非线性超声在金属基复合材料结构界面粘接强度评价中的应用

针对常规超声波难以对金属基复合材料结构的界面质量进行评价的问题,设计了非线性超声检测系统,利用超声波在界面上传播时微小缺陷与其相互作用产生的非线性响应信号,通过计算回波信号的超声非线性系数,就可以进行金属基复合材料结构界面弱粘接缺陷的检测,进而评价界面的粘接质量.实验结果表明超声非线性系数与界面的粘接强度之间存在一定的关系,因此,非线性超声检测方法有望用于金属基复合材料结构的无损评价.     

基于最小化灰度误差的非线性相位误差补偿方法

非线性相位误差是影响数字投影平面检测精度的重要因素,为了补偿数字投影系统中的非线性相位误差,对非线性误差的模型进行了研究与分析。根据误差模型中的高次谐波理论,构建了一个评价函数,利用此评价函数可以确定补偿之后的截断相位。首先,需要利用高步相移技术求出各谐波项的系数,然后通过相移公式求出实际的截断相位,最后,使用评价函数来求取补偿之后的截断相位。实验结果表明：此种误差补偿方法效果明显,将实际物体相位误差的平均绝对误差与标准差从0.027 31 rad和0.031 14 rad降低至0.008 71 rad和0.010 79 rad,极大提高了相位的精度。     

薄油膜厚度分布超声测量机制研究

为了测量机械设备中的薄油膜厚度分布,对超声测量薄油膜厚度分布的方法进行了理论研究。基于声波在三层介质中传播的相关理论,对中间层油膜厚度远小于油膜中入射声波波长的情况,结合具体边界条件,建立斜入射时超声波在三层介质中传播的反射系数弹簧模型,获得反射系数和油膜刚度的函数关系,进而由刚度获得油膜厚度;分析超声波入射频率、入射角度和油膜厚度对反射系数的影响规律,通过测量油膜中各点的反射系数即可获得相应点的油膜厚度,实现油膜厚度分布的测量。     

基于超声局部谐振的板结构缺陷定量检测方法

为提高板结构缺陷检测效能,提供一种基于宽带激励的超声局部谐振检测方法。利用最大类间方差法对宽带激励下的超声波场进行了分析处理,得到了缺陷的超声局部谐振频率,并将超声局部谐振频率下声场的空间分布用于板结构损伤检测成像;针对特定材料及厚度的各向同性板结构,通过均匀设计试验的方法,建立了缺陷尺寸与其超声局部谐振频率的关系模型。实验结果表明,所提超声局部谐振检测方法可以高效地实现各向同性及各向异性板结构损伤检测。利用回归分析模型还可实现缺陷几何参数的反演,且反演精度较高(半径反演误差最大为2 mm,厚度反演误差最大为0.6mm)。该方法为板结构缺陷检测及定量分析提供了可行的技术方案。     

基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型

针对多轴联动数控机床加工精度误差补偿问题,从分析数控机床误差产生机理和建立精度误差补偿模型的角度,提出了基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型。分析了B-A摆头五轴龙门数控机床的拓扑结构关系、低序体阵列、各典型体坐标变换,推导出了B-A摆头五轴龙门数控机床精度几何误差预测函数。采用平动轴十二线法误差参数辨识算法,测量并计算了某B-A摆头五轴数控机床21项空间几何误差,为精度几何误差预测函数提供有效参量。该几何误差参数建模方法,对不同拓扑结构和运动关系的数控机床具有通用性,为后续数控机床误差动态实时补偿并提高切削加工精度提供了理论依据。     

基于声弹性原理环槽铆钉夹紧力超声波检测方法的研究

为解决环槽铆钉夹紧力在役检测的难题,本文基于声弹性原理,提出了利用环槽铆钉轴向应力与铆接前后超声波纵波传播的时间差的线性关系,间接检测环槽铆钉夹紧力的方法。结合环槽铆钉结构及安装方法的特殊性,选择合的超声波反射界面,消除了套环径向挤压和铆钉尾牙塑性带了的检测误差和检测不确定性,大幅度提高了夹紧力的检测精度。     

空气耦合超声检测中衰减因素的研究

分析了空气耦合超声检测中的主要衰减因素;采用时域有限差分法进行数值计算和仿真,研究了换能器脉冲声场特性及扩散衰减特性;通过测量试验获得了实际换能器脉冲声场的声压分布情况,并与理论计算结果进行了对比分析,获得了换能器的远场区距离衰减特性;根据气固界面透射原理,分析了超声波穿透试样的界面损失;通过实际检测试验分析了斜入射角度与透射系数之间的关系。研究结果为空气耦合超声检测方案的制定和参数选取提供了指导依据。     

超声定位中测距角度引入误差的补偿方法

为了解决超声测距角度引入的误差难以有效补偿的问题,基于函数逼近理论和方法,提出了一种超声测距角度引入误差的补偿方法。首先对超声脉冲的传播和入射过程进行了仿真,仿真结果说明不同测距角度下的超声脉冲的传播速度不同,成为引入误差的媒介。然后通过实验分析了此媒介作用下的测距角度与误差的相关关系,采用基函数模型组合的方法构建了超声测距角误差模型。最后,针对模型自变量(测量距离和测距角度)必须是已知值,不能在实际中实现误差补偿的问题,将测距的测量值作为迭代运算的变量,将模型作为迭代运算的关系式,设计了一种超声测距角度引入误差的补偿算法。经实测验证,该算法在测距角度变化时,可以使测距误差的均值小于1.1 mm,有效地补偿了测距角度引入的误差,提高了超声定位的精度。     

曲面工件超声测量中探头自动对正的研究

分析了探头调整时脉冲回波信号的变化特点,在实验的基础上构建了声束入射角与表面波时域特征值间的关系模型.根据机械手调整前后的两个入射角解算出转动关节需要偏转的角度,然后逆解运动方程获取检测机械手在测量点处的运动点位值,最后调整探头位姿后并根据反馈回的对正误差来决定是否需要进行下一轮调整.在五自由度超声检测机器人上进行的大量试验表明,该方法在提高对正精度的同时,大幅度地缩短了超声测距的时间.     

基于神经网络代数算法的电子罗盘的标定

为了标定KVH-C100型电子罗盘,分析了电子罗盘产生误差的原因,设计了电子罗盘信号采集的软硬件系统;为了减少随机因素的干扰,对采样数据进行了中值滤波;在此基础上,采用神经网络代数算法建立了电子罗盘的误差补偿模型,该模型能实现在样本空间的精确映射,具有较高的非线性逼近精度。通过实验证明该补偿模型比中值正弦误差补偿精度高,使得误差范围由标定前的-5.468 15°～1.457 96°减小到-0.492 8°～0.517 8°,重复性实验也证明该补偿模型一致性好,满足控制要求。     

快速空间测角系统中偏振棱镜消光比的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Glan-Taylor棱镜后导致的非均匀分布的消光比参数引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法及偏振光的琼斯矩阵描述方式,对格兰-泰勒棱镜消光比参数引起的测角误差进行了理论推导;接着,结合一定入射及方位角下非均匀分布的消光比参数,运用Matlab软件进行了仿真分析。最后,通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化;根据实验值与仿真结果的对比分析,得出非均匀分布的消光比对测角精度的影响。结果表明,在一定的出射光范围内,入射角是影响消光比非均匀分布进而影响系统测角精度的主要因素,当方位角为90°时,系统测角误差较小;全方位角范围内系统测角误差随入射角的增大而显著增大,由此验证了理论分析的正确性。该研究成果对优化测角系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。     

校准能见度仪用标准散射体定标系统装调技术

为了实现校准能见度仪用标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,提出了一种新型的校准能见度仪用标准散射体定标系统,重点研究了该系统的装调技术。根据定标系统的组成与工作原理,建立了定标系统装调光学模型,并提出由抛物面反射镜与全景成像能量检测系统相对位置装调以及抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统相对位置装调组成的定标系统装调方案。建立校准能见度仪用标准散射体定标系统极限误差计算模型,在入射光线角度为45°的情况下,计算出装调过程中抛物面反射镜与低反射率球形屏幕系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差分别为3.18°和0.847°,抛物面反射镜与全景成像能量检测系统平移误差与倾斜误差的极限装调误差的极限装调误差均为2.14 pixel。实验证明装调后的校准能见度仪用标准散射体定标系统的最大角度检测误差为0.795°,满足定标系统的角分辨率是1°的使用要求。     

Wollaston棱镜偏振非正交对空间测角系统的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Wollaston棱镜后引起的两出射光束的偏振非正交及进而引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法,并利用坐标变化的方式,对任意入射角和方位角下Wollaston棱镜的偏振非正交进行了理论推导。接着,对偏振非正交与入射角的关系及它对系统测角精度的影响进行了Matlab仿真。仿真结果表明,随着偏振非正交及空间方位角的变大,系统测量误差变大,且Wollaston棱镜偏振非正交对系统测角精度的影响较大;当方位角为3°,偏振非正交为10′时,测角误差为30″。最后,通过分析偏振非正交的产生原因,改进了原有光源扩束系统,改善了偏振非正交对系统测角精度的影响,减小了测角误差。本文的研究成果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。     

Evaluation on 3D micro-ground profile accuracy of micro-pyramid-structured Si surface using an adaptive-orientation WLI measurement

According to the aperture of the objectives, surfaces with steep topographies greater than approximate 25° are difficult or unable to measure with white light interferometry. Hence, an adaptive-orientation measurement is proposed by adjusting the incidence angle from 51° to 21°. In this study, a micro-grinding with #3000 diamond wheel V-tip was employed to fabricate the micro-pyramid-structured Si surface with 142 μm in depth and 38 nm in surface roughness. The objective is to evaluate the micro-profile accuracy of micro-ground Si surface. First, the four micro-ground surfaces of micro-pyramid-structured surface were measured along the adaptive orientation with an incidence angle, respectively; then iterative closest point (ICP) matching was used to reconstruct the whole micro-ground surface with four adaptive-orientation measured point clouds; finally, 3D reconstruction error and characterized profile error were investigated. It is shown that the ICP matching with denoising and finishing is valid to register four adaptive-orientation measured point clouds for reconstructing an integrated micro-ground surface. Moreover, a decrease in incidence angle to measured surfaces leads to a decrease in 3D reconstruction error, an increase in valid top-topographic point number and a decrease in characterized profile error. It is confirmed that the adaptive-orientation measurement with 21° incidence angle may enhance 3D reconstruction accuracy by about 35%, valid top-topographic point number by about 3 times and characterized profile accuracy by about 38% against the traditional measurement, respectively. The micro-ground form error of 5.5 μm and the characterized profile error of 6.0 μm may be achieved, respectively, thus the micro-grinding is valid for the precision micro-fabrication of micro-structured surface.     

XGBoost机器学习在光电编码器误差补偿中的应用

光电编码器检测系统的误差主要受基准光电编码器测角误差、数据采集误差、检测系统同轴误差影响。其中，基准光电编码器的测角误差可进行补偿。因此设计了一种基于极度梯度提升树（extreme gradient boosting,XGBoost）机器学习的算法用来补偿基准光电编码器的误差。经该算法补偿后，静态精度提高了35倍，标准差由3.62″减小至0.13″，最大误差值由5.53″降低至0.39″。与传统的误差反传（back progagation,BP）神经网络算法以及径向基函数（radial basis function,RBF）神经网络算法补偿效果相比，XGBoost的补偿效果更优。XGBoost机器学习算法有效降低了基准光电编码器的测量误差，提高了光电编码器检测系统的检测精度。     

GH4169晶粒尺寸的多参数超声评价方法

考虑到单个超声响应特性参数反应出晶粒尺寸的特征信息不够全面,提出将多个超声参数相结合,构建面向GH4169晶粒尺寸无损定量表征的多参数超声评价方法。依据相关性度量准则,从声速、衰减系数、非线性系数等8个超声参数中选取有效参数;构建二次多项式的映射模型,将选取的多维参数降成单维参数并进行量纲一化处理;在对单维参数与晶粒尺寸拟合过程中,构建以两者平均绝对误差最小为目标的优化问题并结合进化算法进行求解,寻找最佳的映射函数和拟合函数系数;最终建立多参数超声评价模型。经测试样本验证表明,与单一参数的声速法模型、衰减系数法模型和背散射EMD法模型相比,所建模型评价结果精度高,性能稳定、误差小且有着良好的评价效应;融合了多个超声检测参数而保留了对晶粒尺寸的响应信息,提高了测量精度和抗干扰能力。     

移动机器人的超声波传感器发散角标定及应用

为了提高移动机器人在作业站点的定位精度,在考虑入射角的基础上,分析了发散角对超声波传感器测距的影响,建立了同时考虑发散角及入射角的超声波传感器测距函数关系表达式;提出了超声波传感器发散角的标定方法,并通过实验对发散角进行了标定;通过对比实验可以看出,所提出的关系表达式提高了超声波传感器距离测量精度。在此基础上提出了利用自动导航车(AGV)单个侧面两个超声波传感器实现移动机器人在作业站点侧向、前向及姿态3个方向的位姿定位方法,最后将该方法用于自主研发的移动机器人的定位试验,验证了该方法的正确性和有效性。     

基于视觉正交迭代法改进的激光跟踪姿态测量

针对航空航天、汽车船舶以及机器人应用等领域对姿态精准测量的需求,研究了一种基于视觉加权加速正交迭代 (WAOI)的激光跟踪姿态角测量方法。 首先阐述了测量系统组成、建立了数学测量模型,并分析了系统的主要误差源;其次 在正交迭代(OI)的基础上,通过物方重投影误差设置参考点权重系数,引入常系数矩阵整合迭代过程中的冗余计算,提出了 一种 WAOI 算法,并通过实验验证了算法的性能;最后搭建实验平台,利用精密二维转台对基于 WAOI 的姿态角测量进行精 度评定。 结果表明,在-20° ~ 20°角度范围内,3 ~ 15 m 测量范围内,方位角精度可达 0. 11°,俯仰角精度可达 0. 26°。 相较比 例正交投影迭代变化(POSIT) ,方位角和俯仰角测角精度均提升 75% 以上。 本文提出的 WAOI 算法有效提升了激光跟踪姿 态测量系统的精度。