《计量学报》2006年度（第27卷）分类目录

几何量计量差动光栅式精密定位精度的提高……………………………1(7)微器件表面3D形貌的新型微/纳米探头测量系统…………1(12)机床主轴回转精度的CCD测量系统…………………………1(18)数字相关方法在S195型柴油机气缸内径测量中的应用……1(22)激光三角测头的动态仿形跟踪扫描………………………2(101)高斯滤波在花岗石表面粗糙度研究中的应用……………2(104)激光跟踪仪测量曲面的测量不确定度研究………………2(107)超精密定位的模糊神经网络控制…………………………2(113)一种用细胞神经网络提取干涉条纹中心的新方法………2(117)…     

小型微/纳米级三坐标测量机的研制

介绍一套低成本小型三维坐标测量机的研制过程，作为微/纳米级超精密测量设备，整体机台结构采用花岗岩材料；X／Y轴的移动平台利用压电材料摩擦驱动与挠性变形原理，长短两行程可达25mm范围及5nm的微位移，藉自行研发的衍射干涉激光尺，位置回馈测量系统可具有0．025nm的分辨率；测量探头在一般DVD光读取头的自动聚焦原理基础上改装，最佳分辨率可达2．5nm，该雏形机适于测量微机电组件、微型器件及膜厚等。     

用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头

为了满足纳米级表面形貌样板的高精度非接触测量需求,研制了一种高分辨力光学显微测头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件,利用差动光斑尺寸变化探测原理,建立了微位移测量系统,结合光学显微成像系统,形成了高分辨力光学显微测头。将该测头应用于纳米三维测量机,对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验。结果表明：该光学显微测头结合纳米三维测量机可实现纳米级表面形貌样板的可溯源测量,具有扫描速度快、测量分辨力高、结构紧凑和非接触测量等优点,对解决纳米级表面形貌测量难题具有重要实用价值。     

精密光测仪器的微振校正方法

对于由地面微振引起的激光干涉仪测量误差问题,本文提出了一种基于地面微振精确测量误差校正方法。在常规地面环境下,使用高动态拾振器和4阶delta-sigma的ADC进行微振信号测量,并应用高精度积分算法和传感器频响反演计算,获得纳米级测量误差的微振数据,作为光测仪器的固定反光镜的位移,补偿到系统测量数据的计算中。     

用于微纳米几何量尺寸测量的三维微接触式测头

为实现微纳尺度器件三维几何形貌测量及表征,基于电容和压阻原理,开发了两种三维微接触式测头。其中电容测头测量范围4.5μm,轴向分辨力和横向分辨力分别为10 nm和25 nm;压阻测头测量范围4.6μm,轴向分辨力和横向分辨力分别为5 nm和10 nm。两种测头均可集成到纳米测量机,实现微结构几何参数的测量。     

基于频闪法的MEMS动静态测试系统

为了对MEMS器件的3D形貌、垂向位移与形变、共振频率等特性进行精确的非接触式的测量,研制了一种基于激光频闪法的MEMS动静态测试系统.该系统以改进了的泰曼干涉仪为核心,采用激光照明,结合五步相移算法,获得MEMS器件静态表面的3D形貌图.使激光频闪的频率与MEMS器件驱动信号源频率一致可以获得相对"冻结"不变的3D形貌.改变频闪激光相对于MEMS器件驱动信号源的相对相位延时,可以获得周期内的MEMS器件离面运动轨迹等参数.本文设计并实现了与该系统配套的数据处理软件.该系统对于离面运动的测量精度可达1nm,最高测试频率可达500kHz.通过对可变形反射镜的测试验证了该系统的可靠性与通用性.     

用于微球球度测量的双SPM测头对准系统

压电微音叉与钨探针结合,构成SPM(扫描探针显微镜)的扫描测头。将双测头对称置于微球的赤道圆截面处,构成微球球度差动测量系统。通过视觉引导系统对双测头进行粗对准,用视频显微镜对微球和测头分别聚焦,拍摄多组照片,然后对对准图像进行小波分析边缘检测及多图像融合处理,再将图像处理结果反馈到系统进行精确对准。在实际实验中,获得了该对准方法下微球赤道圆截面的测量结果,并分析了对准误差对系统测量结果带来的影响。     

一种可控测量力的大量程激光干涉位移传感器

利用音圈电机控制测量过程中测量力的方法,提出了一种可控测量力的激光干涉位移传感器,介绍了传感器的结构及其测量原理.通过对测杆的受力情况进行分析可知,改变音圈电机的驱动电流可以很好地控制触针作用于样品表面测量力大小.分析测杆的运动模型,得出测杆转动会带来水平测量误差,提出了相应的误差补偿方法.使用该传感器对倾斜放置的样品进行了测量,结果表明,该传感器在大量程范围内能实现高精度的表面形貌测量,并有效的控制测量力,减小对测量表面的划伤.     

微纳米三坐标测量机三轴垂直度误差测量及建模补偿

垂直度误差是微纳米三坐标测量机的重要误差源之一,必须对其进行高精度测量并建立垂直度误差的补偿模型.采用基于光电位置敏感器件(PSD)的测量装置,先将三轴垂直度误差转化成相应方向的直线度误差再对其进行测量,并对微纳米三坐标测量机的垂直度误差进行建模和补偿.通过对0级标准量块厚度进行测量和垂直度误差补偿,量块X、Y方向厚度...     

一种用于纳米计量的原子力显微镜测头的设计

介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200 g,却实现了100 mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.     

高频响应下音圈电机复杂迟滞特性建模与验证

为了实现音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)在高频、高速、高加速情况下的精确定位控制,针对引起音圈电机产生振动、系统不稳定等问题的特殊复杂迟滞特性,建立了其复杂迟滞模型。改进了C-S迟滞模型,提出了C-S神经网络混合动态复杂迟滞模型;用音圈电机的两组实测数据验证了模型的有效性。实验结果为：音圈电机工作在低频、低速、低加速时(10Hz)表现出一般的迟滞特性,这时建模的最大误差为4.8μm,是最大输出值的0.48%,表明该方法能够有效的补偿音圈电机一般的迟滞特性;音圈电机工作在高频、高速、高加速时(40Hz)表现出特殊的复杂迟滞特性,其建模的最大误差为6μm,是最大输出值的0.97%。说明该方法能够满足复杂迟滞特性建模的要求。     

横向负载下三维微触觉传感器的力学模型

提出了一种用于微结构几何量测量的MEMS三维微触觉式传感器在横向负载下的力学模型,用于指导传感器的设计和优化．对传感器的整体刚度、敏感梁的应力分布、检测灵敏度及线性灵敏度进行了计算．利用ANSYS有限元仿真方法模拟了传感器的应力分布,分布曲线与理论曲线的偏差小于3．87％,最大应力的仿真和理论偏差小于3．63％．通过一个已完成传感器的性能标定,灵敏度的实验和理论误差为7．79％,实验值线性误差为0．2％．     

MEMS三维微触觉力传感器标定方法

针对一种微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)三维微触觉力传感器,采用悬臂梁弯曲变形获得了标准微小力信号,通过测量传感器敏感梁弹性导致的传感器测杆的微小位移量,对标定过程中的误差进行了补偿,实现了三维微触觉力传感器的精确标定.建立了MEMS三维微触觉力传感器标定系统,对悬臂梁的弹性系数进行了标定,对传感器测头输出的微小电压信号设计了线性化的信号调理电路.标定过程中考虑了由于传感器敏感梁弹性变形导致的传感器测杆的微小位移量对标定精度的影响.采用高精度的纳米测量机(nano-measuring machine,NMM)对传感器测杆的位移特性进行测量,利用该参数对传感器的力特性系数进行误差补偿,最后根据传感器输出的初始电压和力特性系数建立了传感器的力特性输出方程.     

微/纳结构三维形貌高精度测试系统

为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量,提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统.首先,利用五步相移干涉技术采集5幅带有n/2相移增量的干涉条纹图.然后,通过Hadharan五步相移算法得到包裹相位图.最后,利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌.在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光,再由1/2波片改变偏振光在分光镜中的分光比,补偿参考镜与试件的反射性能差异,可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图,从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量.系统的轮廓算术平均偏差R_a的重复测量精度可迭0.06 nm,最大示值误差不到±1%,示值变动性不到0.5%.通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性.     

3-D ultrasound guidance of surgical robotics: a feasibility study

Laparoscopic ultrasound has seen increased use as a surgical aide in general, gynecological, and urological procedures. The application of real-time, three-dimensional (RT3D) ultrasound to these laparoscopic procedures may increase information available to the surgeon and serve as an additional intraoperative guidance tool. The integration of RT3D with recent advances in robotic surgery also can increase automation and ease of use. In this study, a 1-cm diameter probe for RT3D has been used laparoscopically for in vivo imaging of a canine. The probe, which operates at 5 MHz, was used to image the spleen, liver, and gall bladder as well as to guide surgical instruments. Furthermore, the three-dimensional (3-D) measurement system of the volumetric scanner used with this probe was tested as a guidance mechanism for a robotic linear motion system in order to simulate the feasibility of RT3D/robotic surgery integration. Using images acquired with the 3-D laparoscopic ultrasound device, coordinates were acquired by the scanner and used to direct a robotically controlled needle toward desired in vitro targets as well as targets in a post-mortem canine. The rms error for these measurements was 1.34 mm using optical alignment and 0.76 mm using ultrasound alignment.     

多目视觉测量系统的光束法平差改进

为了消除三维扫描测量机器人系统中工业机器人定位误差对测量结果的不利影响,搭建了多目视觉测量系统对三维扫描测头进行空间同步定位.由于系统中相机与标志点之间的距离变化较大,标志点重投影误差难以评价空间定位误差,另外受相机标定精度影响,光束法平差对三维坐标修正不明显.为解决上述问题,本文改进了光束法平差,在传统光束法平差的误...     

三维极坐标测量技术研究

为了解决非接触测量球面的盲区问题,实现球面上小孔位置测量,研制了三维极坐标测量原型样机。分析了三维极坐标测量技术在测量原理、工件坐标系建立、测头应用、温度特性及误差传递等方面的特点。结果表明三维极坐标测量方法适合应用非接触光学测头,有利于提高三维坐标测量精度。     

基于光学测角与信号时差的同步卫星无源测轨

精确测量和确定同步卫星轨道是实现高精度导航、定位等应用的基础,光学测角定轨和卫星通信信号测时差定轨是两种最重要的无源测轨方法,各有优缺点。本文提出将光学测角与无线电通信信号测时差相结合,可实现对卫星的单次测量定位,多次测量提高定轨精度。推导得到卫星到光学站的距离表达式,实现对卫星位置的解析求解。通过GDOP方法,分析了光学站与无线电站的不同布站方式对定位精度的影响,据此提出了优化布站方式。通过计算机Monte-Carlo仿真,比较分析了联合测轨方法与单一光学测轨方法的测轨精度。仿真结果表明:若无系统误差时,24小时观测数据统计定轨位置误差为25m,预报1周位置误差为200m,约为单一光学方法的2/3;当存在系统误差时,需采用自校准方法估计系统误差,基于24小时观测数据的单一光学方法未能实现自校准定轨,而联合测轨方法定轨精度可达到约6m,归一化系统误差估计精度优于0.1,预报1周的位置误差约为140m。     

视觉三坐标测量一种模型的建立

对三维物体进行测量是计算机视觉应用研究领域中极为活跃的课题之一,有不少的学者在这方面作了许多工作,并取得了一定成效。但由于空间物体形状的复杂性,因而,模型的建立即算法就成为人们争相研究的课题,本文给出了一种基于最小二乘法推导出来的理论模型。实验证明:该模型的数据处理量和测量误差都较小。