光纤端面参数自动化测量系统的研究

为快速、准确、方便地进行光纤端面几何参数的测量,在数字图像采集和处理的基础上,研究和设计了光纤端面参数自动化测量系统。介绍了采用图像处理方式进行光纤端面几何参数自动测量的基本原理。对比了Canny边缘检测法和高通滤波法对光纤图像进行边缘检测的效果,体现出高通滤波在光纤端面图像处理中的优势。针对普通光纤、保偏光纤和光子晶体光纤不同的端面形状,设计出利用图像处理方法自动测量各种光纤端面几何参数的软件系统。结果表明该系统可有效地测量出各类光纤端面的几何参数。     

光谱吸收型光纤多气体传感系统

基于气体的近红外吸收机理，研究了一种可以检测多种气体的全光纤传感方法，采用光纤光栅波分复用技术．通过光纤光栅和压电陶瓷（PZT）对宽带光源LED进行波长调制，获得与相应气体吸收峰相对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现对多种气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光路干扰。建立了谐波检测的数学模型，进行了光纤C2H2和CO气体测量系统的实验研究。     

表面粗糙度光纤传感器检测装置的研究

一、引言在CIMS 中,表面粗糙度是监控加工过程和工件质量的最重要的参数之一。虽然目前的轮廓仪可以精确地检测表面粗糙度,但它不适用于自动制造中的在线测量和控制,而且对于超精加工而言,往往不允许进行具有破坏性的接触式测量。为此,人们一直试图开发非接触式的光电方法和装置来检测表面粗糙度。虽然强度型光纤传感器具有结构简单和价格低廉等优点,但光源光强的漂移以及某些干扰光对传感器的信号稳定性有极大的影响。如果能够有效消除这种影响,使测量信号足够稳定,则这种传感器应用的前景将是十分广阔的。采用强度型光纤传感器检测表面粗糙度是基于散射的原理,所以测量结果不仅与工件的加工质量有关,而且也与工件表面的清洁程度直接有关。因此,在采用光电法检测表面粗糙度时,工件表面的清洁处理必须规范化,这对于确保测量重复性至关重要。     

视线跟踪系统中CCD摄像机的自适应调节

分析了视线跟踪系统中光源、摄像机、眼睛角膜及光斑的几何位置关系,提出了眼睛跟踪策略和一种调光、变焦、聚焦相结合的CCD物镜自动调节方法。对捕获图像进行处理,依据图像灰度均值控制光圈,以适应外部环境光强变化;利用SMD算子大步幅快速粗聚焦,提取图像中光斑信息控制云台瞄准、跟踪眼睛,并进行变焦控制,可在用户头肩图像中自动定位眼睛,适应用户头部位置变化;在眼睛区域自动确定检测窗,在检测窗内使用FSWM聚焦算子判断图像清晰度,实现自动聚焦。若图像中能提取瞳孔信息,则依据瞳孔边缘梯度均值实时调整聚焦。实验表明,在不同外部环境光强及用户在不同使用位置情况下,CCD摄像机通过自适应调节,可实时跟踪眼睛并捕获到清晰眼睛图像。     

光强自动补偿型光纤转角传感原理

本文采用了双路光纤接收方法，提出了一种可实现光强自动补偿的光纤转角传感器原理。从理论上分析了该传感装置的补偿机理，给出了特性调制函数。实验结果表明，该传感装置可有效地补偿光源强度的变化对测量结果的影响。     

采用高精度自动定心机构的大尺寸内径测量

圆心定位精度是非接触式大尺寸内径自动测量系统的重要参数,高精度圆心定位是提高系统测量精度的关键。研制了具有高精度自动定心机构的大尺寸内径测量系统,利用双椎体主轴同步定心方法实现测量系统在被测轴孔内高精度自动定心,并通过调节定心支撑臂长度提高圆心定位精度。利用最小平方中值法剔除粗大误差,再利用最小二乘法拟合测量结果,提高了内径拟合精度。使用设计的大尺寸内径测量系统样机对内径直径582 mm的标准环规进行测量,并在大型工件加工现场进行了验证。实验结果表明,本系统的圆心定位精度可达0.012 8 mm,内径和圆度的测量精度可达0.001 mm,标准环规测量重复性稳定在0.006 mm以内,现场测量重复性稳定在0.007 mm以内,能够正确反映大尺寸轴孔的内径和圆度参数,满足测量要求。     

保偏光纤模场直径和数值孔径测试研究

基于光纤测量远场法原理测量光纤远场光强分布。通过改进远场法得到光纤的远场光强分布后,同时计算得到保偏光子晶体光纤的模场直径和数值孔径,使测量装置实现集成化和简便化。通过光束测试仪测量光纤的出射光强分布,光束测试仪测量的是光纤中心最大光强点的两个垂直方向上的光强分布。保偏光子晶体光纤的出射光斑是椭圆的,每个方向的模场直径、数值孔径分布并不相同。传统的测试方法不能解决这个问题。通过旋转光纤测量光纤各个方向上的光强分布,然后计算各个方向上的模场直径,最后通过拟合各个方向上的模场直径得到保偏光子晶体光纤椭圆形的模场分布。实验测得保偏光子晶体光纤椭圆光斑长短轴的模场直径分别为7.5μm和4.2μm,数值孔径分别为0.159和0.276。     

图像清晰度评价函数的研究

为了实现更为高效、准确的光纤端面自动对焦,对现有图像的清晰度评价函数进行了研究,并在此基础上,提出了一种新的计算简便、抗噪性好的清晰度评价函数。采用光纤几何参数测试仪获得光纤端面清晰成像面前后等间隔的24帧光纤端面图像,利用不同的图像清晰度评价函数对这24帧图像进行计算,得到相应的调焦曲线并分析其单峰性、单调性和抗噪性。结果显示,所提的新评价函数具有更好的表现,对自动对焦技术具有一定的参考价值。     

双圈同轴光纤束传感器三维空间输出特性研究

针对航空发动机的实际故障特点,首先,分析了对航空发动机涡轮叶片三维叶尖间隙、包括叶尖表面径向间隙、轴向与周向倾角三维参数的变化信息进行光纤传感检测的需求;然后,针对拟采用的光纤传感器形式——双圈同轴光纤束传感器在反射面相对传感器端面存在径向间隙、空间倾角的情况下建立了三维空间输出调制函数模型,设计了接收光纤虚像端面与入射光斑的交叠面积补偿算法以及接收光纤虚像端面的平均光强修正算法;其次,对建立的传感器输出特性数学模型在反射面平行、仅存在轴向倾角、轴向周向均存在倾角这3种情况下分别进行了仿真计算,并与相同探头参数下的实验结果进行了对比分析;最后,对不同光纤传感器参数下的输出特性进行了仿真。结果表明,新建立的双圈同轴光纤束传感器三维空间输出特性数学模型不仅从理论角度还原出了传感器在反射面三维空间参数变化下的输出特性,还能指导不同三维空间位移测量应用下的光纤传感探头设计工作。     

光纤插针三维形貌检测中的干涉图像处理

对光纤插针端面干涉计量是测量其三维形貌和几何参数的一个重要而有效的方法,采用光纤端面干涉图像静态分析方法.首先,通过Canny算子边缘提取算法,得到干涉条纹的边缘,接着用改进的随机Hough变换算法检测出边缘曲线的参数,并结合等厚干涉物理模型得到光纤插针端面的各项参数,实验结果表明,这种检测方法的重复性误差在2%以内.而且能够在1s内完成一次系统计算。     

激光三角法内孔测量传感器的光学成像分析

为了实现对孔类零件特别是深孔零件的孔深测量,设计了一套激光内孔测量传感器.该传感器基于激光三角测量的方法,利用梯形棱镜的全反射特性将光路限制在狭窄的空间内,从而实现对深孔或盲孔的测量.针对该传感器的光学成像规律做出了深入的分析,并结合目前存在的问题提出了几种改进方案.实验结果表明:梯形棱镜能够较好地解决测量内孔时物理空...     

大粗糙度气缸套内孔直径非接触测量方法研究

为解决大粗糙度的气缸套实现内孔直径自动化测量这一问题,基于电涡流传感器进行了测量方案的设计,并针对机械结构建立了测量过程的数学模型,得到了由机械结构引起的理论误差公式;通过MATLAB绘制出机械误差的三维曲面图,并得到了机械误差小于0.01 mm时各相关变量的取值范围;通过试验验证了自动测量机与内径百分表之间的测量误差,最小值和最大值误差均处于±0.015 mm内,平均值误差处于±0.01 mm内。该气缸套的内孔直径公差为±0.075 mm,结果表明,自动测量机满足现场使用要求。     

深孔内轮廓尺寸光学测量系统

针对深孔类零件对内轮廓尺寸的检测要求较高,而目前所采用的测量方法不是分辨率太低就是测量效率较低的问题,研究了一种用于深孔内轮廓尺寸的光学测量系统,该系统主要由环形激光发生器、扩束锥镜、成像锥镜和CCD相机组成。环形激光发生器发出的环形激光照射到扩束锥镜上,经反射后投影到深孔内轮廓某断面处形成一个环形光斑,该环形光斑的形状反映了深孔内轮廓某一处断面的形貌,并经过扩束锥镜反射后在CCD相机的光敏面上成像,经过处理和计算可以得到深孔内轮廓的尺寸。试验证明,该系统可以有效快速地实现对深孔内轮廓尺寸的测量,并能够保证较高的测量精度,在改善误差影响因素和采取相应的误差补偿办法后,可以进一步提高测量精度。     

Φ25mm火炮身管直线度光电测量方法

基于激光准直和光电探测原理与技术,并借鉴象限探测法、精密机械、伺服控制技术和计算机技术研制了一种用于Φ25mm火炮身管直线度的光电测量系统.给出了系统的总体结构,对系统的测量原理进行了理论分析,得到了身管直线度的计算公式,建立了解决光电靶偏心的数学模型.并将测量系统应用于长1.15m的Φ25mm精加工孔标准件进行两组采样,每组采样步长为100mm.实测的结果表明:测量系统分辨率可以达到0.005mm,测量误差小于0.015mm,重复性测量精度优于±0.009mm,说明测量方法是可行的.     

基于机器视觉系统的光滑小孔成像方案设计

针对具有高光洁度、小尺寸内孔的铁路列车,用联轴节进行机器视觉系统成像方案设计。采用反射式取像机构与LED照明光源。分别用面阵CCD相机和线阵CCD相机进行实验。面阵CCD相机选用散射照明方式,线阵CCD相机选用直射照明方式。实验结果表明,取像机构稳定可靠,两种相机都可得到品质较好的图像。但在选择合适的照明方式之外,还要根据现场环境要求调整光照角度、光照距离等。对于小尺寸空间还应考虑光源的散热问题。     

航天密封圈智能测量与检测系统的集成

为了实现航天用O形密封圈的智能化全自动测量与检测,建立了双工位智能测量与检测系统,研究了大量程测量与曲面缺陷检测系统集成方案以及测量路径自主规划技术。首先,针对O形圈的柔性结构、曲面外形以及内径与截面直径之比跨度大的特点,提出基于多视场协同的双工位智能测量与检测方案,介绍了系统集成方法及其工作原理。然后,根据密封圈在大视场中的全景图信息及检测路径规划基本准则,导出了通用的小视场图像采集路径计算方法。最后,建立了密封圈检测路径的物理坐标与大视场图像坐标的映射关系,实现了系统的智能化全自动检测。实验结果表明:本集成方案能够对外形尺寸为Φ5.4~Φ140mm的O形圈进行智能化自主测量与检测,实际检测路径的位置与理想位置之间的平均误差为0.086mm;与手工测量和检测相比,效率提高了20倍以上,能够满足航天用精密密封圈的智能、高效、全自动测量与检测要求。     

环形光切测量法的亚像素技术

针对深孔内膛的检测,对环形光切的测量方法进行了介绍,对其测量原理进行了分析。为了提高断面形廓的检测精度并消除CCD的量化误差、饱和误差、激光的不均匀误差和“散斑”噪声等误差和噪声对检测结果的影响,提出了一种亚像素检测技术,该技术在环形光斑图像中“刻画”出一系列截线,对这些截线灰度分布进行连续重建、基于小波变换的理想估计和理想灰度极值点计算,并利用这些极值点得到环形光斑的理想灰度极值线的亚像素检测结果,从而实现深孔断面形廓的测量。该方法具有检测精度高(可达到0.1像素的位置精度),抗噪能力强,没有数据的缺失和冗余现象,能够检测复杂的断面形廓等特点,对于具有一定复杂程度的深孔内膛形貌检测具有重要的意义。     

基于双目立体视觉的孔心距测量

提出一种将双目立体视觉技术应用于孔心距测量的新方法,并开发了相应的测量系统。考虑到Hough变换非线性、速度慢的缺点,采用了最小二乘椭圆拟合算法计算孔心距。实验结果表明,该测量方法兼具高精度和高速度,可满足高精度实时在线测量的需要。     

基于市售设备的结构光系统模型及标定

在射影几何矩阵模型和三角法解析模型的基础上,结合市售数码相机和投影仪内部结构参数精度高、工作稳定的特点建立了结构光三维测量系统的实用数学模型。提出一种借助数码相机赋予投影仪"视觉"功能,向标定模板投射正交格雷码图案,从而确定DMD像面点和空间标准点对应关系的投影仪标定方法。作为上述数学模型的基础,设计了基于共线特征的校正模板,采用图像法将数码相机镜头畸变参数分离于系统参数之外单独标定。文中具体给出了数学模型、标定公式及校正模板,最后进行了标定、测量实验。仿真系统验证了方法的可行性,测量相对误差约为0.2%;实际系统平面测量相对误差小于0.7%,重构的复杂表面具有良好视觉效果。     

基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法

提出了一种基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法,用于测量烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒的含量。利用悬浮颗粒对光的散射,可以在不影响悬浮物颗粒特性的前提下,对其实现实时在线监测。另外,借助于参考光与测试光的直接差分放大,可以消除激光能量起伏以及其他扰动对测量的干扰。通过对激光在悬浮物颗粒中传播时衰减原理的研究,获取悬浮物颗粒质量浓度与光强衰减的关系,搭建了一套激光差分探测悬浮物质量浓度的实验系统,进行烟雾质量浓度的实际测量,验证了该测量方法的可行性。