光栅精密位移测量技术发展综述

精密测量是精密机械加工的基础,是制造行业中影响制造精度的决定性因素之一,在当代精密机械制造领域应用广泛。基于光栅的精密位移测量系统以其对环境要求小,测量分辨率高等优点,在精密位移测量领域占据重要位置。基于光栅的精密位移测量系统包括光学测量系统、信号接收、电子学细分及整体装调几部分。本文主要针对光学测量光路部分进行综述介绍。首先介绍了经典光栅干涉位移测量原理;其次,综述了基于光栅的精密位移测量系统的关键技术现状;再次,对比分析了几种最具有代表性的测量技术,总结其优缺点;最后,对基于光栅的精密位移测量技术进行展望,揭示其高精度、高分辨力、高鲁棒性、微型化、多维化、多技术融合的发展趋势。     

动态双光栅测量金属热膨胀系数

在双光栅测量音叉微小振幅的理论基础上,利用静光栅纵向位移对金属热膨胀系数进行测量.本文给出了动态双光栅测量金属热膨胀系数的理论拓展与实验结果.     

用于精密位移测量的微型光栅传感器开发

基于双光栅干涉扫描原理,通过复用透射光栅实现干涉扫描型光栅位移传感器的小型化开发。开发了适用于精密位移测量的光栅传感器原理样机。传感器的电路系统包括信号转换放大电路模块和置于传感器D-SUB接口外壳内的信号处理电路模块。通过15 pin接口输出四路电平为2.5±0.5 V的模拟差分信号,差分信号接口可用于高倍细分而达到高分辨率,具备RS422接口适配能力,可以提高传感器远距离传输的抗干扰能力。以电容传感器为基准,光栅位移传感器原理样机实现了±30 nm的重复性精度,满足10 mm/s的测量速度需求,10 s短时位移稳定性达到5 nm,6 h的长时间稳定性达到70 nm。     

二维光栅角度信号响应函数研究

本文在平行相干光照明条件下,推导出了二维光栅剪切成像系统的角度信号响应函数,并描绘出了角度响应函数二维曲面.虽然光栅剪切成像系统常用的分束光栅有四种,分析光栅有三种,分析光栅和分束光栅之间还存在多种不同组合,但是产生的角度信号响应函数曲面却只有三种,即峰型位移曲面、谷型位移曲面和峰谷对称型位移曲面.其中峰型位移曲面和谷型位移曲面之间具有数值互补关系,由此还可以把峰型位移曲面和谷型位移曲面归纳为一种,最终只需要考虑两种位移曲面.这个理论结果无疑显著简化了人们对二维光栅剪切成像的认识,将对今后讨论定量提取二维角度信号的工作奠定基础.     

基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

应用光衍射理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统,建立了衍射莫尔信号与对应位移的数学模型,并通过计算机仿真对莫尔信号的位移特性进行了研究。在此基础上构建了一套精密位移测量与控制装置,取差动零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位移检测及全自动精密定位。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0.4μm的定位精度。     

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 m...     

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。     

基于校正多相位快速傅里叶变换算法的叠栅条纹相位差测量

叠栅条纹相位差测量是光栅位移测量中的关键技术,在两块光栅相对运动过程中,叠栅条纹信号的频率会因光栅夹角误差的存在而发生偏移,采用传统多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法计算任意时刻叠栅条纹相位值会产生测量误差,导致相位差测量不准确。为了减少频偏所产生的相位测量误差,提出了一种校正MPFFT相位测量算法,推导出了基于相位差校正法的MPFFT谱校正模型。仿真结果表明,在无噪声情况下,当光栅夹角误差为0.1°时,信号的最大频率偏移量约为4.19kHz,传统MPFFT相位测量误差大于100°,经相位校正后,相位测量误差小于0.2°,相位差测量误差小于0.004°;在高斯噪声和谐波干扰情况下,相位差测量误差小于0.2°,当取栅距为20μm时,相位差测量误差所产生的位移测量误差小于0.0111μm,为光栅位移纳米级测量提供了参考。     

二维光栅频谱分析及在精密测量中的应用

根据傅里叶光学的相关理论对二维衍射光栅的频谱特性进行了分析,并对分析结果进行了模拟和实验验证；基于衍射光栅应用于微位移的理论,提出利用二维衍射光栅作为测量的基准元件,组成单个光源和单二维衍射光栅的二维平面微位移精密测量系统,并根据实验测量结果验证了这是一种具有纳米准确度的可行测量方法.     

用光栅式位移传感器测量衍射光强分布

利用光栅式位移传感器测量了不同缝宽的单缝衍射的相对光强．本文介绍了光栅式位移传感器的测量原理、光栅测量系统、实验装置和调试要求．实验结果表明，利用光栅式测量系统产生的叠栅条纹测量位移的精度较高．     

Measurement of Residence Time Distribution with Radiotracers Using Periodic Pseudo-Random Binary Signal Sequences

A review about the properties of several types of tracerinput signals is given and in particular the stochastic signals are discussed. An estimation of the necessary measuring time shows, that true stochastic signals are unimportant for tracer experiments. The use of periodic pseudo-random binary signals (PRBS) permits a strong reduction of the measuring time. Therefore their practical application for tracer experiments is possible. The PRBS-method has special advantages in comparison with impulse methods, if fluctuations and disturbances exist within the investigated systems. Correlations for the estimation of parameters, needed for the realization of PRBS-measurements, are given and several measuring arrangements are discussed.

The application of the PRBS-method for measurements of residence time distributions (RDC) of a mixer-settler extractor is described.     

调制法测量光速

介绍了调制法测量光速的基本原理和方法，并通过对光在空气中的传播速度的测定，增加对用周期光信号测光速方法的了解．     

便携式镀膜玻璃光学透过率测定仪

采用简单的双光路测量原理，将测试光路和参考光路的光信号，经各自的光电信号处理系统处理后送入模拟除法器，从而实现透率的测量，其结果采用７／２位数显器直接显示。     

双波长绝对距离外差干涉仪的研究

提出了一种采用双纵模稳频激光器的新型绝对距离测量外差干涉仪。该干涉仪探测两个波长各自的外差信号, 通过测量两信号的相位差, 直接测量出合成波的小数级次。指出了两波长间的相互耦合对测量精度的影响, 提出了补偿方法, 在２５ ｍ 的测量范围取得了 １４０ μｍ 的测量精度。     

Scattering of low-frequency pulsed sound signals from elastic cylindrical shells

A method and experimental setup intended for measuring the amplitude and phase of acoustic field in the near zone of a scatterer are described. The results of measuring the scattering characteristics of low-frequency sound signals scattered by elastic cylindrical shells are analyzed.     

示波器实验的教学改革

示波器的原理和使用是大学物理实验教学的一个基础实验项目.传统的教学仅限于向学生介绍示波器显示波形的原理,测量信号电压、频率和周期等参数,以及采用利萨如图形测量待测信号频率等内容.随着科技的进步,传统的模拟示波器已经逐步被数字示波器所替代,一些高校实验项目也做了相应的调整.本课题探讨数字示波器的实验拓展,即结合压电传感器采集人体不同部位的脉搏信号,并通过对采集多组信号的数据分析,讨论脉搏信号特征与人体部位、性别以及时间段的关联性.     

光磁共振实验测量gF值方法的改进与拓展

分析了光磁共振实验测量gF值中传统方法存在的问题，提出了利用光抽运信号的变化来判断合磁场方向的改进措施，避免了实验过程中对合磁场的方向和大小的误判以及光抽运信号与共振信号的混杂．同时，拓展了原有的测量方法，丰富了实验内容．     

单圈绝对式光电轴角编码器的研究

在对传统绝对式光电轴角编码器编码方法原理研究的基础上,设计了一种单圈绝对式光电轴角编码器.详细地介绍了该编码器的位置定位算法,具体给出了信号拾取装置和信号采集系统的硬件设计方法,并分析了影响编码器准确度的主要因素.检测结果表明该编码器的原理和设计是正确的,为实现光电轴角编码器的小型化、智能化提供了理论依据和试验基础.     

对光磁共振实验中测量gF值的方法的评述和改进

对文献中测量gF因子的方法进行了评述，阐述了如何基于三角波扫场，用抽运信号确定计算和测量gF的方法。     

激光羽烟透过率测试技术研究

为了准确评估固体推进剂的性能,研制了红外激光羽烟透过率测量系统。系统采用透射的方法:在发射端对激光信号采用内调制,由光学系统送入接收端,并将接收到的信号进行光电转换、信号处理和A/D转换后送入计算进行数据的处理和显示。现场测试结果表明该系统的精度、响应速度和稳定度达到设计要求。