全视场外差短相干形貌测量技术

针对工业检测中对微米量级测量精度、秒级测量时间的检测需求,提出了全视场外差短相干形貌测量方案。本方案采用短相干光源,实现大步长测量,节约扫描时间;采用全视场外差技术,实现干涉轮廓的快速反演,在抑制振动、直流噪声对测量精度影响的同时,提高数据反演的效率。搭建了实验验证系统,对测量时间和测量精度进行了实验验证,结果表明,系统的探测时长小于10 s,测量精度优于2μm。后续经进一步优化设计,探测时间可小于5 s,探测精度优于微米量级。该方案具有测量速度较快和测量精度较高等优势,在对效率要求较高的工业检测领域具有一定的应用前景。     

卡尔曼滤波在单目相机运动目标定位中的研究*

单目相机运动目标定位是视觉跟踪的基本任务之一,视觉传感器对目标点位置的获取至关重要。根据单目相机针孔模型,将运动目标图像二维坐标,通过几何关系映射为相机坐标系的三维坐标。标定相机高度和旋转参数,在此基础上求得目标位置坐标。当运动目标被遮挡时,以匀变速运动为模型,根据先前位置信息确定加速度和速度,并对加速度进行自适应更新,建立运动目标状态方程,利用卡尔曼滤波算法预测目标位置。以预估位置代替真实位置,继续估计后续运动状态,在预估位置搜索运动目标,实现运动目标遮挡定位跟踪。实验结果表明,该定位方法具有可行性,当运动目标发生遮挡时,能够完成对目标的定位和跟踪。     

空间调制外差干涉型偏振光谱测量系统

鉴于偏振光谱仪系统追求的目标是高偏振光谱分辨率、全Stokes谱静态测量、兼顾小体积轻质量，结合偏振光谱强度调制技术与空间外差干涉技术，提出空间调制外差干涉型偏振光谱仪系统。介绍了空间调制外差干涉型偏振光谱仪系统的结构原理，并对系统干涉图数据采集和全Stokes矢量解调复原进行了理论分析，给出了完整数学推导。结合空间外差光谱仪参数，匹配设计了调制器模块，给出一套完整的设计实例。在实验室搭台建立空间调制外差干涉型偏振光谱仪原理实验装置，通过对已知偏振态线偏振光的测量实验以及实验数据解析，验证系统原理及测量数据处理流程的正确性。结果表明：几种已知偏振态的线偏振光，由实验装置测量数据解析得到的Stokes矢量谱与理论分析结果基本一致，误差小于3%，验证了空间调制外差干涉型偏振光谱获取技术的可行性。     

空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪

为了实现平面二自由度位移测量,设计并搭建了空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪,并对所设计的光栅干涉仪的光学结构、测量原理、面内旋转安装误差补偿等进行了研究。基于平面光栅衍射特性和空间分离式外差光栅干涉结构设计并搭建了具有对称性的测头光路,结合实际光学器件的特点,利用琼斯矩阵分析了二自由度测量原理与显著降低周期非线性误差的特性。通过实验测定了光栅面内旋转安装误差以便于应用旋转矩阵对测量数据进行解耦。随后利用矩形和圆形轨迹分别验证了两测量轴在各自和同时运动的情况下,所设计的平面光栅干涉仪的测量能力。实验结果表明,在解耦补偿0.350°的光栅实际面内旋转安装误差的前提下,该空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪能够实现压电位移台30μm内的位移测量,主要由机械振动等因素引起的误差不超过0.15μm。本研究将空间分离式外差光栅干涉仪的测量维度拓展到了平面二自由度。     

面向大型复材板类零件自动钻铆的通孔深度在线测量研究

在航空航天制造领域,大型复合材料板类零件的钻铆工艺过程尚未实现自动化,其瓶颈在于该类零件通常具有面形复杂、壁厚不均特征,通孔深度测量与铆钉选取仍依赖人工操作,严重限制其装配效率与质量。以实现大型复材板类零件自动化钻铆为根本目标,提出一种新颖的通孔深度在线测量方法与装置。方法核心是将孔深参数转换为探针运动的位移数据,并据此完成装置光路、机械结构及硬件电路设计。装置功能模块包括探测激光光斑的激光收发单元、获取探针运动参数的位移感测单元、控制探针运动的驱动单元。最终,研制样机并进行初步实验验证,结果表明所提出方法与装置能够实现通孔深度高效自动化测量,为实现大型复材板类零件自动化钻铆提供了重要技术支撑。     

爆炸容器动态径向变形非接触测量技术

基于激光多普勒效应的动态测量技术具有精度高、信噪比高、动态响应快、线性好、量程范围大和非接触等优点.为获得爆炸容器径向变形参数,设计非接触激光多普勒纵向位移测量系统.采用外差式光路结构,实现被测目标运动方向的辨别,提高抗干扰能力;利用高斯光束理论和束腰特性优化光路结构,使高斯光束束腰聚焦在爆炸容器被测表面上,实现最小聚焦光斑,提高光信号的强度和信噪比;根据爆炸容器径向变形的特点,研究相应的数字滤波和频谱分析方法,实现高速变化位移的动态测量.系统的位移测量范围为-30 mm～+30 mm,速度变化范围为-10 m/s～+20 m/s,测量距离为4.5 m.爆炸容器在内部爆炸载荷作用下的径向变形测试结果表明测试系统性能是可靠的.     

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.     

用于CNC位置环测量的外差激光干涉仪的研究

提出了用声光调制器实现的外差干涉仪,采用了相位变化整数周期和周期测量的外差干涉信号处理方法,不仅使干涉仪的测量分辨率提高到λ/2000,同时提高了测量镜允许运动速度,解决了用于大动态范围位移的态动测量问题。该外差干涉测量系统可以用作精密数控中位置环的测量手段。     

水中运动体动态速度测量方法探讨

介绍了水中运动体瞬态速度测量的意义及存在的问题,提出了一种用于水下运动体的磁电式测速法,介绍了该传感器的工作原理及特征信号的分析处理方法,实验表明该方法测量水中运动体速度是可行、实用的.     

基于测量时间动态调节的宽量程高准确度转速数字测量法

介绍了一种测量时间动态调节的 M/ T测速法。此法通过动态调节测量时间 ,在硬件电路相同的条件下 ,可实现更宽转速范围的准确测量。还给出了参数设计、误差分析及软硬件实现框图。测量法已成功应用于转速范围为 0 .0 0 1～ 40 0°/ s的速度测量系统中。     

电磁发射中初速测量的初步分析

从电磁发射的基本特点出发,对各种典型的区截测速方法进行了分析和对比,并结合实际应用中的三区截靶测速法,给出了基于匀变速假设的炮口初速外推公式和精度分析;结合现代科学技术和先进测试技术的发展,给出了对应于当前超高速发射中的电磁轨道炮炮口初速测量的一些讨论和建议。     

光学互相关测速系统设计与验证

针对两相流颗粒运动速度测量及基于互相关原理设计了双光路激光测速系统。采用搭建的变频电机带动绕丝产生已知旋转线速度的装置开展光学互相关测速验证实验。通过测量绕丝经双光路激光的光强衰减信号,再对两路信号进行互相关分析,从而得到测点绕丝旋转线速度。以电机转速计算的测点绕丝线速度作为参考值进行测量精度验证,得到光学互相关测速方法的测量相对误差在6%以内,验证了光学互相关测速方法的准确性。     

Demonstration of a laser vorticity probe in turbulent boundary layers

A laser-based probe for the nonintrusive measurement of velocity gradient and vorticity was demonstrated in turbulent boundary layers. Unlike most other optical methods, the current technique provides an estimate of the velocity gradient, without having to first measure velocity at multiple points. The measurement principle is based on the heterodyne of coherent light scattered from two adjacent particles. The beat frequency of the heterodyne is directly proportional to the velocity gradient. The probe is assembled from commercially available, inexpensive optical components. A laser Doppler velocimeter (LDV) processor is used to analyze the heterodyne signal. A component of vorticity is obtained by using two appropriately aligned velocity gradient probes. The optical probes developed were used in turbulent boundary layers to measure local, time-frozen velocity gradients partial differential u / partial differential y, partial differential v / partial differential x, and partial differential v / partial differential y, as well as the spanwise vorticity. The measurements were compared to those inferred from LDV measurements in the same facility and to data available in the literature.     

A Novel Approach for Warhead Fragments Velocity Measurement Based on Laser Screen

The velocity of warhead fragment is key criteria to determine its mutilation efficiency.We have designed an optoelectronic system to accurately measure the average velocity of warhead fragments.The apparatus including two parallel laser screens spaced apart at a known fixed distance for providing time measurement start and stop signals.The large effective screen area is formed by laser source,retro-reflector and large area photo-diode with a central hole.Whenever a moving fragment interrupts two optical screen,the corresponding photometers senses the event,due to partial obscuration of the incident energy.Experiments have been performed to measure velocity of the different kinds of projectiles and fragments within various size and velocity ranges,including 7.62 mm bullet shooting experiments,prefabricated steel-ball exploding experiments.They were proved that the system is adequate to measure the velocity of larger than 5 mm,less than 1 000 m/s in the range,when fixed trajectory,test the velocity of the projectile average relative deviation is less than 4.21%.The system can perform satisfactorily with a lot of advantages such as larger effective light screen area,quick response speed,low uncertainty,strong repetition and reliability,etc.     

Experimental investigation of relative velocity field based on image rotation method in pump impeller

The continuous instantaneous flow field in pump impeller is vital for studying the mechanism of some complex flow phenomenon. In this paper, a high frequency PIV system with maximum sampling frequency 10 k Hz is built and used to measure the continuous flow field in impeller. In order to reduce the minimum sampling frequency required for PIV while ensuring the accuracy of flow field measurement, an image rotation method was proposed for calculating the relative velocity flow field in impeller. This method removed the particle displacement caused by impeller rotation in circumferential direction before the FFT calculation was performed. The relative velocity value calculated by velocity triangle method and image rotation method are compared and analyzed at different sampling line positions for different experimental conditions. The results show the image rotation method can not only obtain a more accurate velocity field near the blade area, but also has a lower requirement for the sampling frequency of the PIV system. The relative velocity error between two methods shows a trend of decreasing and then increasing when the sampling frequency decreases from 10 k Hz to 1 k Hz. Meanwhile, the relationship between the impeller speed and optimal sampling frequency range is established, which provides guidance for the selection of the appropriate PIV sampling frequency used for the measurement of the flow field in impeller.     

First and second order periodic error measurement for non-constant velocity motions

This paper describes a digital algorithm that can be applied in real time to measure and compensate first and second order periodic error in heterodyne displacement measuring interferometers. Comparisons are made between the new algorithm and the traditional frequency domain measurement approach, where the error signal is Fourier transformed into the frequency domain to identify periodic error magnitudes. Experimental results are provided for both constant velocity and non-constant velocity conditions.     

激光测距与光速测量实验方法研究

本文给出了采用相位式进行激光测距的实验原理,根据相位式激光测距原理提出了一种激光测距实验方法。在此基础上,通过对实验方法的调整,同时实现了对光速的测量,并对距离测量和光速测量测量的结果进行了误差分析。     

可实现多参数测试的落锤式冲击试验机

为了实现对复合材料结构及埋入传感元件的复合构件的低速冲击试验，研制完成了可对冲击过程中各参数进行测试的落锤式低速冲击试验机。该试验设备可由计算机对冲击力、冲击初始速度、冲击能量等参数进行采集而实现自动测量。在对复合材料冲击过程的静态和动态特性分析的基础上，设计了多参数测试的方法，提出对冲击速度测量的原理及其算法。分析了测试系统的测量结果及误差。     

单列光源反射式光幕靶检测弹着点

为了降低弹丸着靶点检测的成本,提出了一种新的弹着点检测原理。采用单列光源,经两面条形表面反射镜反射后,形成"Z"型的三道光幕,用于实现对弹丸等飞行目标的测速及定位。弹丸的速度和着靶点水平方向的坐标可以通过对时间的测量得到,弹丸着靶点竖直方向的坐标可以通过单列光探测器获知。文中对检测原理进行了研究,对光源、探测器、信号特征、有效测试区域、射频测试能力等进行了分析,并在桌面进行了原理性试验。高速摄影机拍摄的小球坐标与"Z"型结构测量出的坐标相对位置误差为0.1～1mm,传统区截靶法与"Z"型结构测量出的小球速度相对测速误差为0.02%～0.2%,说明基于反射镜的"Z"型结构在定位和测速方面的应用具有可行性,提出的方法具有结构简单、解算方便、节省成本的特点。