光谱共焦位移传感器物镜设计

高精度非接触式位移传感器有着广泛的应用.本文讨论其中一种采用光学方法实现非接触测量的光谱共焦位移传感器,阐述该传感器的工作原理,给出了该系统的设计方法和评价方法.最后基于光学设计软件CODE V的宏语言和数学软件MATLAB设计出了一个测量范围为0～1.173 mm的光谱共焦位移传感器物镜.该物镜采用一个单透镜和双胶合透镜组合的结构,在工作波长范围内,各个单波长对应最大的RMS半径为2.8 μm,其测量精度优于5 μm,波长离焦量和波长之间线性度通过线性回归拟合得出判定系数为0.985 9,测量的线性度优异.     

基于白光LED的光谱共焦位移传感器

为实现光谱共焦位移传感器的小型化、低功耗和高精度,在设计过程中选择体积小、耗电量小的白光LED作为传感器的光源,并使用光纤耦合器代替复杂的分光棱镜式光学系统结构。色散镜头采用消色差透镜与非球面透镜组合的方式,在使用较少透镜数量的情况下达到较好的像差校正能力。同时结合光强归一化等数据处理方法,消除白光LED光源光谱光强分布不均匀等因素对测量精度造成的影响,得到准确、稳定的峰值波长与位置间的对应关系。通过双频激光干涉仪对系统进行标定和测量,实验结果表明使用435~655 nm波段,系统测量范围可以达1.7 mm,平均测量精度1.8μm,满足一定的测量需求。     

光谱共焦显微镜中色散物镜材料的优化选择

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件,其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上,研究了优化选择材料组合的方法,给出了优化模型和求解方法,得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配,并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明,使用本文优化方法得到的材料组合,波长与轴向色散成线性关系,而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计,得到了较好线性度的色散物镜,并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导,有效缩短镜筒长度,提高光谱共焦显微镜的性能。     

基于二元衍射的光谱共焦显微位移测量

为实现高精度、高轴向分辨率的光谱共焦显微位移测量,提出一种将二元衍射透镜引入测量系统的方法。该方法中二元衍射透镜相比于传统折射透镜色散线性度更好,且在消色差的同时减小单色像差特别是对测量影响较大的轴上球差的影响。在数据处理上采用中值滤波减小随机噪声对谱峰定位造成的影响,质心法和多项式拟合的方法分别减小峰值波长提取和标定曲线拟合的误差。实验选用白光光源,采用50×物镜和100×物镜分别和二元衍射透镜组合搭建系统,通过PI纳米位移台对系统进行标定和测量。实验结果表明,100×物镜系统测量精度更高,测得该系统在432～807 nm的波长范围内,测量范围为40μm,系统的平均测量精度可达0.046 2μm,轴向分辨率优于0.2μm,符合微小间距测量的要求。     

多通道抗串扰式光谱共焦位移测量方法

提出一种位移测量方法,解决扫描光谱共焦测量系统存在不同共焦点之间的相互干扰问题。通过光纤束保持多个测量通道之间的独立性,并利用光开关切换测量通道来防止干扰。该系统的7个共焦点构成一个等边六边形,其中6个点分别位于六边形的各顶点处,1个共焦点位于六边形的中心,六边形的边长为43.27μm。通过位移测量实验得出,位移测量系统各测量通道的绝对误差小于0.15μm,范围为0~90μm。在测量台阶高度的实验中,2个高度差为30μm的台阶面,误差最大者为0.16μm;在球径测量实验中,无需移动测量系统或被测物体便可完成7路通道的测量;通过对数据进行拟合得到半径为5mm的球体近似值,最大误差为80.92μm。对比传统方法,该方法展现了较高的精度和分辨率。     

光谱共焦传感器多参数高准确度校准

针对高准确度光谱共焦传感器缺乏相应校准装置及方法的问题,提出了一种基于激光干涉测量的校准方法,并研制了相应的校准装置。一方面,提出了一种波长倍数间隔测量法,通过位移反馈控制将位移间隔设置为激光波长的整数倍,以减小激光干涉仪非线性误差对测量的影响;另一方面,提出了测点修正算法,消除了受检点处位移标准值因校准装置定位准确度限制不重合对测量的影响。实验结果表明:在0～100μm的测量范围内,示值误差为±23nm,重复性为5nm,示值误差测量结果的扩展不确定度U2=7.0nm(k=2)。构建的校准装置在0～50mm的测量范围内的示值误差测量结果不确定度为U1=3.0nm+2×10^-7L(k=2)。     

光谱共焦技术在精密几何量计量测试中的应用

光谱共焦测量技术由于其具有测量精度高、测量速度快、可以实现非接触测量的独特优势而被广泛应用于工业级测量。介绍了光谱共焦技术的原理,列举了国内外光谱共焦传感器在精密几何量计量测试中的一些典型应用,展望光谱共焦传感器的应用发展前景。     

基于色散共焦原理的内径测量技术研究

为了满足小口径深孔类零件的高精度非接触测量需求,研制了一套适用于较大测量范围的高分辨力光学测量系统。利用色散共焦测量原理,建立了微位移量系统,结合光谱分析技术,形成了高分辨力光学测量系统。首先,基于色散共焦原理,设计了色散物镜结构;其次设计爬行结构,利用电机带动反射镜旋转,完成深管不同截面的径向几何尺寸测量;再次,通过最小二乘法以及误差分析与补偿,对系统误差进行分析;最后通过搭建实验平台验证。结果表明：该测量系统可实现小测量范围达到5 mm,测量误差优于3.3μm,具有测量精度高、测量范围较大、结构紧凑等优点,对解决小尺寸深孔类零件内径测量难题具有重要实用意义。     

基于光谱共焦的在线集成表面粗糙度测量方法

为了提高加工检测效率,实现尺寸形位公差与微观轮廓的同平台测量,提出一种基于光谱共焦位移传感器在现场坐标测量平台上集成表面粗糙度测量的方法.搭建实验测量系统且在LabVIEW平台上开发系统的硬件通讯控制模块,并配套了高斯轮廓滤波处理及表面粗糙度的评价环境,建立了非接触的表面粗糙度测量能力.对标准台阶、表面粗糙度标准样块和...     

光谱共焦技术精密几何量测量台研制

光谱共焦位移传感器能够实现对透明和非透明材质的几何量测量,该文设计一套基于光谱共焦技术的精密几何量测量系统,将测量轮廓数据转换为图像,基于图像处理技术实现对几何量测量点的准确定位。采用改进的最小二乘法对轮廓数据进行预处理,有效提高系统几何量测量结果的动态重复性,同时系统测量软件直观友好地提供手动轮廓外形编辑和测量工具。实验结果表明:系统能够对透明物体的几何量进行精确测量,自动测量陶瓷标准块厚度的动态重复性不超过1μm。     

用神经网络技术实现的光纤位移传感器

描述了一种智能型位移光纤位移传感器，它用差动比值法减小漂移和不同的反射介质的影响，用人工神经网络技术减小非线性误差。实验结果表明，使用这些技术后，各方面指标都远远优于传统方法。     

一种绝对式容栅测量新技术

在综合分析、比较现有容栅测量技术的基础上,介绍了一种绝对式容栅测量技术.这种技术克服了传统相对式容栅测量系统中存在的缺陷,利用两级耦合多精度合成实现测量位置的绝对编码,实现了高精度、大量程测量.首先介绍了用于高精度测量的容栅测量系统构成,讨论了绝对式测量的工作原理.给出的系统检测电路解决了传统鉴相型检测电路中滤波效应导致信号精确性受到损坏以及需要较长稳定时间的问题.     

非接触磁耦合光纤光栅位移传感器

研发了一种基于光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating,FBG）技术的非接触磁耦合位移传感器．两块扁圆柱型硬磁铁通过软铁连接起来,形成一U型传感探头．该U型探头与被测物形成一闭合磁路,实现间隙与磁耦合力的转换,再通过一平面薄板结构将磁耦合力转变为光纤FBG的轴向应变．通过理论和实验详细地分析研究了上述两个关键技术环节．研究表明：该非接触位移传感器为一非线性传感器,非线性主要是由于磁耦合力与间隙的平方成反比这一传感器固有特性以及漏磁,特别是漏磁随间隙增加而变大造成的该非线性传感器的数据处理结果为：随机不确定度为0．23％;回程误差为0．376％;传感器综合误差为±0.606％     

频率分裂在双频激光器和位移传感器中的两种新应用

主要介绍了激光频率分裂技术的两种新应用,包括用两种方法克服强模竞争以获得频差可覆盖1～40MHz的双频激光器,以及将一个双折射双频激光器本身用作一个位移传感器.这种双频激光器可以填补塞曼激光器和双折射激光器之间存在的3～40 MHz频差空白,可以用作激光干涉仪理想的光源.位移传感器结构简单,其分辨率为79 nm,测量范围达到了15 mm,并且可以自校准.     

基于平面环形微腔结构的超高灵敏度位移传感器的研究

以平面环形微腔结构为核心器件,基于量子力学的隧道效应和“参量振荡不稳定”效应,结合理论计算及ANSYS和Beamprop仿真,设计出基于环形微腔结构的超高灵敏度位移传感器,特别是在1．55μm的谐振波下,对所设计的位移传感器进行了ANSYS力学仿真、Beamprop传输特性仿真以及输出特性数值模拟,论证了位移传感器的可行性,并为以后的实验奠定了基础。     

智能张拉系统位移传感器示值误差校准方法及校准结果不确定度探讨

结合智能张拉系统在实际生产建设的应用,通过利用相关计量校准规范和相关国家技术标准,对其示值误差校准方法和测得值不确定度进行分析探讨以提高测得值可信度.     

激光位移传感器实时测量超声波振幅和频率的试验研究

超声波振动技术已经广泛应用于各类生产加工行业.但是,目前为止有关超声波振动实时监测方面的研究鲜有报道.本文提出了一种可行的实验方法对超声振动进行实时监测.超声波的振动由超声波发生器及其传递装置产生;通过使用世界领先的超高速、高精度电容耦合装置激光位移传感器对超声波振动进行实时跟踪和测量;所测振动数据由计算机存储并且开发了一系列Matlab程序进而从原始数据中滤除噪声对超声波振动数据的干扰.结果显示:通过这一实验方法能够对超声波振动频率和周期进行精确评估,尤其是能够对超声波振幅进行精确测量,其测量精度可达到±0.1μm.超声波功率对超声波振幅的影响也可以通过这一实验方法显著呈现.     

刮板细度计示值误差非接触自动校准装置

采用光谱共焦传感器以及激光位移传感器相互配合的设计方式,研制一套新型刮板细度计示值误差非接触自动校准装置。利用光谱共焦传感器测量光点可小至5μm的优点,实现对刮板细度计测量点的精准定位,同时避免了接触测量造成测头及测量面磨损的问题。经实验证明,该装置测量重复性好、效率高,测量结果准确可靠,具有重要技术推广价值。