旋转部件切向位移偏差实时监测系统及其关键技术研究

 控制套印误差是现代印刷技术的重要课题,而印刷机滚筒在旋转过程中表面各点的切向位移偏差是套印误差产生的主要原因。为此,论文设计并实现了旋转部件切向位移偏差实时监测系统,该系统利用光电检测以及模/数混合信号处理方法实现了对印刷机套印误差的实时监测,可用于高精度印刷机械的研发与制造过程。系统采用了条形码编码技术、虚拟标尺技术、动态切向位移偏差实时测量技术以及自适应动平衡技术4项关键技术,测量精度可达到±10 μm。     

电气设备中远距离荧光测温技术研究

为了实现对高压电气设备的非接触温度监控,设计了中远距离(0~1.5m)非接触荧光光纤测温系统.该系统利用稀土荧光材料的荧光温度特性,通过测量物体表面荧光物质的受激荧光寿命获得物体的温度信息;通过增加聚光透镜和聚光锥罩,提高探测器接收到的光能量.实验获得荧光强度曲线及被测对象温度,实现了对温度的非接触实时测量,测量误差低于1℃,满足高压电气设备的非接触温度监控要求.     

三维时域散斑动态干涉测量系统的集成化设计

三维电子散斑干涉技术（3D ESPI）具有非接触、高精度、高灵敏度和全场测量等优点,被广泛应用于许多领域。为了实现非接触动态全场三维测量,设计并建立了一个紧凑、完备的三维测量系统。用一个多波长光纤耦合激光器代替3个独立光源,产生的离面、面内散斑干涉图仅用一台彩色CCD相机就能捕捉和处理;整个测量系统采用笼式结构,具有高度的灵活性和稳定性;对基于小波变换的相位展开算法进行了编程,实现了被测物体三维位移信息的完整提取。实验证明该测量系统可以实时获取被测物体的三维位移,在测量实验中,获得的三维位移值17.68 μm、36.23 μm、13.85 μm,相比于实际位移值18.1 μm、36.4 μm、14.0 μm它们的绝对误差分别为0.42 μm、0.17 μm、0.15 μm,相对误差分别为2.3%、0.5%、1.1%。     

一种基于结构光条纹投影的微小物体测量系统

为了通过结构光投影的方法测量微小物体,构建了一套微小物体三维形貌测量系统,视场范围可达1.8 cm×1.6 cm。这套测量系统利用了Light Crafter 4500数字投影组件的高速投影、立体显微镜的低畸变缩放、远心镜头的大景深与低畸变成像的特性。先利用立体显微镜对Light Crafter 4500投影的相移条纹图进行低畸变缩小,再投影到待测物体表面,采用配有远心镜头的相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,利用三步相移法计算出条纹对应的截断相位图,再根据可靠路径跟踪相位展开算法求取连续的相位分布,重建被测物体的三维表面形貌。实验成功重建了以BGA芯片为代表的微小物体表面三维形貌。实验结果表明,系统测量精度达到11 μm,系统的有效深度测量范围为700 μm。     

基于哈特曼波前传感器的非制冷红外成像光学读出系统

提出了一种新的基于哈特曼波前传感器(SHWS)的光学读出系统.该系统利用SHWS探测焦平面阵列(FPA)单元在受热前后反射波前斜率的变化量重构被探测物体的红外辐射图像.在理论上详细讨论其成像性能后,实验获得了单元尺寸为60 μm×60 μm,阵列大小为34 pixel×38 pixel的高温物体红外图像,其噪声等效温度差(NETD)约为3.8 K.优化系统参数设计,可以提高哈特曼波前传感器对到达角的测量精度进而获得更小的噪声等效温度差.     

多光通道条纹投影系统误差测量与补偿

基于相位计算的多通道三维测量技术由于同时使用多个光通道,通道间串扰和色差、镜头畸变以及器件非线性响应等多种误差耦合在一起,影响测量效果和检测精度.针对该问题,从采集图像的误差类型出发,将误差分为图像像素亮度与实际亮度之间的光强误差和图像像素空间分布的位置偏差,以此分别构建了光强误差关系和位置偏差关系并对检测系统进行定量测量.最后提出一种系统误差补偿方法,利用建立的误差关系修正了采集图像光强亮度和像素位置偏差,同时补偿了上述误差对测量结果的影响.实验结果表明,利用本文提出的误差补偿方法对标准台阶进行多通道三维形貌测量,测量误差从0.678 mm减小到0.031 mm,该方法对此类系统的高精度三维测量具有实用价值.     

基于组合标准器的显微CT系统测量方法研究

为保证显微CT系统测量精度,采用标准器与样品共同测量的方式设计了可用于共同测量的组合标准器,提出显微CT系统测量过程中修正比例误差与阈值误差的方法。在不改变显微CT系统扫描参数的情况下,对航空航天常用的轻质材料聚四氟乙烯样品进行独立测量,并与基于组合标准器的测量进行对比实验。结果表明,基于组合标准器的显微CT系统测量方法较样品独立测量方法有效减小测量误差1 μm～4 μm,鲁棒性好。     

基于多向联合交汇的柔性视觉形貌测量新方法

针对大尺寸物体形貌测量应用,设计一种视觉形貌测量新方法。该方法是将两套没有公共视场的单目视觉传感器组合起来联合交汇,分别用于位姿测量和单目多位置交汇测量。位姿测量通过求解PnP问题为单目多位置交汇测量提供位姿信息。单目多位置交汇测量利用位姿测量提供的辅助信息通过光束平差解算出待测物的形貌。分析了系统原理,给出位姿测量PnP算法实现过程,介绍了非公共视场相机的标定方法原理,分析了单目多位置交汇测量的原理并给出实现方法。最后进行了测量方法的验证实验,实验结果表明,在3 m×3 m的工作范围内系统测量精度为5 mm,证明该方法可以用于大尺寸物体形貌测量,且结构简单轻便,具有很强的灵活性。     

基于双目视觉的多点三维振动测量系统

振动测量是现代制造业发展的关键技术之一,在军事、工业、农业等方面具有重要的应用意义。为了实现大视场、高效率的非接触式测量,基于双目视觉原理设计了一种多点三维振动测量系统。在待测物体表面粘贴多个标志点,对左右相机图像上的标志点进行多点同步准确匹配计算得到其空间三维坐标,实现三维测振。选取五个标志点进行实验,结果表明,测量误差最大为91μm/m,可满足大多数振动测量的要求。     

基于线结构光的视频内窥镜测量技术

针对视频内窥镜的测量需求，提出了一种基于线结构激光照射的测量技术。采用线激光作为定标光照射物体表面，建立了线结构光成像模型，标定了不同物距时的放大率和图像中线位置间的比例系数。通过构建测量平台计算了物体的几何参数，实验结果表明测量误差在10%以内，能够满足视频内窥镜观测和测量要求。     

高陡度薄壁光学零件在位测量与评价方法研究北大核心CSCD

为了满足空气动力学要求,采用共形薄壁结构的整流罩或光学窗口成为未来高速飞行器的发展趋势。但是这类零件在加工过程中,切削力会随着轴向位置发生改变,一次加工难以达到精度要求,需要通过在位测量、补偿加工来控制切削力变化所引起的面形误差。以超精密车床作为运动平台,设计高陡度薄壁光学零件的在位检测系统,研究测点分布的优化算法,实现测量效率和测量精度的统一;建立热变形误差修正模型,提高高陡度薄壁光学零件在位测量的精度。针对某型高陡度薄壁头罩,通过在位测量为补偿加工提供指导,将头罩表面误差由峰谷比(peak-tovalley,PV)3.1μm控制到PV 0.7μm,将同轴度控制到1.02μm,满足光学系统的性能要求。     

特大非球面度离轴非球面补偿器结构设计与装调

针对快焦比特大非球面度离轴非球面反射镜,设计了3片式Offner补偿器。为应对3片式补偿器对中心偏差及镜间隔严格的公差要求,设计了相应的补偿器镜筒结构。该结构使透镜中心倾斜及平移调整相分离,实现补偿器的高精度装调。根据中心偏差测量仪的测量结果,2片补偿镜之间倾斜误差4.4″,平移误差3.5 μm, 镜间隔误差3.8 μm;补偿镜组与场镜之间倾斜误差5.3″,平移误差4.2 μm, 镜间隔误差7.2 μm,满足检测使用要求。利用该补偿器及4D动态干涉仪对精抛光阶段的离轴非球面进行检测,面形结果PVq值达到0.135λ,RMS值达到0.019 5λ,优于设计要求。     

在线测量表面粗糙度的共光路激光外差干涉仪

一种新型的、用于在线测量表面粗糙度的激光外差干涉仪已研制完成。该仪器体积小（２５ｃｍ×２０ｃｍ×１０ｃｍ）、抗外界环境干扰能力强。仪器以稳频半导体激光器作为光源。共光路设计,使测量光和参考光沿同一路径入射到被测表面上。计大数和测小数周期相结合的外差信号处理方法,实现了大的动态测量范围和很高的测量分辩率。同时还采用了全反射临界角法进行自动聚焦。该仪器的纵向和横向分辨率分别为０．３９ｎｍ和０．７３μｍ;自动聚焦范围为±０．５ｍｍ,在焦点±２５μｍ范围内,聚焦精度为１μｍ;８０分钟内整机稳定性：３σ＝１．９５ｎｍ。     

单线阵CCD相机双激光器立靶测量系统误差分析

为提高单线阵CCD相机双激光器立靶测量系统的坐标测量精度,为系统设计提供理论和实验依据,对系统测量误差进行了理论分析,在建立系统数学模型的基础上,推导了系统测量误差公式,采用Matlab软件对测量误差进行了仿真,获得了各误差影响因素对着靶坐标测量误差影响的大小和趋势,以及1 m×1 m靶面内的误差分布,并通过模拟实弹实验对误差分析结果进行了实验验证,实验结果表明,x坐标测量误差的标准差σ_x为4.1 mm,y坐标测量误差的标准差σ_y为10.2 mm,模拟实弹实验坐标测量误差与理论分析结果一致。     

分光路二维剪切干涉强激光腔镜变形检测系统

介绍一种分光路二维剪切干涉光电检测系统。该系统实现了两正交方向(二维)同时进行检测与计算机自动化数据处理;采用了一系列消噪声措施和两图像相减等技术,使得波前重构中能较好地采用简单的数值积分方法;并得到了在士10μm的测量范围内,方差不超过0. 257μm和0. 05μm的灵敏度。利用该系统成功地对强激光腔镜变形过程实现了动态检测。     

垂直扫描白光干涉术用于微机电系统的尺寸表征

随着微机电系统的发展,器件设计和加工过程中的表征成为一个主要问题。提出了将扫描白光干涉表面轮廓测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上。测量系统采用了米劳显微干涉仪,利用压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向100μm范围内的精确扫描,并通过傅里叶变换算法获取条纹包络峰的位置,进而得到器件的整体集合尺寸信息,与相移干涉方法相比大大提高了测量范围。通过测量纳米台阶对该系统进行了精度标定,测量重复性在亚纳米量级。最后通过测量微谐振器和微压力传感器的几何尺寸说明了该方法的功能。     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

Non-contact thickness measurement for ultra-thin metal foils with differential white light interferometry

A new differential white light interference technique for the thickness measurements of metal foil is presented. In this work, the differential white light system consists of two Michelson interferometers in tandem,and the measured reflective surfaces are the corresponding surfaces of metal foil. Therefore, the measuring result is only relative to the thickness but not the position of metal foil. The method is non-contact and non-destructive, it has the advantages of high accuracy, fast detection, and compact structure. Theoretical analysis and preliminary experimental verifications have shown that the technique can be used to measure the thickness of foil in the range of 1 to 80 μm with accuracy better than 0.08 μm.     

连续变焦大气相干长度测量系统设计

望远镜在大气光学参数测量中起到至关重要的作用,测量方法是通过跟踪恒星或者信标实时测量数据。基于不同速度信标的移动特点,需要设计3 m~6 m变焦大气相干长度测量系统用于大气相干长度的测量,设计波段为可见光486 nm~656 nm,探测元全视场11 mm,入瞳直径300 mm。利用光学设计软件设计出一款折返式变焦望远系统,光学结构由卡式望远系统和三组元机械补偿式连续变焦系统组成,系统结构简单,成本低,凸轮曲线平滑,压力升角均小于45。系统可对变焦焦距数据实时输出,适合于快速和慢速不同场合下实时进行大气参数测量。     

基于双天线的高精度GPS定位测向系统及其在无人水面艇上的应用

介绍了一种基于双天线的高精度GPS定位测向系统,该系统可以实现精确定位、测向。分别从硬件和软件两个方面详细介绍了双天线GPS定位测向系统,双天线GPS系统的硬件部分主要由GPS接收机、主天线和从天线组成,GPS接收机内置OEM板和底层通信板,软件部分主要解析GPS数据处理模块的软件工作流程。通过静态实验和动态实验分析系统定位、测向的精度,实验数据表明静态实验的经度的标准偏差为0.3155米,纬度的标准偏差为0.1962米,第一次静态实验的测向标准偏差为0.0981°,第二次静态实验的测向标准偏差为0.0926°。最后,将此系统应用到无人水面艇,进行直线路径跟踪水上试验。