基于SVD的直线电机动子位置的高精度测量方法

针对直线电机动子位置测量的高精度和实时性要求,提出了一种基于奇异值分解(SVD)相位相关算法的高精度图像测量方法。通过直线电机动子上的高速相机采集相邻栅栏图像,采用单行抽样栅栏条纹数据,再利用相位相关技术得到相邻栅栏图像的相位相关矩阵,进而利用SVD得到水平位移相位矢量。通过相位解缠算法和最小二乘法线性拟合得到二幅栅栏图像的亚像素位移量,将相邻栅栏条纹的像素位移值和动子实际位移进行标定,结果用于直线电机动子位置测量系统标定。并且进行傅里叶变换前采用Hanning窗抑制频谱泄露,提高匹配精度。实验结果表明,该直线电机动子位置的亚像素测量方法可以满足实时性和高精度测量要求。     

图像处理在干涉法测量中心偏中的应用研究

透镜中心偏差是评价光学系统质量的重要指标之一.利用干涉法测量中心偏,干涉环的处理精度是关键部分.针对其它图像处理方法无法有效的处理双干涉环的问题,运用MatLab软件编写算法处理图像,包括方向滤波、自适应阈值二值化、OPTA细化和最小二乘法拟合.搭建实验平台得到干涉图,处理结果表明该算法对双干涉环以及对比度低的劣质图像...     

三点法圆外径测量优化研究

为提高三点法圆外径测量方法精度,解决接触式测量精度低和易损伤工件等问题,文中进行了非接触式三点法圆外径测量优化研究。该研究对传感器布放角度进行优化设计,建立考虑传感器安装偏角误差的三点法圆外径测量的数学模型,直接使用解析的方法进行半径求解,避免了傅里叶变换所带来传递函数分母为零的频域特征损失。在此理论研究基础上,搭建了基于电容位移传感器的非接触式三点法圆外径测量装置。使用三坐标测量机建立标定坐标系,拟合测量出3支电容位移传感器的安装偏角,完成三点法圆外径测量装置的参数标定和误差修正。标定完成后应用该测量装置对已知外圆半径为18 mm的标准工件进行测量,6组不同位置的测量结果表明,未考虑传感器安装偏角误差时圆半径测量的最大偏差为19.6μm,标准差为11.9μm,修正传感器安装偏角误差后圆半径测量的最大偏差为3.3μm,标准差为2.2μm,优化的测量方法标准差显著减小,验证了方法的有效性。     

基于多峰拟合的直线电机动子位置精密测量方法

为满足直线电机动子位置的高精度测量要求,提出一种基于多峰拟合相位相关算法的直线电机动子位置精密测量方法。通过直线电机动子上的高速相机采集相邻栅栏图像;采用相位相关算法得到相邻栅栏图像的相位相关函数;根据相位相关频谱的峰值分布特性,采用多峰拟合获得相邻栅栏图像的亚像素位移值;根据测量系统标定系数,进而获得直线电机动子位置的精确位置。实验结果表明,该亚像素测量方法用于直线电机动子位置检测能达到精密定位,测量精度为1/100 pixel,且具有较强的鲁棒性和较高的实时性。     

基于马赫—曾德尔干涉仪的单相关峰联合变换相关技术

针对经典联合变换相关器的缺陷,提出了基于马赫—曾德尔干涉仪的单相关峰联合变换相关技术,输入图像通过马赫—曾德尔干涉仪的两臂无相对位移输入,实现互相关峰的重叠位于探测器中心。理论分析和实验表明,该方法不仅能获得高强度的单相关峰,而且能够降低系统成本,提高抗噪声能力,特别适合大尺寸图像的识别。     

齿轮倒角轮廓协同高精度测量方法的研究

为实现对制造业中复杂工件(如汽车变速箱中的倒角齿轮)表面轮廓的快速、精密测量,研制了协同视觉表面轮廓测量系统。对该系统中采用的图像处理、测量路径的规划进行了研究。首先使用面阵图像传感器拍摄齿轮图像,对图像进行边缘处理,利用齿轮的边缘点拟合齿轮的中心,在结合标定算法定位齿轮倒角的待测局部区域。然后,根据测量要求规划测量路径,驱动XY电动平台携带高精密的点视觉激光位移传感器沿测量路径完成对带测量区域的测量。最后,使用计算机对激光位移传感器所测得数据进行处理,输出测量报告。该系统经工厂实际测量验证,对齿轮倒角表面轮廓的高度方向(Z方向)测量精度为1μm,对X和Y方向的测量精度达到5μm以上。结合图像传感器测速快,激光传感器精度高的优点,提出一种利用图像传感器实现高速定位,激光传感器实现精密测量的协同高精度视觉测量方法,并将其用于了齿轮倒角轮廓的测量。     

一种基于图像相位信息的亚像素微位移测量算法

综合考虑了图像的振幅和相位信息,并按相位涡旋的物理和几何特征,研究了基于数字散斑图像相位奇点匹配的位移测量算法。该算法对图像的交流信号,经用希尔伯特变换方法,提取散斑图像的实部和虚部信息,并用曲面拟合方法确定相位奇点的坐标,从而确定图像序列间的位移。试验结果表明,相位奇点匹配算法具有良好的精确度和稳定性。     

电驱动微流体粒子图像测试系统

为了研究微米量级管道机械特性对小雷诺数流体运动传质机理的影响,建立了电驱动微流体粒子图像测试系统,系统包括倒置荧光显微镜、致冷图像传感器、微流体驱动高压电源及微流场位移矢量识别算法.通过实验测试及理论分析给出了系统的关键技术参数;通过测量示踪粒子表面电荷特性,以消除粒子电泳运动对电驱动流体PIV方法产生的测量偏差;测量了水力直径为30μm微管道中电渗流场,测量结果与理论分析的塞状流型一致;分析了布朗运动、粒子电泳运动以及相关算法误差,对粒子图像测速方法不确定度的影响.     

基于伪随机编码的绝对式平面位移测量方法研究

数控二维工作台是加工机床、坐标测量机、显微镜、机器视觉检测设备的共性基础模块部件,二维工作台采用平面二维绝对测量系统可减小传统二维方向分别贴装位移传感器引入的阿贝误差,提高二维位移平台设计的集成度,实现对空间绝对位置的实时测量。研究了基于伪随机序列的二维平面绝对测量编码技术及其测量系统,利用伪随机M序列生成长距离位置编码并进行二维拓展,完成了平面位置二维编码的设计,研究了相应的高效解码算法。基于编码和解码算法,制作了二维平面编码盘,研制了基于FPGA的读、解码测量系统,对编码图像采用灰度重心法进行细分以提高测量分辨率。经实验验证,绝对式二维编码测量系统的平面单点位置偏差在±3.3μm以内。     

基于小波变换瞬时频率优化的相位细分方法

为了提高光刻机运动台的位移测量的精度,需要对测量系统得到的干涉信号进行细分处理。因此提出了一种在时域中对信号相位细分的方法,根据确定细分点频率方法的不同设计了2种相位细分方案。在使用小波变换提取信号瞬时频率的过程中,为了降低由于小波变换离散化引入的误差,设计了基于拟合函数的多拟合函数联合优化的方法,对信号进行平滑处理。仿真结果表明:经过相位细分后的单个细分相位的位移精度为0.8 nm,经优化后细分相位的相位误差降低到2.831×10~(-5) rad,降低至优化前的14.8%,经过换算位移误差降到1.870×10~(-3) nm,达到测量系统的预期效果,证明了相位细分方案的可行性。     

使用高精度三坐标测量仪实现透镜定中心

传统的光学测量定中心法受限于光源、转台大小和装调误差传递性而不适用于大口径、多透镜光学系统的装调,为此本文提出了使用三坐标测量仪接触式测定透镜中心的精密机械测量法。介绍了使用三坐标测量仪测量大口径透镜中心偏的原理,即在测量透镜上表面与基准轴等距离各点坐标的基础上拟合得到透镜光轴与基准轴的夹角,从而解算出透镜的中心偏。通过大口径长焦距镜头的装调对该方法进行了检验。检验结果表明:该透镜的装调偏差为6.47″,重复性误差为(1.16×10-4)″。该方法将光学测量变为机械测量,利于装调,可在保证装调精度的同时简化装调难度,提升装调效率,满足大口径多透镜光学系统对高精度装调的要求。     

由正交傅里叶-梅林矩定位的双光纤耦合微内尺度测量

为了解决微内尺度的精密测量问题,提出了一种基于正交傅里叶-梅林矩(OFMM’s)定位的双光纤耦合瞄准触发式微内尺度测量方法。该方法通过耦合器实现光能量在不同光纤间的反向传输,把双光纤传感器测头的横向位移量转化为光束的偏转量,通过显微成像系统把此偏转量转化为CCD图像捕捉系统更大的横向位移量。为提高测量精度,运用OFMM’s的幅值旋转不变性和独特的图像形状细节特征的描述能力对CCD图像捕捉系统的图像信号进行亚像素定位;根据OFMM’s的实际位置进行补偿以提高输出图像边缘的定位精度,从而提高测量精度。对OFMM’s的定位精度及传感器性能进行了实验验证,并依据JJF(黑)8-2008,利用自行研制的微小孔径测量机实现了对直径为200μm、深2 000μm深盲孔的直径测量,其测量重复性不确定度优于0.25μm。     

共轴光学系统镜框结构设计

共轴光学系统中心误差控制的优劣直接影响了光学系统的最终成像质量,合理的镜框结构有助于中心误差的控制。在总结了设计前需进行的准备工作的基础上,根据光学系统定心精度要求、生产批量和制造中定心基准轴的选定,将镜框结构分成三类,着重阐述了它们的结构特点、优缺点和适用范围,为镜框结构设计提供参考。     

基于合作靶标的分布式测量系统定向方法

大尺寸分布式测量系统基于多源观测交会原理,测量节点间的相对位姿关系决定了系统整体性能。 工作空间测量定位 系统是分布式测量系统的典型代表,其定向方法借助激光跟踪仪的靶球互换性构建几何约束条件,导致系统接收节点存在不可 避免的对心误差,影响定向精度。 本文研究了一种移动式合作靶标的分布式系统定向方法。 通过设计集成多接收节点的合作 靶标,无需精确确定靶标接收节点间的结构关系,而是利用接收节点间空间位置的相对不变性作为刚性约束来建立冗余光平面 交会信息的基站相对位姿关系模型。 结合后方交会定向初值解算模型,得到了不受接收节点互换对心误差影响的定向结果。 最后以工作空间测量定位系统(wMPS)为实验验证平台,结果表明:此定向方法避免了靶球高精度互换性,具有较好的稳定性, 能够有效降低接收节点互换对心误差的影响。 与传统基准尺定向方法相比,此定向方法的基准长度测量精度提高了约 40% 。     

激光位移传感器在自由曲面测量中的应用

以点激光位移传感器(HL-C211BE)为对象,研究它在自由曲面测量中的应用。针对激光位移传感器因测点倾角代入的测量误差,提出了一个可以量化的倾角误差模型。基于直射式点激光三角法原理,分析了激光光路的几何关系,从会聚光斑光能质心发生的偏移推导出倾角误差模型。随后,用高精度激光干涉仪和正弦规对激光位移传感器进行校对实验,并用误差模型对测量结果进行补偿。结果显示,补偿后激光位移传感器的测量精度得到明显提高。对一非球面凸透镜进行了实验测量,得到了自由曲面测点倾角的计算方法,并用倾角误差模型修正了测量数据。实验结果表明,量化的倾角误差模型可以将激光位移传感器的测量误差控制到小于10μm,满足激光位移传感器在自由曲面测量中应用的要求。     

大型数控磨齿机中心定位算法研究

大型数控磨齿机床具有加工工件大、Y轴行程短的特点,确定回转中心时采样点范围小、测量圆弧短、圆特征信息丢失严重,导致定心不准确,影响齿轮的齿距偏差、齿形偏差等性能指标。本文针对短圆弧测量,分析了拟合圆心方向和拟合半径对圆拟合算法的影响,提出了拟合圆心迭代初值的计算方法,并利用拟合圆半径信息改进了最小二乘圆拟合算法。仿真结果表明引入拟合半径信息的最小二乘圆拟合算法能够有效提高短圆弧圆拟合精度。     

影像法测量透镜中心误差的研究

基于现代传感技术和数字图像处理技术,通过对透镜中心误差的分析研究,提出了一种透射式影像法测量透镜中心误差的方法,建立了基于CCD图像的实时测试系统。实验表明,透镜中心误差测量的标准偏差达到了0．0038mm,极限误差为±0．0115mm,证明该系统对于测量透镜中心误差具有很好的实用性。     

基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法

为提高圆孔的光学显微测量准确性,研究了基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法。该方法通过超分辨图像复原处理圆孔显微图像,提高了传统光学显微系统对圆孔成像的分辨率,确定了以超分辨复原图像灰度值为0.399作为圆孔物理边缘判据,实现对圆孔边缘的准确探测。理论分析表明该方法可准确测量微米级及以上直径圆孔。核孔膜孔径测量实验中,由二值化图像得到孔径测量结果为6.35μm(测量不确定度为0.08μm),与扫描电镜测量结果6.268μm(测量不确定度为0.083μm)相符,测量误差仅0.08μm。该技术有助于实现对圆孔形状的快速、准确在线测量。     

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.