用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制

基于高精度光学共焦定位技术研制了一种全新的非接触透镜中心厚度测量系统,该系统利用差动共焦技术的高轴向层析特性和轴向响应曲线的绝对零点对被测透镜的前表面顶点和后表面顶点分别进行精密瞄准定位;同时,利用激光干涉仪获得透镜前、后表面顶点的位置坐标;然后通过光线追迹算法计算透镜中心厚度,进而实现了透镜中心厚度的高精度非接触测量。实验结果表明,该系统测量精度高,测量标准差小于1μm,满足透镜中心厚度测量的精度要求。     

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2 μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。     

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。     

激光 ICF 聚变靶丸轮廓测量系统标定方法

针对激光惯性约束聚变靶丸轮廓高精度测量系统的溯源标定问题,提出一种基于激光差动共焦测量原理的标定溯源方法。该方法基于激光差动共焦靶丸测量系统轴向响应曲线过零点精确对应测量系统焦点的性质,首先利用激光差动共焦靶丸测量系统测量经中国计量科学研究院计量检定的标准椭圆块的圆度,其次通过比对测量值和标准椭圆块圆度计量值,得出该系统测量传递系数为1.03,最后通过多次检定验证测量的方法,完成系统的高精度标定。实验结果显示,利用标定完成的系统进行激光聚变靶金属球比对测量,其标准差为37 nm,该标定方法的测量重复性为17 nm,其为靶丸表面轮廓的高精度测量奠定了坚实基础。     

轴类零件参数综合检测

以轴直齿类零件为例 ,提出一种快速、能同时测量轴向尺寸和径向尺寸的非接触、多参数综合测量方法。它利用基于光学三角法的激光位移传感器获得轴类零件的径向尺寸 ,利用半导体激光器与光电二极管组成的扫描式发讯传感器和光栅传感器的组合获得轴向尺寸。探讨了该系统的检测性能 ,给出了实测结果     

表面形貌复合测量位移传感器的研究

一种用于表面形貌测量的复合测量位移传感器，它将接触式触针传感器和非接触式光学传感器巧妙融合在一起，使得一个表面形貌测量位移传感器同时具备接触和非接触两种测量手段。其特点是利用了一个触针－反射镜测杆机构，将激光聚焦光束直接在被测工件表面扫描转换为对测杆上固接的反射镜扫描。其垂直测量范围1mm，垂直测量分辨率5nm。该传感器工作稳定可靠，使用灵活，可广泛用于研究机构和工业现场等进行表面形貌测量。     

轴尖零件参数综合检测

以轴直齿类零件为例,提出一种快速、能同时测量轴向尺寸和径向尺寸的非接触、多参数综合测量方法。它利用基于光学三角法的激光位移传感器获得轴类零件的径向尺寸,利用半导体激光器与光电二极管组成的扫描式发讯传感器和光栅传感器的组合获得轴向尺寸。探讨了该系统的检测性能,给出了实测结果。     

机械零件二维尺寸快速检测

以轴直齿类零件为例,提出一种快速的、能同时测量轴向尺寸和径向尺寸的非接触、多参数综合测量方法它利用基于光学三角法的激光位移传感器获得轴类零件的径向尺寸,利用半导体激光器与光电二极管组成的扫描式发讯传器和光栅传感器的组合获得轴向尺寸,探讨了该检测性能,给出了测试结果。     

激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制

针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求,研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量,并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整;然后,系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转,利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置;最后,对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明,靶丸回转偏心的自动调整时间可达22s,当采样点分别为1 024,2 048及4 096时,靶丸内轮廓测量时间分别可达10,20及40s,且圆度测量标准差可达19nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。     

光谱共焦位移传感器镜头设计研究

光谱共焦位移传感器是一种高精度、非接触式位移传感器。本文讨论了光谱共焦法用于位移测量的基本原理,用Zemax光学设计软件完成了一个镜头组的设计,并给出了光谱共焦位移传感器镜头组的设计方法以及像差分析。该镜头组采用密接透镜结构,工作波段为486.13nm-656.27nm,测量范围约为91μm,轴向响应FWHM优于5μm。通过线性回归分析得出波长与位移间判定系数为0.99523,在测量范围内,位移与波长间的线性关系较好。     

大型复杂曲面透明件非接触在线测量与建模方法

实现了一种对大型复杂曲面透明件的非接触在线测量和建模方法,该方法能够适应航空座舱透明件刚度低、表面易划伤的结构特点。基于五轴数控加工中心,利用光谱共焦位移传感器和数据采集卡,在线记录运行过程中工件表面和机床各轴的位置坐标,对采集的两组数据进行矢量求和,并通过开发软件进行处理,实现了透明件的非接触测量与数学模型的重建。通过实验完成了曲面点云的采集、数据处理以及曲面模型的重构,验证了方法的可行性。     

激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。     

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。     

基于人工神经网络的双级测量系统定位误差补偿

为解决非接触式高精度传感器量程和精度难以兼容的问题,实现大量程自由曲面的高精度扫描测量,在对国内外测量仪器进行研究分析后,提出一种通过柔性铰链带动高精度传感器跟随曲面实现传感器量程扩展的双级测量系统。为进一步提高该系统的测量精度,采用激光干涉仪对测量系统的定位误差进行标定,利用人工神经网络建立双级测量系统的定位误差模型,然后利用该模型进行定位误差补偿,以求尽可能地消除测量系统的系统误差,随后使用激光干涉仪再次对定位误差进行测量,测量结果和作为传统定位误差补偿方法的补偿表补偿法进行对比,最终发现定位精度大大提高,证明了基于人工神经网络的定位误差的优越性。     

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统.该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量.该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高.实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求.     

高精度平面构件平面度及壁厚非接触测量装置研制

为实现纯铅、纯锡等软质金属平面构件平面度及壁厚的高精度、非接触式无损测量，本文提出一种基于双激光位移传感器的非接触式测量方法，采用CL-3000型双激光位移传感器以及高精度两维气浮运动平台构建了非接触测量装置，基于Qt开发环境和MATLAB程序，开发了运动控制与平面度、壁厚测量数据采集、处理程序。与三坐标测量比对结果表明，研制的非接触测量装置能够满足软质金属材料平面构件平面度及壁厚的高精度非接触式测量需求。     

球型惯性元件配合间隙差动共焦精密测量方法

配合间隙是决定球型惯性器件精度和可靠性的关键参数之一,针对球型惯性器球面元件表面有缺口且未完全抛光导致曲率半径难以精确测量,进而难以准确控制球碗、球冠配合间隙瓶颈问题,提出了一种球面惯性元件配合间隙激光差动共焦高精度方法。该方法利用抗散射的激光差动共焦曲率半径测量方法分别对球碗、球冠的曲率半径进行测量,然后利用差动共焦曲率半径测量系统测得的球碗和球冠的半径差来控制球型惯性器球面的配合间隙。理论分析与实验验证表明:该方法测量球冠和球碗配合间隙的相对扩展不确定度优于20×10~(-6),其为惯性器件球冠和球碗配合间隙的高精度测量与控制提供了一种全新的技术手段。     

激光聚变靶丸球度测量与评定

为了解决激光聚变靶丸表面形貌高精度测量与评定的难题,提出一种激光差动共焦靶丸球度测量与评定方法,该方法利用激光差动共焦测量系统的轴向响应曲线的过零点与其物镜焦点位置相对应这一特性实现对靶丸表面的定焦,通过将靶丸在两个正交的方向上分别旋转,测量并获取靶丸表面的数个截面,实现靶丸表面全形貌测量,利用最小区域球度评定算法,建立靶丸球度评定的三维模型,对靶丸表面形貌进行定量评定。搭建实验装置对靶丸表面进行采样测量,评定结果显示,该方法的测量重复性为0.15μm,为靶丸表面形貌测量与评定提供了一种可行方案。     

光学三角-电涡流复合传感器

利用电涡流效应和光学三角测量原理,研制出光学三角－电涡流复合传感器,主要应用于对涂覆在金属体上的非金属层厚度的测量。并且能够满足工业自动检测中高精度和非接触测量要求,同时测量范围和精度可随不同的应用要求而进行大范围的调整。讨论了该传感器工业领域中的一种实际应用;测量金属圆柱体表面非金属涂层的偏心。