection-controlled FFM can overcome a fundamental problem of dual-axis FFM and can provide higher lateral resolution by compensating for friction force and providing effectively high rigidity to the probe. In this paper, key micro components are investigated: micro structures for detection of lateral probe deflection and for lateral drive of the probe. The micro structure for deflection detection is fabricated at the end of the probe and is used in combination with an optical lever method. The micro structure that reflects light (positive type) can provide higher sensitivity than a conventional structure that does not reflect light (negative type). For the probe lateral drive, a micro conduction structure that connects the probe with a support beam is used. A micro electrical conduction structure using stiction is introduced, and its feasibility is experimentally confirmed. These micro structures can improve the measurement accuracy.