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。     

基于光纤阵列的二维微角位移传感器

提出了一种基于光纤阵列的二维微角位移传感器.该传感器采用由十字形排列的光纤阵列构成的轮辐式探头结构.各接收光纤接收光强随被测角位移改变.通过对各光纤接收光强进行高斯拟合确定反射光斑中心位置.这种测量方法可以有效降低表面反射系数变化、光源波动以及环境光对测量结果的影响.由于各接收光纤对应光路损耗不同对微角位移测最精度产生影响.提出了光路损耗的归一化修正方法.实验证明系统测量角度范围-0.16 rad～O.16 rad,归一化修止方法使系统测量分辨率提高到了3.8X 10-4rad.     

激光位置探测器的角位移测量精度分析

作为激光光斑位置探测器,象限探测器和位敏探测器被广泛应用于激光光斑跟踪、监控、位置检测和定位等领域。对这两种探测器的角位置测量精度进行了探讨,分析了影响精度的主要噪声源,推导出两者的角位移精度表达式,并通过计算进行了模拟。结果显示,两者的测量精度决定于信号的信噪比,且随作用距离的增加而降低;象限探测器的角位移测量精度明显高于位敏探测器。在忽略背景光噪声的情况下,象限探测器的精度约为位敏探测器的40倍。     

基于敏感Fabry-Perot腔光纤角位移传感器的原理与设计

提出了一种全角度并且可以连续测量微小角位移(秒级）的新型光纤角位移传感器.利用微小光学谐振腔的基本理论,主要是基于光学法布里-珀罗(Fabry-Perot）腔的基本原理研究特定光波下光强度的变化与角位移的线性变化关系,利用光纤技术、敏感技术融合微机械技术研发而成.适合于一些特定领域中对角位移的精确测量.     

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。     

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。     

法布里-珀罗板正弦相位调制型高精度角位移测量

提出了一种基于法布里-珀罗板和正弦相位调制干涉术的角位移测量新方法。采用CCD探测法布里-珀罗板两透射光束光斑的中心距,通过运算得到了入射光的初始角,解决了采用法布里-珀罗板干涉法测量角位移需确定入射光初始角的问题。采用正弦相位调制干涉术通过测干涉信号的相位来测量物体的角位移,增强了对杂散光的抗干扰能力,减少测量误差,提高了测量精度。理论模拟和实验结果表明本方法可以实现精度为10^-8rad数量级的高精度角位移测量。     

液态中交叠微球的三维纳米级位置测量方法

微球跟踪技术是生物学动态过程的重要研究工具之一。为获取相关生物学信息,需要对微纳米尺度的微球进行三维位置的测量。在实际测量中,由于液态环境中微球间及微球与其他物质间存在相互作用力,微球图像交叠的现象难以避免。交叠微球图像会导致圆环特征的交错,采用传统方法难以实现特征识别,进而无法对其定位。针对这一问题,提出了全息重构聚焦法(HRFM),通过精确定位微球的横向位置,获取其三维位置。实验结果表明HRFM定位微球位置较传统方法更为精确,且尤其适用于交叠微球位置的测量,对单个微球和交叠微球的测量均能达到2nm的三维位移分辨力。     

离焦图像的互相关匹配法测量微球三维位置研究

为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力,尤其是轴向的测量精度,将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合,讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明,该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm,已实现对微球三维方向1 nm阶跃变化的分辨测量,这在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。相同实验条件下,与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。     

4f光学系统中滤波函数角位移补偿的研究

实验中4f光学系统的输入函数载体与滤波函数载体往往存在着一定的角位移,而这个角位移的存在影响了4f光学系统的精确滤波。将空间光调制器(SLM)作为4f光学系统的输入和滤波函数的载体,利用光栅衍射理论和傅里叶变换理论,提出了一种测量该角位移的方法。滤波函数旋转角位移值的大小可以补偿输入和滤波函数载体间存在的角位移。滤波实验证明了方法的有效性和必要性。     

去卷积数字全息重构的微球位置精确测量

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像,利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构,同时对重构光场进行去卷积运算,消除了散斑、离焦信号等噪音,并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合,提高了微球三维位置测量精度。实验表明,该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量,而且能够对交叠微球进行测量,纵向分辨力达到2 nm,在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。     

去卷积数字全息重构的微球位置精确测量EI北大核心CSCD

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像,利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构,同时对重构光场进行去卷积运算,消除了散斑、离焦信号等噪音,并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合,提高了微球三维位置测量精度。实验表明,该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量,而且能够对交叠微球进行测量,纵向分辨力达到2 nm,在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。     

基于GRIN透镜微小角位移的测量技术研究

根据1/2波节自聚焦（GRIN）透镜中光的传输特性,提出了一种新颖的测量微小角位移的模型,通过对模型中光线传输和几何关系的理论分析,推导了待测角位移与光耦合效率之间的传递函数.针对模型对测量范围的限制,提出了一种可行的拓宽测量范围的方法.研究结果表明,该模型不但测量范围宽,而且测量准确度高,线性度好.     

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。     

微球三维位置快速精密测量的新方法

为了实现对液态环境中微球三维位置的快速精密测量,尤其是轴向的测量分辨力和速度,基于离焦成像测量理论,结合并改进象限插值法和矢径投影算法,提出了一种新的方法,实现了对微球三维方向1nm测量分辨力的跟踪测量。该方法测量效率高,对单个粒子轴向位置的测量速率最快达到每秒上百帧甚至更高。进一步讨论了横向位置测量误差对轴向测量分辨力的影响,分析了轴向方向大范围的跟踪测量分辨力。通过和相同实验条件下的互相关方法对比,说明该方法在实际测量中具有可行性,在实现相同轴向测量分辨力的情况下测量效率更高。     

同心圆靶的相对位置姿态的摄影测量方法

用一台数码相机拍摄同心圆靶标的照片,求出照片中这两个椭圆的方程。研究了一种解算方法,能用这两个椭圆方程的系数直接算出同心圆靶面的姿态。再求出椭圆平行于透视轴的切线及其切点的位置。利用这些切点的坐标解算同心圆圆心的像点位置和相机的焦距。如果知道同心圆的半径还可以求出同心圆靶的位置。所提方法可在停机坪标定飞机上的方向舵的角位移传感器;或用于追踪航天器自主测量目标航天器的相对位置姿态。     

一种分辨力达纳弧度量级的角位移传感新方法

提出了一种测量微小角位移的新方法,该法基于一种金属包覆波导结构,通过棱镜耦合激发空气导波层中的超高阶导模作为灵敏探针。当被测部件发生微小偏转时,空气层厚度和导模的有效折射率也因此改变,从而引起耦合光束的反射光强急剧变动,其变动幅度与部件的角位移量近似成正比关系。对传感的灵敏度进行了数值分析,结果表明导模的有效折射率是影响灵敏度的重要参量。采用一种类似悬臂梁的结构产生可控微小角位移,并以此对平均灵敏度进行了测算,得到的结果与理论预测值符合得较好(相对误差约为3%)。理论和实验结果表明,只要部件的偏转半径达到厘米量级,就可以实现分辨力达10-9rad数量级的角位移传感。     

精密宏微复合绝对式光栅尺设计与研究

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量。采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量。实验证明,高精度低速绝对位置测量过程中测量精度可达0.6 m,在测量中使用新型高速与低速的变速切换测量方式,综合测量速度最高可以达到2 m/s。     

大型航天三线阵立体测绘相机精度敏感因素的分析

大型航天三线阵立体测绘相机是由具有独立镜头的三个线阵相机组成的,三个线阵相机保持一定的位置关系是大型航天三线阵立体测绘相机的特点。分析了角位移和线位移对大型航天三线阵立体测绘相机的高程测量精度和平面测量精度的影响,获得了大型航天三线阵立体测绘相机设计制造中的敏感因素,为保证大型航天三线阵立体测绘相机测绘精度的实现,降低设计制造难度和成本指明了努力的方向。     

大视场电视经纬仪摄像系统的标定研究

利用电视经纬仪的跟踪测量功能，以平行光管作为目标，实现了对摄像系统重要参量的精密测量.结合高准确度轴角编码器，可以对焦距进行标定.通过方位和俯仰方向的角位移，利用镜头畸变的轴对称性，可以确定光轴的位置.对整个视场进行抽样采点，得到一个畸变的网格场，通过拟合得到畸变系数，可以进行高准确度畸变修正.