面内位移测量的激光多普勒信号研究

在利用激光多普勒效应进行远距离处固体面内位移测量时，散射光的多普勒信号强度、信噪比及信号质量是位移测量的极重要参量，它们直接影响位移测量的距离和精度。为此研究了激光多普勒差动方法、锁相放大、数字滤波等技术，设计出能获得最好结果的差动光路以及高灵敏度、高Q值的锁相放大器和能重构丢失信号的同态滤波系统等，实现了50m处固体面内位移测量，其最大相对误差可以达到1.5％。     

频移分离型三维激光多普勒测速仪研究

研究一种采用频移分离方法的新型三维激光多普勒测速仪（３ＤＬＤＶ）。该仪器以单色Ｈｅ－Ｎｅ激光器和单只光电探测器并配合简单的光学发射和接收系统即实现了三维速度分量的同时测量。三个分量的速度信号由声光调制器引入的三种光学频移区分，通过电子滤波器完成信号的相互分离。在光学发射系统设计中采用独特的单轴四光束结构，通过光束组合形成三双光束差动模式的激光多普勒测速仪光。本文中还给出了该仪器的系统设计参数并分析     

激光多普勒差动检波装置的信号研究

研究了差动多普勒技术和锁相放大器的频率跟踪技术, 设计了一种精度高、动态范围大的激光多普勒差动检波系统.此系统结构紧凑, 安装调节方便, 可以充分利用激光光能.而且, 它把两束高斯光束的束腰聚焦在被测物体上, 获得了最小光斑和平面波的叠加, 提高了分辨力、信噪比和信号强度.采用频率自动跟踪技术来解决信号丢失问题, 抑制了各种噪声和干扰.模拟实验证明, 振幅测量精度为1％, 频率为0.6％; 分辨力为50 nm, 技术指标是令人满意的.     

基于激光差动多普勒效应的微机电系统动态测试技术

提出了一种用于测量微机电系统(MEMS)器件瞬时速度、位移的测量系统。采用激光差动多普勒技术,检测谐振器在平面内的振动,测量垂直于系统测量光轴方向的振动速度。并在差动多普勒测量光路的基础上加入了CCD监测光路,实时观察被测器件调整过程和振动情况。通过处理电路从光学系统输出的高频信号中提取多普勒信号,利用Labview和Matlab软件对采集的多普勒信号进行时频分析,得到被测器件的运动参量。通过对测点的微定位,对MEMS器件进行整平面的扫描,得到器件振动的瞬时速度场,为进一步对MEMS器件的高阶谱振动分析及扭转分析提供了一定的基础和必要的支持。     

双光束激光多普勒测速系统

激光多普勒测速以其高精度、使用方便而在速度测试领域得到广泛的应用. 本文介绍了激光多普勒测速和双光束测速系统的基本原理,并对流体速度进行了测量,得出了相应的实验结果.     

基于TMS320VC5402的激光多普勒测速系统

介绍了激光多普勒测量技术的原理和差动后向散射测量方式以及数字信号处理式激光多普勒测速仪的设计方案.其中包括基于TMS320VC5402的多普勒信号采集卡硬件电路和软件设计.运用该测速仪对固体表面运动速度进行测量.对采集到的多普勒信号进行高通滤波处理,以提高信噪比,运用傅里叶变换处理数据,计算出运动目标的速度并与实际速度进行了比较.结果表明该系统用于固体表面速度的测量切实可行,精度可达到2%.     

用超声衍射效应实现位移测量

本文叙述了用声光调制器实现位移测量的原理。入射光束与声光调制器间的相对运动引起的多普勒频移被反映光衍射的频移中去，通过测量该多普勒频移，测量出声光调制器的位移的大小，文中给出了实验结果。     

激光多普勒技术在固体测量方面的运用

介绍了激光多普勒测量技术的原理和后散射型固体表面测量方式。通过声光调制器的偏频后 ,能够确定物体的运动方向。对多普勒信号进行光学外差处理并对多普勒信号进行测相 ,可以提高测量的精度。用差动微分多普勒技术进行测量 ,可以消除由固体表面特性和激光光强的波动引起的误差。     

激光多普勒测量中信号的误差分析

激光多普勒测量技术在流体以及固体表面测量中得到了广泛的运用。由于影响测量的误差源较多 ,因而在实际的测量过程中 ,激光多普勒测量的精度并不是非常的高。影响测量精度的误差主要是激光多普勒频率增宽 ,高斯光束的干涉以及安装误差。通过控制不同的系统参数 ,可以消除或减小相应的误差     

电子散斑干涉位移场分离技术及其在三维测量中的应用

提供了一种可将离面位移与面内位移分离的三维位移场测量方法.在双光束电子散斑干涉中增加参考光,使这一路参考光为两光束所共用.两束光各自独立地对变形物体进行测量,结合相移技术,可分别得到包含离面和面内位移信息的二幅位相图.只需简单的位相运算就能够将面内位移场与离面位移场分离.在竖直方向上,采用两光束对称照明被测物,直接测量面内位移竖直方向分量.本文将该技术应用到柴油机油泵测量上,得到了油泵的三维位移场.该技术为三维位移场的测量提供了一种新的有效途径,也为柴油机零部件的强度和刚度分析评价提供了新的方法.     

Differential FBG sensor for temperature-compensated high-pressure (or displacement) measurement

A differential fiber Bragg grating (FBG) sensor with a free active element bulk-modulus for high-pressure (or displacement) measurement is presented. Based on the differential measurement method and an isosceles triangle cantilever structure, problems of cross-sensitivity and chirped signal in FBG sensor are improved both theoretically and experimentally. Preliminary experiments indicate that temperature-compensated measurement results agree well with the theoretical analysis. Displacement measurement sensitivity is 1.75 pm/μm, and the estimated pressure measurement resolution can reach 0.27 MPa in case the wavelength shift measurement resolution is 0.01 nm.     

Heterodyne interferometer for displacement measurement with amplitude quadrature and noise suppression

The high precision displacement measurement in nanoscale is crucial to many applications. We present a heterodyne interferometry with differential phase to amplitude conversion scheme for displacement measurement in nanoscale. In this approach, the differential phase introduced by the displacement is converted into the amplitudes of heterodyne signals in quadrature. Meanwhile, the heterodyne signals in phase quadrature are also achieved so that the displacement can be determined from the amplitude ratio of the quadrature signals, and the direction of displacement can be determined from the phase quadrature. Since the differential phase to quadrature amplitude conversion is achieved through the optical addition and subtraction by polarization tuning, which are based on differential detection concept. Thus the proposed method benefits from the features of differential detection with common phase noise and correlated amplitude noise rejection and that of quadrature detection with real time and wide dynamic range of phase measurement. To demonstrate the capability of proposed method in differential phase measurement, we measure the displacement drove by a commercially available PZT pusher and found close agreement between the experiment and the theory. The experimental evidence of noise suppression is also found with spectral measurements, which demonstrates the resolution of displacement measurement at 60 pm and minimum detectable differential phase of 5.6 × 10⁻⁶ rad/ over 50 kHz.     

双目立体视觉技术在结构试验中的应用

传统的动态位移测量方法属于接触式测量，常用应变式位移计直接测量结构变形，其测量精度往往取决于位移计安装情况，且测量的电信号容易受到试验环境的影响。随着光学测量技术的不断发展，基于双目立体视觉和数字图像处理技术的光学测量方法已开始应用于位移测量。为了解决传统动态位移测量的精度问题和环境对信号的干扰问题，将双目立体视觉技术应用到三层钢框架结构的振动台试验中，对结构在地震作用下的位移进行测量。研究结果表明:从位移时程和位移偏差率两方面同传统测量方法进行对比分析，光学测量方法减少了2.0 s~3.5 s的相对滞后时间，增强数据可靠性；位移偏差率最大为7.03%，最小为0.02%，均在测量误差允许范围之内，验证了光学测量位移方法在结构抗震试验中的可行性及优越性。     

基于可变相位延迟的激光干涉式亚纳米级微位移测量系统

激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等优势，所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。在重力方法探测过程中，因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小，通常为纳米级，所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。相比较而言，光学干涉法具备抗电磁干扰、环境适应性强等优点，且精度不亚于电容法。传统干涉系统光路复杂、难于集成，对重力仪的小型化与集成化不利。所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。基于可变相位延迟的激光干涉式方法，能够实现亚纳米级微位移测量，较传统干涉系统具备结构紧凑、易于集成的优势。本微位移测量系统由半导体激光器、起偏器、检偏器、楔形双折射晶体组和光谱仪组成。研究从以下方面展开：首先是确定测量系统方案，提出了偏振光干涉双路结构，以楔形双折射晶体组作为核心器件，将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟，并对激光光谱进行积分，进而将位移变化转变为合成光强的变化；其次是建立测量位移物理模型，根据设计的双折射晶体组几何结构、位移过程与光路，确定光强变化与待测位移量之间的关系；第三是系统参数优化，为了使系统的测量误差和量程满足实际需求，利用已建立的物理模型，将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、激光器激射波长λ建立函数关系。根据应用需求，确定适当的误差和量程取值范围，进而得到角度α和波长λ取值范围；最后加工晶体、搭建系统并进行测试。具体即以α和λ为调控参量，联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。同样，联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”，并利用“系统最大位移量”（与量程有关）对系统测量误差进行优化仿真。最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°，激光器激射波长λ为635 nm。实验中，以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试，包括：系统的线性标定、系统量程和测量误差测试。另外，在保持待测位置不变的条件下，利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量，并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。实验结果表明，位移量程范围大于150 nm，位移测量误差约0.5 nm，位移探测下限为0.32 nm@23 s，探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。综上所述，以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统，可作为重力探测中的质量块位移测量单元。与电容法相比具有更强的环境适应性；与传统干涉系统相比具有结构简易、光路紧凑等优点，便于重力仪的小型化与集成化。     

基于机器视觉技术的振动台试验变形位移测量方法研究

在振动台试验中,结构的变形位移是试验关注的重要数据之一。将机器视觉技术运用于振动台试验的变形位移测量上,是对传感器测量法的一个补充,从另外一种渠道力争为振动台试验提供更多的数据来源。该方法首先给定振动台一个激励信号,同时对固定在振动台台面上、粘贴有人工标志的弹性结构试件进行视频采集;然后将视频分帧成一系列静态图片,对静态图片进行图像灰度化、图像增强等图像预处理并对人工标志进行识别;接下来,在识别出所有人工标志的基础上采用最小二乘椭圆拟合法进行目标定位并进行像素标定。目标点的像素位移结合像素标定系数,最终完成变形位移的测量。最后通过振动台的固定位移试验和正弦信号激励试验证明了该方法在振动台试验中的可行性。     

具有温度补偿的光纤位移传感器

位移测量是结构健康检测的重要参量之一.本文提出了一种双悬臂梁粘贴光纤光栅的位移传感器,它将位移变化转换成两只光纤光栅的波长移动,实现对位移量的绝对测量.通过引入对称补偿光纤光栅的方法解决了温度与位移交叉敏感的问题.推导了位移传感器的工作原理,完成了相关实验,并分析了传感器所产生误差的来源.实验结果表明,在量程为20 mm的时候,位移灵敏度为123 pm/mm,温度补偿前,温度对位移的影响是234.9 μm/℃;温度补偿后,温度对位移的影响为17 μm/℃.本位移传感器量程大、线性好、准确度高,不易受恶劣环境影响.     

基于应变片的自由活塞斯特林制冷机位移测试研究

压缩活塞与排出器的位移大小及相位差对自由活塞斯特林制冷机的制冷性能具有极其重要的影响。文中通过对目前各种位移测试方法优缺点分析,结合自由活塞式斯特林制冷机自身特点,提出了采用应变片响应涡旋柔性弹簧形变来测量活塞和排出器位移的新方法。通过分析、设计和标定,建立了一套基于应变片的自由活塞斯特林制冷机位移测量系统。实验测试结果表明,该位移测量系统是可靠的,具有体积小、投资省等优点,且不需要特别的安装空间。     

基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统

介绍了基于几何莫尔条纹原理和衍射干涉原理的两种光栅精密位移测量系统及各自的特点。综述了国内外对光栅干涉式精密位移测量系统的研究进展,总结了系统存在的关键问题及发展趋势。光栅干涉式精密位移测量系统的优点是对环境要求小,测量分辨率和精度较高,结构紧凑,成本低。该系统需要解决的问题包括提高光栅以及光学元器件制造和安装精度;寻求一种更高精度的检测手段对光栅位移测量系统进行标定等。光栅干涉式精密位移测量系统的发展方向为更高测量分辨率和精度,大量程、多维度测量以及尺寸小巧。该系统在现代工业加工精密制造领域将具有更广阔的应用前景。     

五维自由度衍射光栅精密测量系统（英文）

为了在保证结构简单的前提下,实现衍射光栅精密测量系统的大量程、高精度、多维度测量,设计了能够同时测量位移和角度的五维自由度衍射光栅精密测量系统。基于利特罗对称式光路结构,采用高刻线密度的一维衍射光栅以及外差干涉原理实现了沿光栅矢量方向和光栅法线方向的二维位移测量;通过引入高精度的位置灵敏探测器,结合±1级衍射光与光栅之间的角度变化关系实现了对光栅俯仰、偏摆和滚转三个维度的角度误差测量。实验结果表明:该衍射光栅精密测量系统能够实现分辨力优于4 nm的二维位移测量以及分辨力优于1″的三维角度测量,其位移测量范围只受限于光栅的尺寸,量程大大增加。该衍射光栅精密测量系统在精密测量领域有重要意义。