轴类零件表面划痕深度测量系统设计

针对某些轴类零件表面上划痕深度的测量,提出了基于直射式激光三角法的测量系统。利用激光三角法测距的基本原理,设计了以单轴十字滑台为移动元件,激光发射接受装置和高精度CCD为测量元件的零件表面划痕深度测量方案。试验结果表明,该测量仪器能够实现轴类零件表面划痕深度测量的快速性和准确性,响应迅速,测量精度可达0.001mm。     

俯仰角组合测量系统的设计

利用准直激光、单轴倾角仪和CCD摄像机建立了一种俯仰角组合测量系统以提高俯仰角测量的精度和稳定性.首先,给出了俯仰角组合测量模型,基于坐标旋转算法和迭代方法研究了俯仰角的组合测量原理.然后,采用蒙特卡罗法对影响组合测量系统精度的各个因素进行了全局灵敏度分析.结果表明,与目前工程测量中普遍采用的倾角仪直接测量俯仰角法相比...     

基于像差修正的同轴度测量方法

为了实现在同轴度测量中平行偏差(平偏)和倾斜偏差(角偏)两个量的同时测量,建立了基于激光准直性的光斑接收系统。该系统由接收物镜、分光棱镜和CCD构成。以物镜光轴、准直光束几何中心线和两个CCD接收面构成的三角关系进行两个偏差量的计算;并通过对系统像差的分析,提出了显著降低物镜像差对测量结果影响的算法。理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1.6 cm的系统,平偏测量精度可达0.02 mm,角偏测量精度可达9.5″。因此,该系统可以满足较大范围内的旋转机械同轴度测量的需要。     

基于激光三角法和嵌入式的微位移实时检测系统

基于激光三角法和嵌入式的微位移实时检测技术,采用激光三角法测距和灰度重心法提取激光条纹中心的原理,使线结构光、透镜、CCD位置信息满足Scheimpflug共轭清晰成像条件。通过图像处理获取像面坐标系位移信息,得到待测物体物面坐标系的位移,利用灰度重心法实时提取结构光条纹中心的特点,结合嵌入式系统尺寸小、稳定、便携的特性,实现对待测物体进行实时、非接触和微位移测量。     

基于PSD的孔径测量系统设计

为了适应现代化生产和在线检测,提出了应用位置敏感探测器及激光三角法原理实现非接触内径测量的测量系统设计方案。分析了位置敏感探测器工作原理,系统测量原理,及电路原理和电路元件参数,实现了微弱电流的提取、放大、转换。整个测量系统的测量范围为1mm,采用加工精度为1μm、直径为90mm的内径标准件对测量系统进行精度校验,实验表明,在1mm测量范围内系统测量精度高于5%。     

基于CCD的在线厚度测量方法研究

基于光学三角法的测量原理,采用CCD作为光电转换器件,根据成像于CCD上的像点的位移变化来实现物体厚度或微位移变化的测量方法,具有高精度、高灵敏度等优点.该方法能够实现在线动态检测和非接触测量.     

激光三角法位移测量多项式拟合及误差修正

基于非接触高测量精度、便于使用等特点,激光三角法测距在科研和工业生产实践中已获得了广泛的应用。位移测量是通过激光斑在成像光敏面上的位移来决定的,在不同的应用中两者之间多项式拟合的参数选择也往往不同,选择合适的多项式,实现快速、高精度测量对不同的应用有很重要的意义。本文针对激光三角法位移测量被测面位移量y与成像光斑在光敏面上位移量x之间的非线性关系,系统分析了y作为x的函数用多项式拟合过程中的误差来源,实验搭建了一台小型激光三角位移传感器,根据实验测量数据,验证了搭建的激光三角位移测量装置满足Scheimflug条件,根据实验测量值和多项式拟合计算的位移值,定义了一个评判拟合质量的质量因子Q,通过计算Q,确定了最佳多项式拟合。     

基于时间参考点的差动式线阵CCD位移传感器

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量,利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系,提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题,结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系,提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化;通过计算两个CCD上输出光信号的时间差,用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准,结果显示：在有效测量范围（600.05 mm）内,经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内,验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。     

基于PSD的激光微位移测量系统

介绍了一种基于二维位置敏感探测器PSD的激光光斑位置测量系统。与传统的方法相比,该系统改进了硬件和软件设计方法来实现PSD外围信号处理,它可以测量微米级位置的移动,实验结果表明系统测量精度在5μ之内。     

提高激光位移传感器精度的技术研究

为了提高激光三角测距位移传感器的精度,从分析影响系统测量精度的诸多因素出发,提出应用非球面设计校正系统像差的方法;应用基于高斯曲线拟合处理激光光点图像的方法;设计了激光点能量的自适应调节方法等一系列提高测量精度的有效方法.重点分析非球面透镜系统的成像的特点,给出了用于解决该系统中由于大视场和大景深所带来的较大像差的光学系统非球面校正设计理念,并利用ZEMAX光学设计软件对系统进行了设计验证,实践证明采用以上方法有效提高了系统的测量精度,在系统测量动态范围110 ～ 120mm段可以达到μm级的精度,同时也为同类系统设计提供了参考.     

Accuracy evaluation for sub-aperture interferometry measurements of a synchrotron mirror using virtual experiments

We present a virtual experiment for the accuracy assessment of the sub-aperture interferometric measurement of a synchrotron mirror involving several thousand sub-aperture topographies. The virtual experiment simulates the measurement process and accounts for the influence of positioning device errors, interferometer errors, non-perfect calibration of machine geometry as well as errors in the interferometer reference. Two principles are considered for reconstructing the form of a test specimen from the conducted sub-aperture topographies, a stitching procedure and a direct measurement method. The virtual experiments are applied to the task of absolute form measurement (including its radius of curvature) of a synchrotron mirror with a length of 30 cm, a width of 4 cm, a maximum curvature of about 44 mm⁻¹ and a peak-to-valley of 5 mm. As a result, reconstruction accuracies can be expected to be in the range of 100 nm when the stitching method is applied, which outperforms the direct measurement method by a factor of about 3.     

反射温度补偿法及其实验验证

为补偿环境辐射对红外测温的影响,根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,提出了反射温度补偿法。介绍了该方法的原理,给出了该补偿方法的理论计算公式。相关实验显示,在被测物体周围存在高温物体的情况下,采用提出的反射温度补偿法可补偿高温物体的反射能量。红外反射镜的选取与被测物体的表面状况有关,若被测物体可视为朗伯体,则可选铝箔为红外反射镜;若被测物体为非朗伯体,则需选用与被测物体表面结构相似的材料为红外反射镜。经过反射温度补偿,能较为准确地得到朗伯体的表面温度,误差可控制在2%以内;该方法亦能够较大地提高对非朗伯体的测温精度,其误差不超过5%。这些结果表明该方法简单易行,精度较高,适用于大部分的红外热像仪。     

活塞式空气压缩机排气量虚拟测试系统的研制

依据GB/T 15487-1995容积式压缩机流量测量方法中规定的ASME喷嘴法,应用PCI总线和LabVIEW虚拟仪器技术,构建了一种活塞式空气压缩机排气量虚拟测试系统,虚拟测试系统可完成压缩机排气量的测试与计算,与传统压缩机排气量测量方法相比操作更为简单方便。     

基于液压支撑的大口径主镜稳像技术

望远镜的俯仰运动会使主镜相对镜室的位置发生改变,进而影响望远镜的稳定成像。为了校正主镜位置变化,本文提出了利用液压支撑对主镜相对镜室位置进行实时控制,实现对主镜稳像的方法。利用实验室现有的1.23mSiC主镜为监测目标搭建了测试系统,设计了基于6个位移传感器的位置监测系统。在未启用和启用液压稳像技术两种状态下,测试了主镜位置变化,并对主镜位置进行解算,试验结果表明液压支撑技术有确实的稳像效果。当镜室转动40°时,未稳像的主镜其X向平移变化为150μm,绕X轴转角为2.5"。采用液压稳像后,X向平移变化减小为3μm而绕X轴转角减小为0.4"。测试结果表明,基于液压支撑的主镜稳像技术可以实现对主镜位置的实时检测和控制。     

Fiber optic displacement sensor with a large extendable measurement range while maintaining equally high sensitivity, linearity, and accuracy

This paper presents a fiber optic displacement sensor composed of a transmissive grating panel, a reflection mirror, and two optical fibers as a transceiver. The proposed fiber optic displacement sensor guarantees a stable reflected signal acquisition for application in real industrial fields. Through a parametric study of the grating pitch of the transmissive grating panel, the signal-to-noise ratio, linearity, resolution, accuracy error, and sensitivity of the proposed sensor were investigated. The measured bidirectional movement demonstrated a peak to peak accuracy of 10.5 μm, high linearity of 0.9996, resolution of 3.1 μm at the full bandwidth, signal-to-noise ratio of 27.7, and high sensitivity of 31.8 μm/rad during a movement of 16,004.0 μm using the transmissive grating panel, which had a grating pitch of 200 μm. Even for an extended measurement range, the proposed scheme enables the same accuracy, linearity, and sensitivity to be maintained when compared with conventional laser displacement sensors and fiber optic displacement sensors.     

高精密滚转角测量干涉仪

现有的各种激光干涉仪可以方便地测量围绕垂直于直线位移方向的两个转角偏移,但是对于围绕运动轴的滚转角偏移,特别是对于大行程运动,缺乏有效的测量方法。针对各种高精密直线运动定位装置,设计一个新型的差分平面干涉仪,并采用一个楔面棱镜和楔面反射镜,组合成为一个几何空间对称四光路系统,构成新型的高精密滚转角激光干涉测量仪。它不需要与行程同长的大反射参考镜,但同样能实现高分辨率,而且简便实用,可以直接溯源米定义。试验证明,几何空间对称四光路滚转角干涉测量仪能够有效地排除其他自由度运动的干扰,利用它可以快速高效地测量各种精密直线位移运动的滚转角。使用普通的2π/360细分相位计,测量分辨率为1.1″,若使用2π/36 000的高精密细分相位计,滚转角的测量分辨率可达到0.01″。     

Expanded beam deflection method for simultaneous measurement of displacement and vibrations of multiple microcantilevers

Here we present an extension of optical beam deflection (OBD) method for measuring displacement and vibrations of an array of microcantilevers. Instead of focusing on the cantilever, the optical beam is either focused above or below the cantilever array, or focused only in the axis parallel to the cantilevers length, allowing a wide optical line to span multiple cantilevers in the array. Each cantilever reflects a part of the incident beam, which is then directed onto a photodiode array detector in a manner allowing distinguishing between individual beams. Each part of reflected beam behaves like a single beam of roughly the same divergence angle in the bending sensing axis as the incident beam. Since sensitivity of the OBD method depends on the divergence angle of deflected beam, high sensitivity is preserved in proposed expanded beam deflection (EBD) method. At the detector, each spot's position is measured at the same time, without time multiplexing of light sources. This provides real simultaneous readout of entire array, unavailable in most of competitive methods, and thus increases time resolution of the measurement. Expanded beam can also span another line of cantilevers allowing monitoring of specially designed two-dimensional arrays. In this paper, we present first results of application of EBD method to cantilever sensors. We show how thermal noise resolution can be easily achieved and combined with thermal noise based resonance frequency measurement.     

大口径空间光学遥感器的碳纤维复合材料精密支撑构件的结构稳定性研究

摘要：为了研究应用于大口径空间光学遥感器中由碳纤维复合材料（CFRP）制成的精密支撑构件的结构稳定性,设计并研制了连接在主、次镜间的CFRP连接筒。对该连接筒建立等效力学模型、计算相关参数和确定铺层的合理形式,运用有限元法对连接筒进行分析计算,通过试验验证连接筒的结构稳定性。首先,由给定的主、次镜间角度变化量计算出连接筒前端面的最大挠度,根据实际载荷情况建立等效力学模型,计算连接筒轴向弹性模量,结合复合材料层压板理论,确定碳纤维铺层的合理形式。然后,运用ANSYS软件对有限元模型进行分析,计算主、次镜间的角度变化量和支撑结构的模态分布。最后,通过量级逐增的力学试验,采用光学测量的方法测量主、次镜间角度变化量,验证CFRP连接筒的结构稳定性。试验结果表明：主、次镜间角度变化量小于10″,CFRP支撑构件一阶基频大于75Hz。CFRP支撑构件满足主、次镜间角度变化量要求,具有较好的结构稳定性。     

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

基于准自然标志的平面位移测量方法

针对三坐标测量机的结构复杂、系统庞大、价格昂贵使得应用面受到限制的特点.因此开发了一种基于虚拟坐标测量概念,采用数字图像处理技术的简化三坐标测量机.在平面位移测量上,用具有不同半径长的圆形图案人造石材板作为工作台面,以圆心坐标与半径长为标志,利用Hough变换计算出圆形的圆心坐标及半径长度,再利用已知的圆心坐标及半径确...