精密光学斩波控制器设计

光学斩波控制器用于对光谱测量中入射光进行斩波调制,使入射光变为按一定频率变化的光信号,并提供参考频率信号,使后续锁相放大器对单色仪分光后的光信号进行锁相放大,实现对微弱光信号的检测。精密光学斩波控制器是微弱光信号测量中的关键部件之一,其斩波频率的稳定度及精确度是影响微弱信号放大的关键因素。以ARM单片机为核心,通过对斩波轮进行高精度转速测量,以分段式增量PID实现直流电机的PWM闭环控制,最终实现斩波轮转速的精密控制。实际应用表明,将该斩波器生成的脉冲作为锁相放大器的参考信号得到了令人满意的效果。     

机械振动微弱慢频变信号的混沌振子检测

机械振动微弱信号的检测与识别有利于早期故障的检测与诊断。用Duffing混沌振子检测微弱振动信号具有明显的优势。提出了用混沌振子检测慢变频微弱振动信号的方法。在给出Duffing混沌振子对微弱信号检测的基本原理后，根据慢频变信号的特征，对信号进行了周期离散，提出了对暂态信号进行时域延拓的方法，分析了可行性。提出了幅频联调方法，设计了检测原理，并给出了实现步骤。结合所提出的两种方法，对带噪声的频变微弱振动信号进行了检测分析。仿真结果和实际采集信号分析结果支持了所提出方法的适用性。     

基于电流与光强双闭环的双荧光实时检测系统

针对降钙素原(PCT)与C反应蛋白(CRP)的联合检测需求,为提高微弱荧光信号的检测精度,研制了双通道荧光实时检测系统,主要完成电路、光路及软件的优化设计。该系统选用LED光源,以电流反馈稳定驱动电流,结合光强反馈稳定激发光光强;基于预测量与多量程检测技术采集荧光信号,用软件实现暗电流消噪;以复用结构简化双通道光路设计,使光路结构紧凑。实验证明:系统对PCT的检测精度可达0.2μg/L,且有较好的重复精度。     

基于小波包及Hilbert-Huang变换的数控铣削颤振诊断技术

为了提高产品加工质量,根据试验测得铣削系统颤振稳定域,制定并采集数控铣削振动信号,以保证采集信号的准确性;融合小波包变换与希尔伯特黄变换,从能量频域分布与幅值概率统计分布两方面提取信号特征值,其中小波包降噪作为信号前置处理能有效降低环境噪声干扰的影响,提高经验模式分解的精度;建立基于模糊支持向量机的颤振诊断模型,将振动信号分为平稳铣削信号、微弱颤振铣削信号、颤振铣削信号及刀具磨损铣削信号。实验结果表明,该模型具有良好的铣削振动信号辨识与诊断能力,预测准确率达97.3%,为数控铣削加工振动信号的准确辨识与诊断提供了一种新方法。     

基于双光路的镜头污染度检测在颗粒物浓度测量中的研究

为了解决光散射法颗粒物浓度在线监测系统中激光检测镜头容易受到污染的问题,设计了具有光学镜头污染度自检功能的双光路颗粒物浓度检测系统,对不同污染度光学镜头的散射光信号强度进行实验测量,结合米散射理论的颗粒物浓度计算,得到光学镜头污染程度与激光检测信号衰减的关系。结果表明,随着激光检测镜头污染程度的加重,光散射法测量的颗粒物浓度值会出现严重的负偏差,双光路颗粒物浓度检测系统能够用于光学镜头污染度检测,通过光学镜头污染度的实时测量,可计算出光学镜头由于污染而造成的光信号衰减度,光学镜头污染程度达到25%时,修正后的颗粒物浓度测量误差≤11.92%。     

基于图结构的轴承故障诊断北大核心

滚动轴承故障振动信号具有非线性、非平稳的特征,在轴承早期破损阶段,即使轴承表面出现了损伤,故障产生的振动信号仍然表现得非常微弱,再加上大量噪声的影响,仅从时域和频域很难发现故障特征,给故障检测造成了较大的难度。针对轴承振动信号的特点,将短时Fourier变换与图模型相结合,提出了一种基于图模型的时频分析方法,利用短时Fourier变换得到信号的时频图,选取每一时刻频谱图中各主频的幅值构建图模型,通过图模型的相似性对比检测轴承故障并通过主频幅值的变化量确定故障频率。     

随钻弱SNR信号的Duffing振子混沌检测与恢复

钻井过程中,底部钻具的强烈振动和快速旋转导致姿态测量信号中含有多频、高幅值的干扰信号,原始信号微弱及信噪比极低问题一直是随钻测量领域的技术难点。针对这一问题,提出一套适用于随钻测量信号的Duffing振子混沌检测方法。首先,利用尺度变换实现测量信号的频率重构,使其满足混沌检测对频率的限制条件;然后,引入不同周期策动力解决信号初相位对检测精度的影响,得到全相位覆盖的Duffing混沌振子检测模型;最后,通过调整驱动信号的幅值确定相态变化的临界值,进而对测量信号的幅值和相位参数进行同步估计。实验结果表明:经混沌检测的井斜角均方根误差为0.69°,实钻相对误差在[10.7%,20.8%],均高于原始测量数据和标准卡尔曼滤波的解算结果,证明了所提方法的可行性和有效性。     

基于光学共聚焦原理的便携式荧光检测装置

为实现对微弱荧光信号的检测,基于光学共聚焦检测原理,利用高亮度的紫外LED作为激发光源,光电倍增管作为敏感元件,研制了一种便携式的LED诱导荧光检测装置。系统总体结构采用模块化设计思想,整个光路部分密封在暗箱中,有效避免了外界杂散光的干扰。以新型纳米荧光探针荧光量子点作为检测物质对该系统性能进行了评价,在1×10-8~1×10-6mol/L范围内具有很好的线性关系(r=0.99)。     

小流量涡街信号的随机共振特性与频率检测方法

分析了小流量涡街信号特性,探讨了信号与随机共振系统的阈值和克莱默斯逃逸率之间的关系,提出一种基于幅值和频率双重调制的随机共振方法,用于检测小流量涡街信号的频率。该方法以外加控制信号的幅值和频率作为调控变量,采用多参数控制方式使小流量涡街信号产生随机共振。经数值仿真及实验研究,表明该方法能将小流量涡街信号通过随机共振得到增强,有效获取涡街频率,实现小流量测量,为随机共振的控制和微弱信号的检测提供一种新方法。     

基于匹配滤波的液压流体颗粒污染度检测

为准确的确定液压流体的污染状态,及时地对液压系统进行主动预防性维护,提出了采用匹配滤波原理进行微弱颗粒信号幅值检测的新方法。讨论了匹配滤波器的基本原理及匹配滤波器应用于信号幅值检测时滤波器系数的确定方法并进行了检测误差分析。在对检测系统特性进行分析的基础上,设计了广义匹配滤波器并应用于液压流体污染度检测系统。结果表明该滤波器具有设计简单、计算时间短等优点,能够从强背景噪声中提取出微弱的颗粒信号并很好地恢复了原信号的幅值,有效地提高了检测系统的检测精度和在线检测能力。     

声光式外差干涉仪的光路设计与分析

制造业的发展迫切需要对高速加工过程中的物体进行测量和定位,利用声光调制法实现外差干涉能产生较高的频差可以实现高速测量.文中对声光式外差干涉仪的光路设计进行了分析,提出了空间分离一级衍射光和零级衍射光的一种方案,并且对光拍频的接收,光路的调整进行了分析,实验结果证明该实验系统可以用于外差干涉测量.     

环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测实验研究

提出了一种新型结构的用于声发射检测的全光纤F-P干涉仪。选用2×2光纤耦合器,将耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以耦合器代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动PZT（压电陶瓷）作为已知超声源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换,得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中促使光纤轴向伸缩长度的量级为10-8m的声发射信号并识别其特征频率,该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,为材料结构健康检测与监控提供了一种新的方法。     

用于电网监控的全光纤干涉局部放电定位系统

针对传统的电网局部放电定位方法的诸多缺点,提出了一种基于Sagnac干涉仪的光纤传感定位系统。该定位系统使用光纤作为传感单元,探测局部放电过程中所产生的声波和超声波,利用算法对探测到的振动信号进行处理,最终得到局部放电发生的具体位置。实验证明该系统具有较高的精确性和稳定性。     

外差干涉仪光路调节方法及对拍频的理解

外差激光干涉仪由于测量精度高,环境适应能力强和实时动态高速测量等特点而广泛应用于机床误差的实时监测中。外差激光干涉仪中,使用平面镜作为转向装置时,接收器上的两束光有可能只是相交而不是重合,这给光路的调节增加了很大的难度。针对这一问题,提出一种辅助光路调节方法,先将光路切换到单频干涉仪,调好光路,再切换到外差干涉仪,利用单频干涉条纹的直观性能可看出外差干涉仪光路调节的好坏。理论分析和实验结果表明,提出的调节方案具有可行性,效果良好,同时通过从单频切换到双频能更深入地理解拍频。     

34km传感长度的布里渊光时域反射计的设计与实现

布里渊分布式光纤传感器是目前最具应用前景的分布式光纤传感技术之一,其关键是如何检测布里渊散射光信号,布里渊光时域反射计是其中较好的检测方式。针对布里渊散射光信号特点,应用光相干技术来检测布里渊散射光信号。具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光,和散射光进行相干检测,根据散射光频移特性,应用电信号处理技术取出布里渊散射光电信号,并采用偏振控制技术来抑制相干检测的偏振相干性,再经过数字信号累加和平均处理,最后得到分布式传感信号。采用光相干检测设计方案实现了布里渊时域反射计分布式光纤传感器,并进行了34km光纤的分布式应变传感实验。     

分光镜对外差激光干涉仪非线性的影响

外差干涉仪的非线性误差不仅由激光源的椭圆偏振态或者非正交线偏振态引起,也由非理想的光学器件引起,其中分光镜是一个重要的误差源。除了通常熟知的偏振漏光,还分析偏振分光镜中可能存在的另一个误差,即偏振分光的正交性,介绍这种误差和其他各种原因(包括激光源的椭圆偏振态或者非正交线偏振态)对外差干涉仪非线性误差的影响,给出检测和区分两类不同频率混叠误差的方法。通过试验证实,偏振分光镜的漏光误差对外差干涉仪非线性的影响通常是可以被忽略不计的。试验研究还发现,与传统的理论假设相反,非偏振分光镜比偏振分光镜对外差干涉仪的非线性误差有着更严重的影响。     

Real-time displacement measurements with a Fabry-Perot cavity and a diode laser

We present the basic operating principles of a traceable measurement system suitable for use with atomic force microscopes (AFMs) and nanometer-resolution displacement sensors. Our method is based upon a tunable external-cavity diode laser system which is servo-locked via a phase-modulated heterodyne locking technique to a Fabry-Perot interferometer cavity. We discuss mechanical considerations for the use of this cavity as a displacement metrology system and we describe methods for making real-time (sub 10 ms sampling period) measurements of the optical heterodyne signals. Our interferometer system produces a root-mean-squared (RMS) displacement measurement resolution of 20 pm. Two applications of the system are described. First, the system was used to examine known optical mixing errors in a heterodyne Michelson interferometer. Second, the Fabry-Perot interferometer was integrated into the Z axis of a commercial AFM scanning stage and used to produce interferometer-based images of a 17 nm step height specimen. We also demonstrate atomic resolution interferometer-based images of a 0.3 nm silicon single atomic step-terrace specimen.     

空间差分干涉的光纤分布式水下声波测量

为了实现大范围的水下微弱声波探测,提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式声波检测(DAS)技术。声波振动引起单模传感光纤中后向瑞利散射光的变化,将含有声波信息的后向瑞利散射光注入到非平衡迈克尔逊干涉仪,调节干涉仪的臂长差实现不同长度的相邻空间段的后向瑞利散射光干涉,然后采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息,实现声波信号的测量。实验搭建了一套基于DAS技术的水下声波测量系统,该系统不仅能够实时准确定位两个声波位置,还能还原声波的幅值、频率、相位等信息,并且实现了1kHz情况下的-148.8dB(re rad/μPa)水下声压相位灵敏度,100~1 500Hz频率的频响平坦度在1.2dB之内。实验结果证实DAS技术能够实时快速地实现多个声波信息的定量测量。     

食用油品质的光学低相干外差干涉检测法

液体的折射率是一个重要的物理参数,在外界一定的条件下,掌握液体折射率及其变化,则可以了解其纯度、浓度等参数及品质。提出一种用低相干光外差干涉方法测量反复使用食用油的折射率,进而鉴别油的品质。实验以改进的迈克尔逊干涉仪为基础,将样品油放入测量臂光路中,当两束分别来自测量臂与参考臂的低相干光的光程接近相等时,会出现光外差干涉现象。利用光电探测器得到此干涉信号,根据前后相应的光程变化量,进而得到待测样品的折射率。食用油经反复加热1、2、3、5、7次后,葵花油的折射率分别为1.469 5、1.469 7、1.470 1、1.470 7、1.471 3,玉米油的折射率分别为1.468 8、1.469 1、1.469 4、1.470 1、1.471 1。结果表明,该方法可以准确测量出不同加热次数食用油的不同折射率,测量稳定性较高,能快捷、有效地鉴别反复使用的食用油品质。