激光位移传感器的光学系统设计

针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为（50±10）mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scbeimpflug条件。     

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量,设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上,分析光束在光学系统中能量传递的变化规律,对比光电探测器的感光能力,利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析,严格控制传感探头孔径光阑的大小,对光学系统进行优化处理,成像最大弥散斑半径低于3. 3μm,空间分辨率120lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于0. 5,光线扇形图的最大像差小于5μm,畸变量低于0. 1859%。该光学系统具有良好的成像效果,可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求,以保证传感器的测量精确度优于5μm。     

基于小孔光学系统与面阵ＣＣＤ 的激光位移传感器系统设计

为了降低激光位移传感器的生产成本,提出一套新型激光位移传感器系统的设计方法。该设计基于三角测距原理,使用ＣＣＤ 单板机作为光电探测器,换用小孔光学系统替代透镜,并针对小孔光学系统的特点对传感器系统重要参数的确定方法进行了研究,编写图像处理算法提取目标图像中的位移信息,从而达到非接触式位移测量目的。搭建了一套该新型激光位移传感器系统进行位移测量实验,结果表明此系统可以达到量程为５０ ｍｍ、精度为１ ｍｍ 的测量需求。     

基于物理水平基准的组合式高程测量方法

针对空间坐标点相对于测量基准的高程测量准确性问题,提出一种基于物理水平基准的组合式高程测量方法。利用激光三角测量原理及其测量光路的几何特性,搭建了物理水平基准的高程测量系统,在朗伯散射光场中,分析了倾角变化对激光光能质心偏移量的影响,建立了相应的误差修正模型,利用倾角传感器实现了高程测量的倾角误差补偿,自主研制了标定平台对本文提出的高程测量系统进行标定验证试验。结果表明：本文提出的组合式高程测量方法能够在500 mm测量量程下将重复性测量误差控制在±20μm的波动范围内,相较于单一激光位移传感器测量方式,其组合式高程测量误差波动量大幅度降低,能够适应空间坐标点在任意姿态下的精准测量,有效改善激光位移传感器在高程测量领域的性能,使其测量结果更为真实有效。     

激光引信接收光学组件的研究与测试

根据大气激光通信传输方程和黑体辐射理论提出了计算激光引信中接收光学系统接收视场的方法,通过接收视场确定了接收光学系统的初始结构参数,设计了焦距为15 mm,视场角为2ω≮±7°的柱透镜光学系统.采用倒置法,将线阵CCD探测器置于准直物镜的焦面上接收信号,解决了接收光学系统后截距过短无法安置线阵CCD的问题,扩大了测量范围,又保证了精度,测量误差为1%.针对激光引信的结构特点,设计了测量激光引信接收光学系统视场角的自动测试系统.实验测试结果表明该引信的视场角都在合格范围内,重复精度≤5%,满足设计的要求.     

高精度激光三角位移测量系统误差分析

激光三角测量方法因其具有结构简单、非接触、信号处理便捷等特点而得到广泛应用。针对工程应用中提出的高精度、大工作距离的测量要求,从激光三角位移传感器结构、光斑定位不确定度和定标方法等方面进行分析,分别讨论了各个因素对于测量精度的影响,并提出了优化方案。经实验验证,该激光三角位移测量系统在110mm的工作距离下测量误差小于1.2μm,优于在同等工作条件下的商用激光三角位移传感器。     

基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计

分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性,结合两者的优势,设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上,利用直线结构取代了大三角的光路布局,形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜,与光轴成45°角放置,将会聚透镜和成像透镜合为一枚,并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴,简化了系统结构,减小了仪器体积,同时,推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真,系统采用单透镜的结构形式,前表面为Forbes非球面,入瞳直径像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点,通过实验与Keyence激光位移传感器比较,该系统能够保证测头分辨力1μm、综合检测精度±2μm的技术指标。     

激光引信接收光学组件的研究与测试*

根据大气激光通信传输方程和黑体辐射理论提出了计算激光引信中接收光学系统接收视场的方法,通过接收视场确定了接收光学系统的初始结构参数,设计了焦距为15 mm,视场角为2ω≮±7°的柱透镜光学系统.采用倒置法,将线阵CCD探测器置于准直物镜的焦面上接收信号,解决了接收光学系统后截距过短无法安置线阵CCD的问题,扩大了测量范围,又保证了精度,测量误差为1%.针对激光引信的结构特点,设计了测量激光引信接收光学系统视场角的自动测试系统.实验测试结果表明该引信的视场角都在合格范围内,重复精度≤5%,满足设计的要求.     

基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72nm分布式反馈半导体激光器作为系统光源,单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围,系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测;当气体浓度大于阈值时,自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明,该传感器在浓度范围为0~5%内误差小于±0.06%,在浓度范围为5~100%内误差小于真值的±6%,响应时间约为15s,满足矿井实际测量需要.     

结构现场可调的点激光精密测量系统

为了实现激光传感器测头可以根据现场条件来实时改变入射角度,建立了结构可调的点激光测量系统。建立了相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式。建立了点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数。利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:测量系统量程为75mm时,该标定算法最大标定误差≤0.02mm,点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。     

激光非接触曲面面形传感器

提出一种用于空间自由曲面测量的激光非接触曲面面形传感器。该传感器结构简单，在光学原理上传感器的输出量与被测量成线性关系，接收物镜绕系统光轴３６０°接收目标面的漫射光，目标面的倾斜产生的影响很小，解决了困扰空间自由曲面测量中阴影效应、倾斜等问题。该传感器的测量范围为４ｍｍ，分辨率为２μｍ，当目标面（漫反射面和金属等镜面反射面）倾斜角为±８５°时，仍能保证２０μｍ的测量精度。     

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。     

Design and experiments on a wide range fiber Bragg grating sensor for health monitoring of coal mines

The tunnel collapse problem of coal mine is very common and its damage is very serious. It also seriously endangers people's lives and property safety. At present, a variety of instruments are used for tunnel roof structure health monitoring in most of the coal mines at home and abroad. In this paper, a displacement sensor using optical fiber grating technology was designed, which could be used to prevent the problem of coal mine tunnel collapse by monitoring the coal mine tunnel roof displacement. Firstly, finite element analysis was demonstrated to simulate the stress and displacement of coal mine tunnel roof to determine where to install the sensor. Then the characteristics of the fiber Bragg grating sensor were analyzed in detail and the sensor structure was designed according to the actual requirements in the coal mine. At last, the feasibility of the whole system was experimentally verified. The cross-sensitivity of the temperature and displacement issue with FBG sensors could be eliminated by using matched pairs of FBG. The measuring range of 50 mm and the measurement resolution up to 0.06 mm could be obtained with the proposed sensor.     

总装调对心干涉仪的设计与测量精度分析

为了满足大口径光学系统各分立元件的高精度对心要求 ,设计制造了总装调对心干涉仪。介绍了仪器的工作原理及关键结构工艺 ,并对影响偏心测量的因素进行了讨论。仪器的测量精度同被测镜的曲率半径及两测量点的间距有关。当被测镜的曲率半径小于 1.5 m、两测量点的间距为 5 0 0 mm时 ,其偏心测量精度小于 1μm,仪器的测量偏心角度的最小格值达 0 .12     

干涉型长距离分布式光纤传感系统

提出了并验证了一种新型的以迈克耳辽干涉为基础的调频连续波干涉型长距离分布式光纤伟系统，系统在干涉仪的参考回路巧妙地引入了一个带有移频器的光学回路，使系统连续测量范围增加到４倍，达４８ｍ。     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。