受平面折射影响的视觉测量技术研究

针对防爆相机玻璃保护罩因平面折射导致的相机成像偏差对视觉测量的影响,推导出非平行平面折射下的相机模型,并在此基础上提出了基于动态虚拟焦距的折射畸变的校正方法,有效解决了相机光轴与折射面法向量不平行时折射畸变难以校正的问题。实验结果表明：校正后的图像偏差的均方根误差分别下降了68.69%、72.82%,校正后的测量相对误差低于0.5%,校正后相机的定位精度和测量精度均有明显的提高。     

应用在拼接镜面中的电容位移传感器的结构性误差分析及校正

分析了子镜运动和电容传感器极板运动之间的理论关系并探讨了电容位移传感器读数的"结构性"误差的处理方法。基于电容位移传感器的工作原理,对极板为圆形的电容位移传感器提出了采用以位移的测量值和子镜转角为自变量的多项式拟合的校正方法。计算表明该误差处理和校正方法是简洁可行的。对于转角的拟合只需2阶,同时位移测量值只需4阶的多项式进行拟合即可使输出位移达到3 nm的精度。进一步分析表明,直接使用位移传感器读数计算极板转角,并对误差的主动校正控制非常有利于该多项式拟合,可一次性达到优于5 nm的校正误差,完全满足拼接镜面主动光学工程应用的技术要求。     

纳米精度在位测量系统测头误差校正方法

针对超精密机床两轴联动接触式在位测量过程中测头误差影响测量精度的问题,提出了一种测头半径误差及形状误差校正方法。进行了在位测量实验,比较分析了测头误差未校正、测头半径误差校正及测头形状误差校正三种情况的测量结果,并分别与Taylor Hobson PGI840离线测量结果进行对比,以验证测头形状误差校正方法的有效性。测头形状误差校正后,面形精度PV值由420nm变为370nm,与离线测量PV值380nm的差值为10nm。结果表明,该在位测量系统测头误差校正方法有效,能够提高在位测量精度。     

表面粗糙度对激光位移传感器测量精度的影响和补偿

激光非接触测量方法已被广泛应用于在机测量加工件,而被测工件表面粗糙度和测量距离对位移传感器精度的影响则少有研究。本文针对位移变化时不同参数的表面粗糙度对工件测量精度的影响,分析激光位移传感器测量表面粗糙度时的误差产生原理,设计了结合粗糙度和位移两项影响因素的误差测量实验,获得了激光干涉仪和激光位移传感器的位移数据。以激光干涉仪数据为基准计算出误差值,进而拟合获得误差模型。实验结果表明,经误差模型补偿后,测量精度提高到±7μm,较高地提升了测量精度,在机床在机测量上有一定应用价值。     

齿轮表面倾斜对测量精度的影响及校正

为了满足应用激光位移传感器进行位移测量时的精度要求,分析了齿轮表面倾斜对激光位移传感器测量精度的影响。根据探测器信噪比与输出灰度值成正比,提出了光斑分布非线性加权和线性插值联合的重心校正算法,使高灰度值像素在光斑重心定位的贡献总体增大,其增长规律具有非线性特征。经量块组合实验表明:当物面粗糙度Ra小于0.4μm时,本校正法相对于传统的灰度重心算法,在物面倾斜角小于35°时位移测量精度能提高40%以上,在物面倾斜角为47°~75°时位移测量精度能提高30%以上,有效地减小了物面倾斜引起的位移检测误差。     

误差补偿技术在相位偏移干涉测量中的应用

在研究泰曼—格林相位偏移干涉仪测量原理基础上，分析了位移驱动器移相误差对五幅移相计算结果的影响，一阶线性误差和二阶非线性误差是相位偏移干涉测量技术中产生相位误差的主要因素；提出了五幅算法移相误差补偿技术，该方法直接从相位偏移干涉图中计算移相过程中存在的一阶及二阶移相误差，对五幅算法结果进行误差修正；采用玻璃平晶为测试对象，建立了泰曼一格林干涉仪移相误差补偿原理试验系统。试验结果表明在同时存在一阶移相误差及二阶移相误差情况下，采用提出的移相误差补偿方法可以将位移测量精度提高6倍，相当于采用氦氖激光器的倍程干涉仪中位移精度达到1．0nm。     

三轴机械几何误差辨识新方法的研究

为高效，简便，精确辨识三轴机械的几何误差，提出了一种新的位移辨识法，并以XYFZ型三轴立式机床为例，详细讨论了误差辨识的基本原理，该方法通过测量工作区内12条直线上的位移误差能快速，精确确定三轴机械的全部21项几何误差，缩短了误差辨识时间，并只需要少量的测量设备，是三轴机械精度评定的一种有效方法，特别适合经常性的精度监测和校正。试验结果验证了所述方法的正确性。     

基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器及误差特性

针对高精度位移传感器难以加工的难题,提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律,通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明：两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差,其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大,2次谐波误差越大,动尺沿Z轴偏摆姿态对测量精度的影响最大,沿Y轴翻转姿态引入的误差次之,沿X轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内,测量误差峰峰值为4.5μm,分辨力为0.15μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量,可显著降低传感器的制造难度,具有重要的工程应用价值。     

面向连续体机器人精密操作的多芯光纤三维形状与位置测量误差研究

针对复杂封闭空间精密操作中连续体机器人三维形状与位置高精度测量问题,提出基于多芯光纤形变传感方程与三维形状重构算法的误差分析及校正方法。基于多芯光纤传感结构特征和三维空间几何变换原理,推演建立了多芯光纤三维形状与位置测量的关键方程和算法。采用关键模型算法驱动方法,系统性地分析了传感光纤关键参数误差、信号解调误差、传感方程与重构算法误差、环境温度变化等对测量精度的影响,确定了主要误差源及其定量影响程度。通过误差溯源,建立了测量系统关键参数标定与误差校正方法。构建了七芯光纤测量实验装置,实验验证了方法有效性。研究结果表明,所提方法可实现系统测量误差溯源、定量分析与校正,有效提高多芯光纤三维形状与位置测量精度,在连续体机器人精密测量领域具有应用价值与前景。     

一种量化的激光位移传感器倾角误差补偿模型

激光位移传感器具有非接触、测量范围大、测量效率高等优点,广泛应用于精密检测领域。然而,倾角误差是影响激光位移传感器测量精度的主要因素之一,为了提高激光位移传感器的测量精度,有必要对其进行分析研究,推导出能够在工程中应用的可量化的倾角误差补偿模型。首先从激光三角法测量原理开始,深入分析了激光光束的光路和光强损失的原因,然后根据光路的几何特征建立了物像方程,从倾角误差机理推导出一种可量化的误差模型,最后用激光干涉仪和正弦规在四坐标测量仪上。对激光位移传感器进行了倾角误差实验,把测量得到的数据经误差模型修正后,可以将传感器的测量精度控制在10μm以内。结果表明,所提出的倾角误差模型准确有效,在对复杂曲面的测量应用中,具有一定的使用和推广价值。     

高精度测量光学玻璃折射率的一种新方法

摘要: 准确测量光学玻璃的折射率已成为了保证光学系统成像质量非常重要的环节。本文介绍了光学玻璃折射率测试方法和国内外发展现状。提出了一种利用测量棱镜三个顶角所对应的三个最小偏向角的折射率测量新方法,该方法的特点是测量精度随被测光学玻璃的折射率增大而提高。在精度0.5²的测角仪上,折射率测量精度高于1x10-6。文中推导出了新方法的计算公式,并对精度做了理论分析。该方法由于测量精度高,有较好的应用前景。     

毛细管成像法精确测量微量液体的折射率

介绍了一种用玻璃毛细管成像法精确测量微量液体折射率的方法及测量装置.该方法以充人透明液体的毛细管构成柱透镜,基于共轴球面光学系统的成像原理,对光学成像系统的放大率进行单一参数的测量,进而计算出待测液体的折射率.测量了纯水、乙醇、乙二醇、丙三醇的折射率,各种待测样品的需要量均小于0.002 mL,结果显示本试验装置的测量准确度与目前商用阿贝折射仪(±0.000 2)相当.另外,测量了不同浓度的乙二醇水溶液的折射率,并对测量的数据点进行了曲线拟合,测试结果与阿贝折射仪测量结果和理论公式计算结果所拟合曲线吻合完好.该方法具有待测液体用量极少、操作方便和折射率测量精度高的特点,适用于微量液体折射率的精确、快速测量.     

基于几何光学的图像矫正法在圆管PIV实验中的应用研究

粒子图像速度技术被广泛用于流体流动测量,介质折射率差异使光在圆管壁面发生偏折,导致图像失真,直接影响速度测量精度。本文建立了光学折射的物理模型,得到圆形管道中物点和图像点之间的函数关系进而得到矫正后图像的像素坐标,使用双线性插值算法得到像素灰度值重建出矫正后的粒子图像,最后根据多重网格迭代算法计算管内速度场。分别对流体进行管内静态流体与管内层流速度场测量实验,对比了光学矫正箱法、线性矫正以及基于光学模型的畸变矫正方法误差。结果表明,本文提出的基于几何光学的图像矫正方法精度优于光学矫正箱法和线性矫正方法,并通过静态与流动实验充分验证了所建立几何光学模型的准确性和有效性。     

基于光纤激光频率分裂效应的折射率 / 厚度 双参量测量研究

折射率作为光学系统中应用最广泛的光学参数之一,对系统的光学性能具有极其重要的影响。 厚度与折射率所组成的 光学长度直接影响双折射器件在光学系统中的时延特性。 本文提出一种基于光纤激光频率分裂效应的折射率/ 厚度双参量测 量方法。 该系统通过对插入激光腔内的双折射器件进行旋转,利用频率分裂效应对不同角度的器件的双折射参数进行测量。 基于双折射器件中的折射率椭球,建立相位延迟、折射率、厚度和旋转角度之间的关系,通过拟合计算得到器件的折射率/ 厚度 参数。 实验结果表明,通过该系统对双折射元件的厚度测量误差为 210 nm,本征折射率进行测量误差为 10 -5 ,可广泛应用于红 外波段的双折射器件的本征折射率/ 厚度双参量测量。     

一种光学玻璃折射率自动测量方法

本文研究了一种折射率自动测量方法。可对紫外、可见,红外光谱折射率作自动精密测量。在光源稳定情况下,可见光测量精度可达±3×10^-6。该方法以最小偏向角方法为依据,以外反射像引导接收器,使其自动跟踪至最小偏向角的精确位置,最后给出样品的折射率。整个测量系统采用微计算机完成自动控制、采集及处理。该方法还可进行角度自动测量。     

基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法

在加工测量一体化过程中,工件表面切削液残留形成的油膜会严重影响光学在机测量的精度。 现有的误差补偿方法通 常需要获取油膜介质的先验信息,如成分、厚度等。 而这些信息受加工形质、切削液随机分布等因素的影响难以实时获取。 为 此,本文提出一种基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法。 首先设计并搭建了基于激光三角位移测量 的多波长激光测量系统,可利用多波长激光测量同一被测点位移。 通过引入柯西色散规律,建立光学系统与激光波长的解析关 系,并基于此推导出多波长激光测量内在的差分特性,最终实现误差补偿。 本文依此方法进行了实验。 结果表明补偿后测量误 差绝对值小于 0. 01 mm,与未补偿的测量数据对比,误差降低了至少 92% 。     

采用联合变换相关的透镜中心偏差测量

基于双相位编码光学联合变换相关技术提出了一种测量透镜中心偏差的方法以确定偏差方向并提高测量精度。在经典联合变换相关原理基础之上,使用两个相位函数分别对参考图像和联合功率谱进行编码,并选用合适的滤波器消除旁瓣干扰,得到单个互相关峰的输出。利用该双相位编码后的联合变换相关技术探测不同目标图像相对于参考图像的位移矢量,并拟合圆。此拟合圆圆心到圆上点的矢量即为经自准直光学系统放大后的偏心矢量,从而同时确定了中心偏差的大小和方向。实验结果表明,通过双相位编码后的相关输出仅保留一个尖锐的相关峰,实现了位移矢量的亚像元探测;使用联合变换相关技术准确地测量了透镜的中心偏差,其测量结果的实验标准差为0.1μm,误差绝对值最大为0.3μm,满足一般透镜中心偏差测量的要求。     

光纤传感器在涡轮轴向位移检测中的应用研究

以光纤传感原理为基础，采用一种强度补偿型反射式光纤位移传感器，借助光纤本身的优势，实现涡轮机轴向位移的实时监测。系统包括光源及其驱动电路、光纤传输通道、信号处理电路和信号输出系统。通过双路接收的方法消除因光源发光功率波动、光纤损耗变化以及环境干扰光等因素对测量结果的影响。采用稳压源驱动和温度补偿保证光源发光的稳定性，进行转速监测以补偿速度变化引起的误差。采用单片机完成被测信号的识别和处理，提高了测量的精度。     

一种精确测量微量液体折射率的新方法

摘 要：本文介绍了一种用玻璃毛细管精确测量微量液体折射率的新方法。这种方法基于共轴球面光学系统的成像原理,通过读数显微镜对吸入待测液体后毛细管的焦点位置进行单一参数的测量,进而计算出待测液体的折射率。用此方法测量了纯水、乙醇、乙二醇、丙三醇的折射率,各种待测样品的需要量小于0.002 ml;对纯水和乙醇样品,折射率测量精度优于0.0003;对乙二醇和丙三醇样品,折射率测量精度优于0.0007。选用适当的毛细管参数,可以进一步提高这种测量方法的测量精度,扩展折射率的测量范围。该方法具有待测液体用量极少、使用的设备简单、操作方便和折射率测量精度高的特点。论文对实验测量误差以及进一步提高测量精度作了详细的分析和讨论。     

基于线结构光的水下旋转扫描高精度测量方法研究

随着海洋工程领域的不断发展，如何高精度地获取水下物体的三维点云具有重要学术和应用价值。由于光在不同介质中传播会引起光路的变化，导致水下线结构光视觉测量获得的点云受折射畸变影响，精度降低。针对上述问题，设计了一种基于线结构光的水下旋转扫描测量系统。提出了一种轴眼标定算法，能够将多视角水下点云配准到统一坐标系中。提出了一种引人折射补偿的水下相机成像模型，该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路，基于水下激光平面方程的约束，对水下点云进行折射校正，提高了水下点云的重建精度。水下测量实验结果表明，提出的高精度测量方法能够获得水下物体的三维点云信息，可测量水下目标的尺寸信息，距离目标30~80cm 时测量精度达到0.2mm，满足了水下目标三维高精度测量要求，