激光跟踪仪转镜倾斜误差的标定及修正

为了提高激光跟踪仪的测量精度,分析了跟踪仪的几何结构误差,重点研究了其转镜倾斜误差的标定和修正方法。利用矢量分析和坐标转换相结合的方法建立了跟踪仪转镜倾斜误差模型,推导出了跟踪仪几何空间坐标修正公式,并基于自准直仪、多面棱体和可调反射镜建立了高精度误差标定装置。利用标定装置分析了误差标定方法,通过系统仿真研究了转镜倾斜误差对系统测角误差及最终坐标测量误差的影响。利用误差标定实验检测出的系统转镜倾斜误差约为4″,将其带入坐标修正公式,并与修正前的坐标进行了比对分析。对比结果显示,经误差修正后系统空间坐标测量误差可减小约2×10-6,验证了转镜倾斜误差标定和误差修正方法的有效性,表明利用该方法可在不改变系统硬件结构的基础上提高测量系统的测量精度。     

基于等差相位构建的多读数头位移传感器研究

目前多读数头位移传感器大多采用均布或等比方式进行排列,对读数头的加工和安装精度要求非常高,实现困难。文中提出了一种在不增加加工和安装难度的情况下实现高精度多读数头测量的新方法。传感器制造时,多读数头按照感应信号相位等差的方式分布在同一个定子上并且共用一个转子,使得多个读数头角位移信号和误差信号的感应电动势具有高度的一致性,且在相位上表现出周期性的等差规律,降低了误差辨识和修正的难度,提高了传感器的测量精度。实验结果表明:经过多读数头误差修正后,传感器的误差可以控制在±2″以内。     

基于多读数头位移传感器误差自修正的研究

目前栅式位移传感器主要有光栅、容栅、球栅、感应同步器、旋转变压器、时栅等,提高其精度一般通过增加栅线密度和读数头数量来实现,或者依靠高精度母仪来检测和修正误差,但是这种方式对传感器的加工和安装要求高,或者传感器精度长时间保持性差。本文针对上述问题,提出了基于等差相位构建正交信号、实现多读数头测量、误差特征参数自辨识和误差自修正的新方法,该方法不增加加工和安装难度,定子和转子的槽数接近,多读数头有机集成在同一个定子,使读数头的一致性好。实验结果表明:基于等差相位构建多读数头误差成分少,通过多读数头误差特征参数自辨识和误差自修正后,传感器的误差可达到±1.9″。     

应用于Φ300 mm平面反射镜的精密二维转台轴系设计

在轨组装望远镜的光学检测系统主要包括子镜拼接精度检测系统和系统波像差检测系统,这两种检测系统共用一组Φ300 mm平面反射镜,为了实现平面反射镜的精密切换,研制了一套基于通用P2级精密轴承的二维转台。首先,对轴系进行了结构设计并详细说明了装配工艺;然后,构建了理论计算模型对所设计轴系精度进行了定量分析。结果表明,俯仰轴系最大晃动误差为2.36″(PV),方位轴系最大晃动误差为0.56″(PV)。最后,利用傅里叶谐波分析方法对俯仰轴系、方位轴系进行了精度检测,检测结果表明,俯仰轴系最大晃动误差为2.5″(PV),方位轴系最大晃动误差为0.6″(PV)。利用对径相加读数法对两轴垂直度进行了检测,检测结果表明,两轴垂直度误差为1.5″。测试结果验证了结构设计和理论计算模型的合理性。     

双读数头圆光栅偏心参数标定修正算法

圆光栅安装偏心误差是影响圆光栅角度测量精度的关键因素,偏心误差补偿是提高角度测量精度的重要方法。为准确辨识和补偿圆光栅安装偏心误差参数,在建立的圆光栅偏心误差模型基础上提出了一种双读数头平均误差补偿方法,对读数误差进行修正,并对测量与修正模型进行仿真实验。使用正23面棱体与光电自准直仪搭建实验装置,对所提方法的测量补偿效果进行验证。实验结果表明:采用所提出的补偿修正方法能够有效补偿圆光栅读数头读数偏差,圆光栅的测角精度达到1″以内。     

多读数头位移传感器原理及误差谐波修正

为提高传感器的精度,提出了一种构建多读数头位移传感器的方法,在不增加刻线槽的情况下,可大幅提高传感器的对极数,该传感器误差成分比传统传感器的谐波误差成分少,且谐波误差幅值小,有利于提高传感器的精度。详细研究了传感器误差组成和误差谐波修正法理论,提出了对极内单点采样的误差修正方法。与对极内多点采样修正方法相比,误差修正效果一致,但采样点数较少。通过试验证明,对极内单点采样误差修正方法可提高传感器的精度。     

纳米精度二维工作台测量镜的面形误差在线检测

针对二维工作台测量镜本身的面形误差以及装调等因素引起面形变化对二维工作台定位精度的影响,提出了一种用于纳米精度二维工作台测量镜面形误差的在线检测方法。利用两路激光干涉仪检测面形微分数据的基本原理,分析了零点误差和积分累计误差对测量镜面形误差检测的影响并提出了改进方法。利用三路激光干涉仪组成两组不等跨度的检测机构,得到两组工作台测量镜面形的原始数据,通过这两组数据之间的关系修正跨度间的面形细节误差,得到了精确的测量镜面形误差量。对此方法进行了理论推导、仿真计算和实验验证,并将结果与Zygo干涉仪测量得到的离线检测结果进行了对比,结果显示其差异在±10nm之间,且趋势有较好的一致性。得到的结果验证了提出的方法可正确测量和真实地还原测量镜的面形误差。     

基于数字图像相关的光学引伸计应变测量精度研究

基于数字图像相关(DIC)方法的光学引伸计在应变测量领域有着广泛的应用。为了提高数字图像相关方法的测量精度,本文采用二维DIC与三维DIC的光学引伸计、基于双45°反射镜成像的二维光学引伸计以及电测法,对单轴拉伸试验中不锈钢试件的应变进行同时测量,比较分析了各个光学引伸计在测量轴向与横向应变方面的优劣以及误差产生的原因。实验结果表明:试件离面运动的存在大幅降低了普通二维光学引伸计的应变精度;基于双45°反射镜成像的二维光学引伸计可以有效消除离面刚体位移对测量结果的影响,其应变测量精度(尤其是横向应变精度)高于其他光学引伸计,且测量结果与电测法的测量结果高度吻合;三维DIC光学引伸计的横向应变精度明显不如轴向应变精度。     

Seya-Nanioka系统真空紫外单色仪的分辨能力及波长读数精度

本文分析了Seya-Namioka系统光学参数与离焦量的关系,为选取最佳光学参数提供了依据。同时,简要说明了影响谱线质量及波长读数精度的因素,并讨论了补偿波长读数误差的方法。     

数字莫尔移相干涉仪误差多点标定与修正研究

干涉测量在现有的光学元件面形检测方法中具有测量精度高的优势,应用相对广泛。但干涉仪元件的加工和装调误差会降低面形检测精度。提出一种利用夏克哈特曼波前传感器对实际干涉仪系统进行多点标定的方法,利用波前标定数据在光学设计软件ZEMAX中实现对虚拟干涉仪系统的修正,结合数字莫尔移相算法,消除实际干涉仪加工和装调误差的影响。选取平面镜和可变形镜作为待测镜分别进行面形测量实验,结果表明,标定和修正后的数字莫尔移相干涉仪系统检测精度提高,与Zygo干涉仪的检测结果相比,面形趋势保持一致且峰谷值(PV)值误差相差在0.07λ(λ=532 nm)以内。     

基于牛顿反射式红外系统的二维转台的结构设计与有限元分析

针对轻武器红外光学瞄具稳定性检测的需求,设计了一种基于牛顿反射式红外系统进行工作的电动二维精密转台。利用CATIA建立了电动二维精密转台的三维模型,该二维精密转台采用小型二维U形转台结构形式,采用直流力矩伺服电机直接驱动和24位绝对式轴角编码器进行角度测量。通过有限元分析软件PATRAN对转台的关键部件进行热力学分析与模态分析,获取转台的应力分布云图。云图结果表明,其设计方案可行,结构合理。     

中阶梯光栅光谱仪自动化波长提取算法

基于质心提取的线性拟合法,提出了一种自动化快速处理中阶梯光栅光谱仪谱图的方法,解决了中阶梯光栅光谱仪无法直接通过交叉色散形成的二维光谱图标定入射光波长的问题。根据中阶梯光栅光谱仪光谱图背景光的分布特点,采用背景扣除法处理光谱图,提高了后续光谱图光斑提取算法的运算效率。利用基于质心的曲线拟合中心定位算法,将光斑位置的提取精度提高到亚像素量级。建立了中阶梯光栅光谱仪理论谱图与实际二维谱图的自动匹配模型,并根据光栅的线性色散特性,采用插值法计算谱图还原模型中未列出的坐标位置处的波长。实验结果表明:该算法对整个谱图的处理时间不超过3s,波长提取精度达10-2 nm,不仅实现了中阶梯光栅光谱仪波长的自动化提取,还提高了波长提取精度。     

光面位置测量仪及研制

对二维视觉传感器和现有标定方法进行了简单介绍,建立了标定模型。基于模型介绍了标定调整方法,研制了光面位置测量仪,即利用了光电二极管对光强感应的原理。详细介绍了光面位置测量仪的结构,包括机械部分和电路部分,并进行了误差分析。此测量仪操作简单,克服了以往方法的复杂繁琐。经实验验证,测量仪的重复性误差达到1.03°,达到应用系统的要求。     

用于星载激光通信终端的绝对式光电角度编码器

针对星上激光通信终端二维转台的精确控制,设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标,分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中,格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分,实现了编码器24位的绝对角度测量;四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸;分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明:该测角系统的角度测量精度约为0.7″(优于1.0″)。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥,进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高,满足星载激光通信终端设备的应用要求。     

基于无衍射光束的水平方位角测量方法研究

利用无衍射光束、透镜组和CCD相机建立一种水平方位角测量方法,以提高水平方位角测量的精度和稳定性。给出了水平方位角测量模型的构成和测量原理,阐述了整体测头的结构设计方案。对该测量方法精度及其影响因素进行了分析,同时用Zemax模拟成像系统光路并对光路进行优化仿真。与目前工程测量中普遍采用的方法相比,该测量方法能够获得更高的测量精度和稳定性,可用于盾构机的水平方位角测量、轴系校中曲线轴系布置等工程。     

六自由度压电微动平台测量系统开发

针对精密机械以及精密加工等领域需要纳米级的定位精度,开发出由三组二自由度高精度测量模组组成的六自由度压电微动平台。该平台通过NI软硬设备的有效整合,改变压电制动器移动量,调整微动平台六自由度实现定位。通过三组二自由度测量模组输出的二维光点坐标,测量六轴微动平台位移参数。同时对各模组的安装误差采用正角度补偿和雷射角度补偿,以满足平台高精度需求。经过综合测试表明,系统线性解析度达到10nm,角度解析度为0.1arcsec,系统位移跳动量0.022μm,角度跳动量为0.06 arcsec,能达到即时精确定位。     

Novel Method for Spatial Angle Measurement Based on Rotating Planar Laser Beams

Spatial angle measurement,especially the measurement of horizontal and vertical angle,is a basic method used for industrial large-scale coordinate measurement.As main equipments in use,both theodolites and laser trackers can provide very high accuracy for spatial angle measurement.However,their industrial applications are limited by low level of automation and poor parallelism.For the purpose of improving measurement efficiency,a lot of studies have been conducted and several alternative methods have been proposed.Unfortunately,all these means are either low precision or too expensive.In this paper,a novel method of spatial angle measurement based on two rotating planar laser beams is proposed and demonstrated.Photoelectric receivers placed on measured points are used to receive the rotating planner laser signals transmitted by laser transmitters.The scanning time intervals of laser planes were measured,and then measured point's horizontal/vertical angles can be calculated.Laser plane's angle parameters are utilized to establish the abstract geometric model of transmitter.Calculating formulas of receiver's horizontal/vertical angles have been derived.Measurement equations' solvability conditions and judgment method of imaginary solutions are also presented after analyzing.Proposed method for spatial angle measurement is experimentally verified through a platform consisting of one laser transmitter and one optical receiver.The transmitters used in new method are only responsible for providing rotating light plane signals carrying angle information.Receivers automatically measure scanning time of laser planes and upload data to the workstation to calculate horizontal angle and vertical angle.Simultaneous measurement of multiple receivers can be realized since there is no human intervention in measurement process.Spatial angle measurement result indicates that the repeatable accuracy of new method is better than 10".Proposed method can improve measurement's automation degree and speed while ensuring measurement accuracy.     

改进的精密测角法标定面阵摄像机参数

改进了用于标定线阵摄像机的传统精密测角算法,标定用于面阵摄像机的参数。该算法利用两束平行光之间的夹角和投影在摄像机上图像点之间的对应关系,在给定一个预测摄像机主点的基础上计算它和实际主点之间的偏差以及摄像机焦距。分析了图像特征提取误差对于平行光夹角测量精度的影响,并给出一种基于平行光夹角误差最小的最优估计,从而进一步提高摄像机内部参数的标定精度。通过仿真实验分析了图像特征提取精度和平行光夹角测量精度对摄像机参数标定精度的影响。结果显示,当图像特征提取精度为0.1pixel,二维转台精度为0.5″时,主点标定精度可以达到0.56pixel,焦距标定精度可以达到0.06mm。利用精度为0.5″的二维转台对摄像机参数进行了实际标定,通过分析像点和标定结果所计算的平行光夹角和实际测量的平行光夹角的误差,可知本文算法的误差是经典精密测角法的68.6%,由此证明该算法对于面阵摄像机参数标定具有更好的结果。     

采用玻尔兹曼统计法分析光阱刚度的测量精度

考虑高精度的光阱刚度测量是光阱力测量的关键,本文提出了采用玻尔兹曼统计法来分析光阱刚度的测量精度。首先,描述了实验室搭建的近红外光镊系统,并将其搭建在暗室中的气垫平台上,以便隔离光干扰和振动干扰。然后,用四象限光电探测器探测被光镊捕获的微球向后散射的光,并选用与溶液黏度无关的玻尔兹曼统计法计算样品池底面附近的光阱刚度。最后,分析和讨论了溶液温度的变化、四象限光电探测器的灵敏度、采样频率以及采样时间对光阱刚度测量精度的影响。理论分析及实验计算显示:溶液温度的变化对光阱刚度的测量影响很小,但四象限光电探测器的灵敏度对光阱刚度测量精度影响较大。考虑采样的完整性和数据处理速度,采样频率通常取为被捕获颗粒拐角频率的5~10倍。对于本文搭建的近红外光镊测量系统,采样时间取为1~7s时,可以保证高精度地测量光阱刚度。     

Expanded beam deflection method for simultaneous measurement of displacement and vibrations of multiple microcantilevers

Here we present an extension of optical beam deflection (OBD) method for measuring displacement and vibrations of an array of microcantilevers. Instead of focusing on the cantilever, the optical beam is either focused above or below the cantilever array, or focused only in the axis parallel to the cantilevers length, allowing a wide optical line to span multiple cantilevers in the array. Each cantilever reflects a part of the incident beam, which is then directed onto a photodiode array detector in a manner allowing distinguishing between individual beams. Each part of reflected beam behaves like a single beam of roughly the same divergence angle in the bending sensing axis as the incident beam. Since sensitivity of the OBD method depends on the divergence angle of deflected beam, high sensitivity is preserved in proposed expanded beam deflection (EBD) method. At the detector, each spot's position is measured at the same time, without time multiplexing of light sources. This provides real simultaneous readout of entire array, unavailable in most of competitive methods, and thus increases time resolution of the measurement. Expanded beam can also span another line of cantilevers allowing monitoring of specially designed two-dimensional arrays. In this paper, we present first results of application of EBD method to cantilever sensors. We show how thermal noise resolution can be easily achieved and combined with thermal noise based resonance frequency measurement.