一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置

采用图像探测器的角位移测量技术可实现高精度高分辨力角位移测量。为提高角位移测量装置的鲁棒性,本文设计了一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置。其装调过程非常简便,且可以保证在标定光栅存在偏心时具有高分辨力和高精度测量输出。首先,提出了基于双线阵图像传感器的测角装置设计原理,并设计了单圈绝对式标定光栅。然后,采用基于质心算法的高分辨力细分算法进行细分,并采用双线阵图像传感器对测角误差进行误差补偿。最后,设计实验装置测试自适应安装的性能。实验结果表明,当标定光栅的偏心度在±1 mm以内时,所设计装置可以实现高精度和高分辨力的角位移测量。本文所设计的装置可以在标定光栅存在±1 mm的安装偏心时保证输出精度,为小型角位移测量装置适应性的提高给出了解决方案。     

精密角度传感器及其标定技术的研究

介绍了精密角度传感器和不使用任何精密参考仪器的角度传感器的自标定方法。采用补偿技术制作了一对角度传感器,可以克服光源热漂移带来的影响,并进行了标定。两个角度传感器的测量范围为180″,分辨率分别为0．003″,0．004″。平均灵敏度标定的重复性误差为0．015％,线性误差的标定重复性误差为0．015″。     

光导纤维在载荷测量及角位移测量中的应用

介绍了力学量中载荷和角位移的测量传感器。其方法是利用光导纤维作为传感器主要元件,被测载荷使弹性元件变形,使光纤端面间光的耦合效率发生变化,通过测量光通量的变化而测知载何和角位移的大小。在载荷测量中特殊布置光纤的位置,通过电路对信号的差分处理能达到提高传感器线性度的目的。最后的传感器输出结果其非线性大为减小。角位移的测试中,这种角位移光纤传感器灵敏度高,分辨率小,适合于扭转试件的微小角位移测量。这类光纤传感器用于力学量测试可弥补一些传统测量方法的不足。     

光纤Bragg光栅拉力传感器不确定度标定研究

实现光纤Bragg光栅拉力传感器的静态测试和性能分析,设计了一种量程为10kN的拉力传感器标定装置对其进行校准实验。通过对光纤光栅解调仪的中心波长和拉力机产生的拉力值进行最小二乘法拟合,求出静态标定系数,并分析拉力传感器标定装置的不确定度。实验结果表明,光纤传感器的灵敏度为0.161nm/kN,线性度为1.796%FS,二阶拟合曲线的重复性误差为1.337%FS,标定装置的不确定度为0.029kN。     

光纤Bragg光栅倾角传感器的标定与不确定度分析

实现光纤Bragg光栅倾角传感器的静态的测试和性能分析。设计了一种量程为5°的倾角传感器标定装置,对其进行校准实验。通过对光纤光栅解调仪的中心波长差和标定装置产生的倾角值进行最小二乘法拟合,求出静态标定系数,并对倾角传感器标定装置的不同不确定度分量进行分析以求出合成不确定度。实验结果表明,光纤传感器的灵敏度为0.17343nm/(°),线性度为99.993%,重复性误差为0.0552%,标定装置的合成不确定度为8.606×10-2°。     

光纤光栅温度传感器溯源性标定方法的研究

针对光纤Bragg光栅(FBG)温度传感器的溯源性标定问题,研发了一套光纤温度传感仪表智能检测平台,对FBG传感器进行在线校准。检测平台同步分析传感器标定过程中波长变化量及量值转换后物理参量变化量,并利用最小二乘法拟合得出传感器静态标定指标。通过对标定过程中不确定度的分析,将标定结果溯源到国家基准。实验结果表明,通过光纤温度传感仪表智能检测平台标定得到的FBG温度传感器的灵敏度为9.824×10-3nm/℃,线性度为99.91%,校准装置的测量不确定度为0.1℃。     

双圈同轴光纤传感器在润滑油介质中的输出特性

针对双圈同轴式光纤(TCCOF)位移传感器用于滑动轴承油膜厚度检测时,由于传播介质为润滑油,传感器输出特性会受到影响,本文根据折射定律分析了传播介质对光纤最大入射角的影响,考虑传播过程中的光损并利用光场的准高斯分布规律建立了润滑油环境下的传感器数学模型,同时通过仿真计算得到了传播介质不同时的传感器输出特性。在此基础上,搭建了相应的传感器标定实验平台进行验证。结果表明:空气中TCCOF传感器的灵敏度为0.691/mm,润滑油中TCCOF传感器的灵敏度为0.464/mm;TCCOF传感器在润滑油测量环境中可减小光功率不同对传感器特性的影响;TCCOF传感器灵敏度随着反射面曲率半径的增大而增大;由于具有对称结构,当反射面为圆柱面时,TCCOF传感器可减小探头周向安装角度对其输出特性的影响。因此,在利用TCCOF传感器进行油膜厚度检测时,必须在相应润滑油环境下及相应的反射面情况下进行传感器标定。     

基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题,提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度,根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化,并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析,最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明：传感器谐振频率为460 Hz,灵敏度约为43 pm/g,横向干扰能力程度5.7%,可用于桥梁上加速度监测。     

亚微牛级推力测量系统设计及实验研究

空间引力波探测任务需要具有亚微牛级推力分辨率和推力噪声的微推力器来实现卫星平台高精度无拖曳控制任务,为了在地面对所需微推力器的推力进行标定,设计并研制了一套基于扭摆的亚微牛级推力测量系统。该系统选用高精度、高分辨率电容式位移传感器作为扭摆角位移传感装置,利用高精度电子天平对静电梳进行标定,再利用该静电梳标定扭摆,得到推力与角位移的关系。此外,研究了高精度弱力标定技术和亚微牛级微推力在线测量技术,分析了测量误差来源以及控制方案,最后利用静电梳产生标准弱力测量扭摆推力分辨能力和范围等。实验结果表明:该系统可测推力范围为0～400μN,分辨率达到0.1μN,背景噪声功率谱密度优于0.1μN/((Hz)~(1/2))(10 mHz～1 Hz),满足空间引力波探测在10 mHz～1 Hz频段推力测量需求。     

基于输出误差模型的B-Dot传感器标定方法

B-dot传感器因其频带宽, 体积小以及良好的稳定性而广泛应用于电磁脉冲(EMP)测量。任何理论模型与实际情况之间都存在差异, 因此B-dot传感器必须在实验室环境下进行标定。针对传统的时域标定方法存在的弊端, 提出一种基于输出误差(OE)模型的频域标定方法。该方法利用单输入单输出的OE模型传递函数来表征B-dot传感器的频响特性, 然后通过部分线性回归求得传感器实际工作的频率范围的灵敏度系数。经验证, 该方法能够有效避免因阻抗突变引起的过冲或振铃现象对标定精度的影响。     

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。     

机载光电系统稳定精度测试方法研究

提出了一种实时高频角位移测量的新方案，采用该方案可对机载光电系统动态稳定精度进行测试。该方案采用激光自准直测量，以及高精度、高响应频率PSD探测器传感稳定平台的角位移，有效解决了频率达500Hz角振动状态下的稳定精度测量。与传统的脱靶量测试方法相比，精度提高了几个数量级，优于10μrad。该方法可用于机载高精度稳定平台稳定精度的实时测量。     

广义位移传感器在形状误差和误差运动分离中的读数贡献

详细推导并统一了形状误差和误差运动高精度检测 分离技术中各类传感器的读数方程 ,包括传统的差动变压器式位移传感器、电涡流式位移传感器、电容式微位移传感器和近年来出现的激光微位移传感器、激光角位移传感器以及后两者组合成的组合式广义位移传感器。以统一的列表方式阐明了各传感器的读数贡献。其优点是 :根据选用的误差分离方法和与之适配的传感器 ,便可按列表方式快速、方便地排出用于直线、圆、圆柱度和平面度等误差分离的原始读数方程 ,并对误差分离的可行性作出了初步分析     

切线位移法测量微小角度偏转

叙述了将光电传感器的光轴相对固联于地理坐标系的转轴作切线运动并利用其切线位移模拟小角度偏转的方法。根据两轴初始零位对准值及切线位移量,由光电传感器的输出和所对应的角度偏移关系,获取光电传感器光轴的微小角度偏转量。该方法是一种简单有效的小角度偏移光电检测方法,可实现对微小角度偏移量的精密测量和实时读取,角度测量范围:±15°;测角精度:1″。     

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。     

A new subdivision method for grating-based displacement sensor using imaging array

A new subdivision method for grating-based displacement sensor was proposed in the present study, which takes advantages of imaging array's high resolution and pixels’ good uniformity in the space. In this method, the magnified grating image is received by imaging array and grating pitch is directly subdivided by pixels, which is quite different from that moiré fringe is subdivided by complex subsequent circuits in moiré-type displacement sensor. The displacement is statistically calculated by using the whole grating image, which greatly eliminates the errors arising from illumination, electrical signals’ fluctuation, grating defect, and so on. Therefore, the subdivision method is easy to obtain signal with high signal-to-noise ratio, insensitive to some external factors, and able to attain high measurement precision with low cost. In this paper, the principle of subdivision method was illuminated, the systemic resolution was theoretically discussed, the measurement precision was experimentally checked, and the uncertainty of measurement was analyzed. The subdivision system consisted of the grating with 20-μm pitch and the CMOS image sensor with the pixels of 1280×1024 had the resolution of 0.04 μm, and the maximum displacement error was less than 0.4 μm, which has been tested in the Abbe comparator platform.     

光纤干涉位移传感器相位估计的一种精确方法

应用信号处理有关技术提出了一种光纤干涉位移传感器相位估计的方法,可以解决很大范围的不等幅、周期非均匀、带噪干涉信号条纹的精确计数问题。分析了此方法的适用范围及估计精度。对于１０ｄＢ信噪比的系统来说,位移在０．３ｍｍ以内的测量精度可达到λ／１００。     

角位置敏感探测器及其有限元分析

介绍了一种基于半导体横向光电效应的角位置敏感探测器的结构设计,采用有限元方法对该角位置敏感探测器的输出特性:线性度、角度精度及响应灵敏度,进行了模拟计算,在较大的角度范围内(如90°)进行测量,得到了很高的线性精度(小于0.04%)和角度测量精度(约20″)。分析讨论了材料电学参量及模型结构参量等因素对其测角精度的影响,通过优化选取材料及结构参量,可以使线性度(小于0.01%)及精度(小于1″)更高,能够用于高精度的角度测量。     

激光光栅和反射镜姿态调节的高精度开环控制

为了提高高功率激光物理实验中激光束的精密对准度,提出了一种对激光光栅和反射镜姿态进行可视化、高精度调节的开环控制系统。该系统设计为由上位机、下位机和角位移微调机构等部分组成。从应用层通信协议、HostLink(Fins)协议和三维姿态模拟等方面介绍了上位机监控软件的设计;从步进电机驱动器复用、PLC电机断电相位记忆和下位机梯形图程序框图等方面讨论了下位机PLC控制系统设计;分析了角位移微调机构中通过把丝杆螺母的直线微位移转换为角度微位移来达到高精度转角分辨率的实现原理;并用实验数据验证了实际转角分辨率达到高精度设计要求。结果表明这种开环控制系统能够很好的实现对激光光栅和反射镜转角的高精度调节控制,对其他类似实验设备的高精度角度调整也具有借鉴意义。     

光纤传感器位移和转速测量研究

介绍光纤传感器的测量原理,并对位移和转速测量进行研究,利用matlab软件对位移测量结果进行曲线拟合,且将光纤传感器和电涡流传感器的转速测量结果进行比较,最后得出利用光纤传感器进行测量具有电路结构简单、精度高、光路弯曲等优点。