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。     

干涉显微镜中相移误差分析

相移误差是影响干涉显微镜测量表面形貌精度的主要因素之一。介绍了四帧算法、五帧算法、四帧免疫算法、五帧免疫算法的原理和计算公式 ,并对其特点进行了分析比较。利用自行研制的带旋转检偏器的干涉显微测量系统 ,分别用四种算法对Ra=0 35μm和Ra=0 .0 9μm粗糙度样块进行了实测。结果表明 ,五帧算法的重复测量精度优于0 5nm ,五帧免疫算法的重复测量精度优于 0 3nm。同时对在普通干涉显微镜上进一步提高其测量精度做了初步探讨     

基于飞秒激光模间拍频法的大尺寸测距方法

本文基于飞秒激光模间拍频法实现多波长相位式绝对距离测量, 通过改变光频梳重复频率合成波长扩大测距量程, 并采用监测臂和双快门切换系统补偿和消除由电路产生的相位差单向漂移和大幅抖动. 实验中以20倍重复频率的拍频进行测量, 在30 min内相位测量的标准偏差为0.022°; 与双频激光干涉仪比对1125 mm行程内位移测量结果, 测距精度优于50 μm; 实验验证了合成波长方法扩大量程方案的可行性, 获得的测距重复性优于3 μm, 该系统理论上可扩展量程至7.5 km.     

第二代高温超导长带传输临界电流表征及其对电压引线间距的依赖性

传输法(或四引线法)测量可直观、准确的体现超导材料临界电流特性.为表征第二代高温超导长带临界电流及其沿长度方向均匀性特征,本文以四引线法为基础,建立了动态传输法测量装置,并对该装置的重复稳定性进行了评估,同时,表征了第二代高温超导长带临界电流对电压引线间距的依赖关系.实验结果发现,重复性测量不确定度为0.74%(<1%),该装置具有良好重复稳定性,且测量速度达200～300 m/h,满足高温超导产业化测量需求;随着电压引线间距增加,第二代高温超导长带各测试段临界电流的最大值和最小值分别呈现逐渐减小和增加的趋势,平均值变化不大,保持稳定,其中最大值和最小值向平均值收敛;各测试段临界电流的标准偏差随电压引线间距的增加而减小,通过线性拟合得,标准偏差与电压引线间距关系为:s=3.47/L₂^0.36.传输法测量装置的建立及其关键参数电压引线间距对临界电流表征的影响研究,对推动第二代高温超导产业化进程具有重大意义.     

差动式彩色共聚焦粗糙度评定系统及实验研究

为了满足大范围表面粗糙度测量评定的需求,本文介绍了一种基于彩色共聚焦传感器的差动式非接触测量评定系统和方法。在所提出的系统中,两个彩色共聚焦传感器和一个光学平晶构成差动式测量系统,并通过球头球窝连接方式与机械运动平台耦合。使用这种差动式结构可以补偿机械运动平台的直线度误差,并可以有效地提高测量评定精度。在此基础上,本文建立了表面粗糙度测量、误差补偿和测量性能评估的方法。为了验证所提出系统的性能,对标准高度台阶量块和粗糙度量块进行了测量评定实验。台阶高度的测量实验结果表明,在60 mm的行程范围内,所提出系统6次重复测量的标准偏差s为0.16μm,相对标准偏差RSD为0.054%,机械运动平台的直线度误差得到了有效补偿;在测量粗糙度量块时,粗糙度参数R_a和R_q的测量误差分别为0.032μm和0.073μm。所提出系统的粗糙度测量评定能力满足大多数工程应用的需求。     

头盔显示器视差自动测量中眼位点的自动对准

自动测量头盔显示器的视差时，用CCD相机取代人眼的主观读取，由于机器视觉不如人眼灵活，CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的，从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点)，从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理，以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明，对测量精度与效率，对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明，该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点，定位精度为±0.071°，与摆头法测量视差系统进行对比实验，全视场视差测量效率高，重复精度高。     

基于双波长像面数字全息显微的微通道检测

针对微流控芯片通道三维形貌的可视化测量需求,搭建了一套反射式离轴双波长像面数字全息显微测量系统。首先,利用分辨率靶和标准样片对系统的横向、纵向分辨率和放大倍数进行标定实验,结果表明双波长全息显微系统在横向宽度及纵向深度测量中具有较好的准确性和可行性。然后,利用该系统分别对由PDMS材料制成的直通道、圆形小室结构微流控芯片以及硅基底微流控芯片通道进行三维形貌检测,并得到定量结果：直通道结构深度为48.6μm,宽度为75.8μm;圆形小室微通道深度为48.5μm,宽度为76.6μm;硅基底微流控芯片测量得到通道深度为61.6μm。上述结果与白光干涉仪的测量结果具有良好的一致性,说明双波长全息显微系统具有较高的可靠性和准确性,可为微流控芯片微通道检测提供新的成像检测方法。     

微尺度三维变形测量的显微数字图像相关系统

基于体式显微镜和数字图像相关法,提出并实现了一种用于对微小尺度材料进行全场三维变形测量的显微数字图像相关系统。针对体式显微镜标定,提出一种高精度的基于B样条曲面重构的成像系统畸变模型,该模型通过采集自主设计的高精度平面标定板图像,来构建无畸变图像平面和标定板平面之间关系,并以此确定空间B样条曲面形式。利用一种高效的对称亚像素细分法来实现数字图像的高精度匹配,并介绍了所提系统进行三维测量和分析的过程。实验结果表明,标定结果的平均重投影误差为0.03pixel,位移测量精度优于0.2μm,应变测量误差的标准差不超过100με。同时,实验结果也证实了该系统可以准确、全面地实现对微小尺寸材料表面的全场三维变形测量。     

基于参考透镜法的数字全息显微相位畸变校正技术

建立了数值与物理方法结合的参考透镜法,对离轴数字全息显微系统进行畸变相位校正.对离轴全息图进行频谱分析,通过频谱滤波、移位的数值方法对一次相位畸变进行校正.在参考光路中引入参考透镜,根据频谱中心能量判别参考透镜的轴向最佳位置,利用物理方法对多次相位畸变进行校正.在相位校正理论分析的基础上,结合实验用参考透镜法验证其有效性和准确性.微台阶表面形貌测量结果表明,参考透镜法能够准确校正相位畸变,通过校正的相位可以获取44nm标准微台阶形貌数据,测量标准差能够达到0.8nm,且测量结果与轮廓仪测量结果一致.表明参考透镜法能够有效、准确地校正离轴数字全息显微系统的畸变相位.     

一种全光纤啁啾脉冲放大系统设计

提出了一种全光纤啁啾脉冲放大系统,在理论分析的基础上,利用分步傅里叶法,通过求解非线性薛定谔方程,对由组合A(1m的DCF+2m的EDF+3.08m的SMF)与组合B(1m的DCF+2m的LMA-EDF+0.61m的SMF)分别构成的两个全光纤啁啾脉冲放大系统进行分段数值模拟,结果发现,将重复频率为100MHz、峰值功率为33.3 W、脉宽为300fs的种子脉冲经过组合A构成的放大系统后,变为重复频率为100 MHz、峰值功率为18 062.43 W、脉宽约为56fs的脉冲;而经过组合B构成的放大系统后,种子脉冲则变为重复频率为100 MHz、峰值功率为31 022.24 W、脉宽约为50fs的脉冲。     

基于掠入射法溶液浓度测量系统研究

根据溶液浓度与其折射率的关系,提出用掠入射法测量溶液浓度的方法.利用其临界光线的折射角进行透明介质溶液浓度的精确测量,研发出测量实验系统.分析了临界光线的折射角与其浓度的关系,给出溶液浓度与折射角之间的简单数学解析式.用该系统对5%-80%的甘油溶液进行测量,结果最大绝对偏差小于0.003%.     

圆形阵列光电探测系统双目标识别方法

针对双弹丸同时着靶情况下的立靶坐标测量问题,提出一种圆形阵列光电探测系统的双目标识别方法.采用光电探测器件组成1个圆形的探测阵列,并将3个发光角度均为60°的扇形一字线激光器均匀设置于圆形探测阵列上组成探测光幕.当2发弹丸同时穿过探测光幕时,会在圆形探测阵列上产生6个弹丸投影,通过信号处理电路识别6个弹丸投影的中心位置...     

多普勒测风激光雷达风场探测结果分析

为了验证自行研制的瑞利散射测风激光雷达的性能及应用价值,将激光雷达测量的风速风向廓线与探空气球测量结果进行对比,结果吻合得较好,高度10 km以下风速最大差距3.0 m/s,20 km以下最大差距4.5 m/s;风向除拐点外标准差最大32。连续探测结果显示了强劲的西风急流和风向转换特征,急流中心的高度一般在10~12 km,中心最大风速接近70 m/s,最小风速不低于30 m/s,20 km左右拐点最小风速不足1 m/s,20 km以上风速逐渐增加 ;在20 km以下风向为西风,在270左右变化,20 km以上为东风,在90左右变化。探测结果表明瑞利散射测风激光雷达既能跟踪大尺度季节性气候特征的变化规律,又能突出小尺度瞬态气候特征的形成、演化过程。     

基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义,对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法,且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报,但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力,通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场,能够提升风场垂直高度的准确性,改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法,根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像,通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场,对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较,分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00,06:00,12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200,300,400,600,650和1 000 hPa六组垂直高度风场,结果表明,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小,高层对20 m·s-1以上风速更敏感,地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1,最大不超过4 m·s-1,风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1,最大不超过4.5 m·s-1,风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差,以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。     

快速傅里叶变换与线性调频Z变换联合算法在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用

将快速傅里叶变换(FFT)与线性调频Z变换(CZT)联合变换的方法应用到法布里-珀罗(F-P)腔传感器的解调中,从理论上分析了该方法的解调原理及误差.模拟计算得出,该联合算法解调出的腔长的相对误差达到0.01%,腔长的最大绝对误差小于0.05 μm.在对测量范围为O～3 MPa的F-P腔微机电系统(MEMS)压力传感器进行的解调试验中,该算法可以辨别0.01 MPa的压力,腔长与压力数据的拟合度为0.99316,测量压力与实际压力的标准偏差小于0.005 MPa.实验结果表明,FFT与CZT联合解调的方法可以在较少计算量的基础上达到较高的精度,满足实际需求.     

单目显微视觉测头动态测量技术的研究

为了解决现有坐标测量机中的单目显微视觉测头视场小和景深小的缺点,提出了显微视觉测头的动态测量方法。建立了运动模糊图像的复原模型以及序列图像的全景组合模型,并提出了测量系统的自标定方法,标定重复性精度优于0.5nm。实验证明:该系统在以6mm/s的速度扫描测量时,测量重复性精度可达到5μm。     

Displacement measurement system for inverters using computer micro-vision

We propose a practical system for noncontact displacement measurement of inverters using computer micro-vision at the sub-micron scale. The measuring method of the proposed system is based on a fast template matching algorithm with an optical microscopy. A laser interferometer measurement (LIM) system is built up for comparison. Experimental results demonstrate that the proposed system can achieve the same performance as the LIM system but shows a higher operability and stability. The measuring accuracy is 0.283 μm.     

Research on cotton fiber qualities evaluation based on optoelectronic techniques

The fine and mature cotton fibers can make it possible to spin a finer yarn, and fineness and maturity of cotton fibers were essential qualitative characteristic, however, there was no direct or indirect measurement method that was both fast and reliable to estimate them. In this paper, a novel method was put forward to assess cotton fiber fineness and maturity based on optoelectronic measuring techniques. The experimental results were compared between the microscope measurement and system measurement and the linear fit results of two measuring methods of that linear fit were 0.98788, and standard deviation was 0.19081. Average cross-sectional widths of cotton samples measured by the microscope and the system had a fairly low correlation with the micronaire data. The linear fit results of the fiber maturity ratio of two measuring methods were 0.95587, and standard deviation was 0.33203. This method can be done in the lab and be used in the industry adherent to the present measurement instruments, for example AFIS, after improved.     

The Systematic Bias of Entropy Calculation in the Multi-Scale Entropy Algorithm

Entropy indicates irregularity or randomness of a dynamic system. Over the decades, entropy calculated at different scales of the system through subsampling or coarse graining has been used as a surrogate measure of system complexity. One popular multi-scale entropy analysis is the multi-scale sample entropy (MSE), which calculates entropy through the sample entropy (SampEn) formula at each time scale. SampEn is defined by the “logarithmic likelihood” that a small section (within a window of a length m) of the data “matches” with other sections will still “match” the others if the section window length increases by one. “Match” is defined by a threshold of r times standard deviation of the entire time series. A problem of current MSE algorithm is that SampEn calculations at different scales are based on the same matching threshold defined by the original time series but data standard deviation actually changes with the subsampling scales. Using a fixed threshold will automatically introduce systematic bias to the calculation results. The purpose of this paper is to mathematically present this systematic bias and to provide methods for correcting it. Our work will help the large MSE user community avoiding introducing the bias to their multi-scale SampEn calculation results.