基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪视频引伸计控制系统设计

本控制系统采用图像雅克比矩阵在线辨识的方法,建立了激光标记与试件标记的实际距离,即激光标记的跟踪位移量到图像空间跟踪位移量的映射关系,不仅避免现有视频引伸计的摄像机标定环节,而且实现了激光标记对试件标记的精密全程跟踪.通过低碳钢和铸铁的拉伸实验,分别实现跟踪精度1.8 μm/10 mm和0.9 μm/2.5 mm,验证了设计的控制系统的有效性和精确性.     

激光表面热处理下Cu薄膜的疲劳性能

通过CO2激光器对试件进行激光表面热处理,对比处理前后试样的疲劳寿命,找出了最优激光工艺参数,并对其进行疲劳断口及表面微观结构分析,探求其微观机理.研究结果表明:激光表面热处理时激光扫描速率、功率密度对处理效果有显著影响;对于25μm厚工业纯Cu薄膜材料,激光功率密度为208 kW/cm2,扫描速率为25mm/s时,激光表面处理效果最佳,试件的疲劳寿命提高了2～3倍;在扫描电镜观测下发现,激光表面处理后试件表面形成1层淬硬区并产生残余压应力,使试件的疲劳强度明显增加,且激光表面处理的试件裂纹萌生后扩展至断裂的过程较为缓慢,断口出现疲劳条纹.     

光学式非接触厚度-微位移测量仪的研制

在激光三角测量法原理基础上，应用光学系统成像技术，利用光电位置传感器PSD获得象点移动量，并根据象点移动量建立与被测物厚度-微位移变化之间的数学模型，通过象点位置变化的计算，研制了光学式非接触厚度-微位移测量仪．实现了被测物厚度-微位移变化量的测量．该测量仅的量程为1000μm，分辨力小于0．2μm．     

桥梁钢-混结合段用高强自密实钢纤维混凝土性能研究

研究了不同水灰比和钢纤维掺量对自密实钢纤维混凝土工作性能和抗压强度的影响,并对自密实钢纤维混凝土试件进行碳化试验、抗氯离子渗透性能及抗水渗透性能试验。现场采用1m×1m×1m的配筋试模箱进行浇注模拟实验,分析不同浇注工艺对混凝土性能影响。结果表明:当水灰比由0.32增至0.34时,试件的初始坍落度和坍落度扩展度分别由170mm/445mm增加到260mm/655mm,其试件7d和28d的抗压强度分别降低了34.5%和15.8%;当钢纤维掺量为50kg/m3时,混凝土试样的流动性能最佳,且试件的强度随钢纤维掺量增加而增大。当水灰比为0.34时,试件的抗碳化性能、抗渗透性能良好,而抗氯离子性能随钢纤维掺量的增加呈上升趋势。现场模拟实验显示,与稍加振捣的试件相比,不加振捣的自密实钢纤维混凝土内部结构更密实,钢纤维分布均匀,7d强度为57.6MPa。     

六自由度摇摆台检测方案设计

针对六自由度摇摆台的定位精度检测问题,设计了一套基于激光跟踪法的检测系统,实现六自由度摇摆台静态线位移与角位移指标的检测。根据六自由度摇摆台的运动姿态及高精度、大范围的运动特性,提出了一种基于激光跟踪法、包含绝对测距法的总体检测方案,并根据检测方案与检测原理运用激光跟踪仪作为检测仪器。然后对检测系统进行误差分析,得出了检测系统误差的最大值为10.27μm。最后对六自由度摇摆台技术指标进行检测,实验结果验证了检测系统的可行性。     

四象限传感器用于激光跟踪仪光斑偏移量测量

为了保证激光跟踪仪的跟踪速度和跟踪精度,要求发现目标靶镜运动和反映靶镜位移的四象限传感器信号的处理过程具有快速、准确的动态响应。推导出四象限传感器在对角线算法中的输出信号与光斑偏移量之间的关系为超越函数关系。针对超越函数关系不易快速解算的难题,结合激光光斑的特性,采用了泰勒级数展开算法。使用高精度直角坐标测量机对光斑偏移量测量系统进行了验证实验。实验结果表明:该测量系统实时性好,每秒测量次数达到1 050次;测量精度高,在±400μm测量范围内测量精度可达6μm。该系统可以广泛应用于需要微小位移测量的相关领域。     

大量程光学共焦跟踪式三维弹头痕迹检测仪

新研制了一种大量程光学共焦跟踪式非接触三维弹头痕迹检测仪,介绍了这个测量系统的原理、结构、控制以及实验结果.该系统采用了光学共焦跟踪式微位移器,垂直分辨率为0.01μm,测量范围为±200μm,通过量程扩展到±1000μm,它的圆周分辨率为50″,轴向步距为1.25μm.另外,还采用光学聚焦测量方法的某些措施和数字伺服来克服光学共焦跟踪式微位移传感器的短处,即形貌垂直方向的允许阶跃变化量从每步±20μm增加到每步±80μm.该系统可以完整地获取弹头发射痕迹的真实形状,提供了部分测量数据和弹头痕迹的拟实图片.     

用于锯齿形定向光栅的数字位移测量系统

本文介绍了已经用于激光球面干涉仪中的用锯齿形衍射定向光栅作检测元件的高精度数字位移测量系统,系统用电子运算器修正光栅常数的办法获得了0.1μm 的分辨率和在20mm 量限内优于0.2μm 的精度,这一系统的主要优点是精度高,结构简单,调正方便,缺点是对机械导轨精度要求较高,因此适用于精度高,但量程不太大(例如<100mm)的位移测量系统。     

双波长选区激光熔化成形中F-theta镜头光学设计

在选区激光熔化成形设备中,F-theta镜头是其重要的组成单元,一般采用单一波长作为光源。为了改善选区激光熔化成形性能,首次设计了由三片球面透镜组成的用于共轴双波长选区激光熔化成形的f-theta镜头。通过引入负畸变实现线性扫描,并选择合适玻璃材料、结构设计来消除色差。在扫描面积为120mm×120mm范围内,适用激光波长为532nm和1080nm,对这两波长激光的聚焦光斑分别小于30μm和60μm,横向色差分离小于1μm,满足高精度双波长激光同时共轴选区熔化成形的应用需求。     

格构槽钢立柱轴压试验与有限元分析

以3 m长、6种不同壁厚(0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm)的格构槽钢立柱为研究对象,对其进行轴压试验,得到试件的受力性能、极限承载力和失稳形式,并进行了有限元分析和比较。结果表明:在轴压荷载作用下,较薄试件(0.8 mm)的单肢先发生局部屈曲,而后试件绕弱轴发生整体的弯曲失稳;其它厚度试件一般发生整体弯曲失稳。试件的荷载-位移关系曲线包括弹性、弹塑性和塑形破坏3个阶段,但弹塑性阶段表现得并不明显。典型试件荷载-位移曲线的有限元分析结果与试验数据十分接近,试件局部失稳和整体失稳模型的有限元分析与试验结果也十分相似。试件极限承载力的有限元分析结果与试验数据差别在10%以内,证明了有限元建模方法的合理性和正确性。     

反射式光纤位移传感器的研究

本文主要致力于反射式光纤位移传感器的研究。给出了光纤位移传感器的具体的设计方案,即根据光纤反射调制原理进行了反射式光纤位移传感检测系统的设计,采用计数器外径干分尺的测头镜面作为反射体和位移测量工具,分析了位移测量装置和传感器检测电路。实验表明,在0～2mm范围内检测系统的输出与位移成线性关系,灵敏度为196μV/μm,线性度为26％。适于微位移的测量。     

基于光电扫描的工作空间测量定位系统误差分析

为研究工作空间测量定位系统的误差传递特性,建立了单发射站方位角/俯仰角测量模型及双发射站单元坐标测量模型。提出了以扫描角测量误差为基础的精度评价方法,通过分析扫描角与方位角/俯仰角之间的测量误差传递关系优化了激光发射站的几何结构。推导了双发射站单元坐标测量误差传递函数,并通过对坐标测量误差空间分布规律的分析求出了双发射站单元的最佳测量位置。使用两台发射站测量了某大型夹具顶端平台的位移,并通过与激光跟踪仪进行数据对比验证了所得结构。实验结果表明,当扫描角测量误差控制在5″以内时,双发射站系统可在5m×5m×3m的空间内实现优于0.25mm的精度。     

基于激光位移传感器的焊缝检测系统设计

焊缝检测和识别是实现智能化焊缝跟踪的前提。设计了一种由单片机控制的移动焊接机器人焊缝检测系统。系统选用OMRON公司ZX-LD40型激光位移传感器进行位置信息测量,并采用ST公司的STM32F407VG作为控制系统主控芯片。电机驱动器通过接收控制系统传送的脉冲调整信号量,牵引步进电机控制十字滑块自主进行焊缝定位识别。     

电容式非制冷红外焦平面阵列设计及优化

提出一种基于MEMS工艺弯折双材料悬臂梁结构的电容式非制冷红外焦平面成像阵列（FPA,Focal Plate Array）。并利用软件CoventorWare对器件的物理学特性进行有限元模拟分析。发现FPA的温度响应度和位移响应度与辐射能量呈线性关系;得到热时间常数、位移、温度灵敏度与铝膜与二氧化硅厚度比的关系,并得出当比率为0.5～0.6时位移响应最大,100μm×100μm和50μm×50μm两种尺寸器件的位移灵敏度峰值分别为0.061nm/pW.μm^-2和0.008nm/pW.μm^-2;随着器件尺寸的增大,其探测能力增强,瞬态响应降低;计算了吸收面与探测极板间的吸合附电压,得到100μm×100μm面板的吸附电压为3.625V～3.750V之间,50μm×50μm面板的吸附电压为10.250V～10.375V之间,以及器件尺寸与吸附电压间的关系.     

激光主动成像目标实时检测系统研究

激光主动成像技术是一种将激光技术、成像传感器技术以及图像处理技术结合在一起而发展起来的新技术。介绍了激光主动成像系统的组成,分析了激光图像的特点。为了抑制图像中存在的散斑噪声,采用加权均值多方向形态滤波算法进行图像预处理;利用基于高阶统计量的算法把目标从高斯噪声中检测出来。研究了目标检测与处理的数字信号处理（digital signal processing,DSP）实时实现技术。实验结果表明：对于视频图像序列,系统能够实现运动目标的实时检测与跟踪。     

激光剪切散斑检测技术在飞机复合材料检测中的应用

针对目前采用敲击法检测飞机复合材料存在可靠性差,检测灵敏度低等缺陷,本文采用激光剪切散斑检测系统对飞机复合材料进行检测,并应用该系统对含损伤的多层粘接复合材料及双层蜂窝粘接复合材料试件进行了检测试验。试验结果表明,激光剪切散斑检测灵敏度高,结果直观,不漏检,可以定量测量缺陷的尺寸,精度达0．1mm,可以测量纵向变形,精度达0．1μm,还可以测量缺陷之间的距离。该系统无需专门隔振,具有计算机实时图像记录等特点,对飞机复合材料的检测具有较好的效果。     

基于实时图像的乒乓机器人Kalman跟踪算法

针对乒乓球高速运动图像模糊、空气阻力以及摄像机成像畸变等因素导致的误差问题,提出一种自适应测量协方差的离散Kalman轨迹估计算法.该算法通过动态调整测量协方差的大小,实现了对目标运动轨迹的准确跟踪,并进一步为乒乓球落点预测和手臂击打奠定了基础.实验表明,在图像采集速率高于70 帧/s、乒乓球速度超过5 m/s的情况下,该算法能有效地克服测量噪声和数据丢失的干扰情况的影响,给出优良的跟踪结果.同时该算法跟踪精度高,计算量小,适用于高速目标跟踪的场合.     

深基坑周边位移实时监测系统的研发

位移监测是保障深基坑施工安全的重要措施之一.针对常规基坑位移监测方法存在的问题与不足,开发了无接触、遥控、高精度和高可靠性的激光位移实时监测系统.系统借鉴激光准直测量原理,采用半导体激光器提供基准激光束、光纤-光敏管阵列实现光电转换、单片机数字电路进行数据采集和预处理、数字信号经调制解调器进入监控计算机,最终由计算机实时绘制位移-时间曲线.根据位移-时间曲线评价基坑的稳定性.实用中的监测系统的监测精度为0.5 mm,监测仪的最大位移量程为96 mm,激光器的有效射程为100 m.     

基于光纤布拉格光栅和放大基片的高灵敏度微位移传感器（英文）

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微位移传感器。该器件由一对中心波长不同的光纤布拉格光栅和一个杠杆结构的金属衬底组成,布拉格光栅采用飞秒激光相位掩模法制作。被测物体的位移由杠杆结构放大,并转换为布拉格光栅的轴向拉力。通过理论分析和有限元模拟获得的放大系数分别为2.67和2.5。实验结果表明,在0至50μm范围内,光纤光栅中心波长的偏移与被测物体的位移呈线性关系,位移灵敏度达到121 pm/μm。级联的布拉格光栅可用于温度补偿。     

一种机械臂在线标定装置开发（英文）

提出一种名为MultiCal的新型接触式三维测量装置,可用于机械臂的现场标定和在线精度测量,具有使用方便、成本低（低于5000美元）、性能可靠等优点。该设备可灵活地设置在机械臂的工作环境中进行微米级精度三维测量。在标定过程中,通过一个三维位移测量装置,让机械臂的工具中心点运动至一个固定点,之后再绕该点旋转运动至不同姿态角并测量各关节角度（单点约束测量）。然后采用一个创新设计的夹具,将三维位移测量装置精确地安装在该夹具的不同工位上,并重复上述测量过程,从而实现多点约束测量。夹具上不同工位的相对位置在标定前已被精确测量,并作为标定的先验信息,以提高标定的精度与鲁棒性。理论分析表明,在相同水平的测量误差下,MultiCal的理论标定精度与传统的非接触式三维或六维测量设备（如激光跟踪器）相比降低10%—20%。而在StaubliTX90机械臂上进行的实际标定实验结果表明,MultiCal实际标定精度仅比带激光扫描仪的测量臂低7%—14%,时间效率比六维双目视觉测量系统低21%—30%,标定后的机械臂的最大和平均绝对定位误差分别为0.831mm和0.339mm。