压电陶瓷微位移的光干涉测量与控制系统

针对压电陶瓷的微位移检测,引入了基于多次反射的光路放大装置,有效提高了迈克尔逊干涉测量的分辨率。理论上分析了放大倍数、入射角和动镜定镜夹角的关系,并对光路的光学放大特性进行了仿真验证。同时搭建高精度光干涉位移测量系统,实现了压电陶瓷以22.6nm为步长的驱动与检测。该装置结构简单、易于控制,可应用于光学滤波系统的精确调谐。     

三自由度纳米磨削微定位平台的运动学特性

为了克服精密平面磨床进给系统分辨率低而难以实现纳米级磨削加工的不足,设计了一台三自由度微定位平台来实现纳米定位和振动误差动态补偿.该微定位平台采用3个高刚度压电陶瓷驱动器并联驱动,3个弹性铰链实现动平台的导向,利用3个高精度的电容式位移传感器测量动平台的实际位姿.为了深入研究三自由度微定位平台的运动学特性,分别利用欧拉角和RPY角描述动平台的姿态并基于空间解析几何理论,建立了微定位平台的正、逆解运动学模型,得到了传感器测量值和压电陶瓷驱动点的实际位移输出值间的映射关系,分析了不同姿态描述之间的内在联系,并研究了微定位平台受到压电陶瓷驱动器伸长量限制时的可达姿态空间.试验验证了三自由度微定位平台的特性和所建模型的正确性.试验表明该微定位平台的z向最大位移为12μm,章动角随进动角的不同而变化,最大可达130μrad.     

偏正无关光纤干涉仪及其微位移测量应用

提出了一种与偏振无关的新型光纤干涉仪,采用端面镀膜的光纤自聚焦准直器,结合球凸透镜构成共光路光纤干涉仪,其探测光与参考光在同一根普通单模光纤中共光路传输,有效消除了偏振衰落影响。通过理论建模分析,并采用高精度的压电陶瓷作为稳定信号源,搭建了微位移测量平台,实测了三角波驱动电压信号与对应的干涉信号。研究了不同扫描电压下,压电陶瓷位移和驱动电压的关系。实验结果表明,该光纤干涉仪可实现微小位移的精密测量,在超精密机床振动、微型机械、传感等方面具有应用价值。     

基于光电技术的圆度测量及最小二乘评定

提出了一种基于光电技术测量圆度误差的新方法.该方法将圆度误差转化为轴上物点的移动,利用理想光组轴向放大率理论来实现微位移的放大,并通过采用位置敏感探测器将光斑像点的位移转化为电信号的输出,从而实现位移与电信号的转化;在测量圆度的同时,采用圆光栅来测量工件转角,实现整周的圆轮廓实时记录;对于圆度误差的评定采用最小二乘法,并经过对比实验,证实该方法的测量原理可行,实现了圆度误差的整周连续测量,其测量精度可以达到1 μm.     

基于机器视觉的柔性机械臂振动位移测量

 针对传统的振动位移测量方法中,间接测量法误差较大、准确度较低,而直接测量法虽能达到精度,但成本较高、实用性较差的问题,提出一种基于机器视觉的振动位移测量方法。选取电机驱动运动的柔性机械臂作为测量对象,通过CCD相机采集机械臂末端标记点运动图像,再经过阈值分割、质心检测等视觉处理,得到机械臂振动位移信息。通过搭建实验平台对该方法进行实验验证,并与压电材料测量法及仿真法得到的振动位移进行对比,结果表明,基于机器视觉的振动位移测量方法能够在不接触工况下,对柔性机械臂进行准确、实时的振动位移测量,相比于压电材料测量法,避免了公式误差等影响,具有明显的优越性。     

基于白光干涉的MEMS三维表面形貌测量

利用白光干涉垂直扫描原理,设计了测量微机电系统(MEMS)表面形貌特征的垂直扫描白光干涉系统.该系统由垂直扫描位移工作台驱动被测件,通过检测被测件表面的干涉条纹变化得到表面形貌.垂直扫描位移工作台利用压电陶瓷驱动柔性铰链结构进行纳米驱动,光栅传感器监控整个垂直扫描过程,对压电陶瓷的非线性误差进行实时补偿.垂直扫描位移工作台的性能分析表明:分辨率达到1 nm,定位精度小于10 nm.同时采用图像分析技术对光学仪器测量台阶出现的噪声进行了消噪处理,试验结果表明垂直扫描白光干涉系统能够实现MEMS三维表面形貌的高精度测量.     

基于LabVIEW的压电陶瓷相移器控制系统

压电陶瓷(PZT)作为微位移的执行装置,在光学测量方面得到广泛的应用.运用虚拟仪器软件设计的压电陶瓷相移器驱动、校正与位移精度控制系统,准确方便地实现了对压电陶瓷相移器的控制.通过LabVIEW编写的程序采集数据对PZT的位移量进行分析和计算,提出一种测量PZT驱动电压与位移曲线的新方法.通过Lab-VIEW控制数据采集卡的输出电压来控制PZT的驱动,位移精度可以达到纳米(nm)量级.     

用于自适应可展结构的压电式智能主动杆

为自适应调节和改善可展结构动力学性能 ,研制了一种具有传感和作动双重功能的智能主动杆。利用压电材料的正逆压电效应 ,建立了压电微位移作动器的设计模型。给出了智能主动杆的组成和工作原理。研制了一种用于自适应可展结构的新型智能主动杆。该主动杆由压电作动器、微位移传感器、压力传感器等组成 ,具有输出微位移和压力 ,及对位移和压力监测的功能     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

建筑饰面材料色度反射性能测量及方法

采用反射光谱数据的测量方法,通过对照明观测角度、光源色温、视场影响的实验测量,发现建筑饰面材料色彩的观测结果与光线入射角和观测角度有关。在光线入射角和观测角度改变时,色度值会有所变化,观测结果与材料表面材质有关。镜面反射方向附近色度波动较大,其他角度色度数据稳定,亚光型面砖的镜面反射现象并不明显,光源色温影响材料颜色,光入射角发生改变时材料色度值发生变化。这些研究为建筑色彩设计提供了定量研究的理论基础。     

关于几何光学成像问题的几点讨论

通过对平面镜、凹透镜、凸透镜的成像讨论,从而得出平面镜和凹透镜既能成虚像,也能成实像;凸透镜既能成放大的虚像,也能成缩小的虚像.     

红外空心传能光纤聚焦系统的设计与优化

为了进一步提高光纤传输激光的效率,通过改善中红外光纤输出激光时的光斑及发散角的大小设计了双透镜和两种三透镜光学聚焦系统,并得到相应的光斑图形.运用MATLAB软件对实测的光斑进行模拟计算,得到了光斑的强度分布图,通过分析计算不同聚焦系统中的不同位置处光斑的大小,计算井得到了光束发散角.实验结果表明,3种方案中凸凹凸三透镜聚焦系统效果最佳,输出的光斑直径为0.33 mm,光束的发散角为042°,提高了耦合效率,降低了传输能量的损耗.     

一种新型大场纵向表面磁光克尔效应测量系统

基于磁光克尔效应的测量技术已发展成为研究表面磁性的一种有效手段,它具有高精度、响应快、低成本等优点.介绍了一种新型大场纵向表面磁光克尔效应测量系统,通过使用聚焦透镜来有效增大入射激光的入射角,提高纵向克尔信号强度,减小磁极间距,实现了测量具有较大面内矫顽力的样品;同时通过引入分光路系统来克服由于激光器光强变化所导致的信号不稳问题.该系统测量精度较高,可以满足磁性薄膜及超薄膜的面内磁滞回线测量.     

对运动镜面上的光反射行为的研究

利用四维波矢量的洛伦兹变换,对光在运动镜面上的反射行为作了详细的分析,推导出此情形下入射角与反射角、入射光频率与反射光频率之间的关系.     

基于压电迟滞对称性的线性微位移控制作动器

针对目前压电微位移控制系统中普遍存在的模型非线性、系统复杂或不稳定等缺点,提出了一种基于压电迟滞对称性及单向单回路循环的微位移线性控制系统。 首先利用压电迟滞效应中回路正调曲线与逆调曲线之间的轴对称性质,使二个性能一致的压电位移作动器位于回路的对称点,其迟滞非线性效应得 以相互抵消,从而使其总的位移输出与输入驱动电压呈线性关系;其次,在控制策略的选择上,为避免因次级回路的出现而导致的复杂性与不稳定性,并保证压电系统的输出精度,位移调节过程中仅采用一个确定的主回路,且二个位移作动器均按此主回路的单向逆时针方向调节;依据所提出的模型和算法,进行了实验验证,并对误差进行了分析与补偿;结果表明模型位移输出精度达到 nm 级,最大误差 15 nm,平均误差约 0 nm;同时该模型还具备结构简单、计算量小、易于实现、输入与输出为线性关系等优点。     

用激光光源测量凸透镜焦距实验探究

对测量凸透镜焦距的传统实验方法进行改进,采用激光为光源进行测量的一种新型简易方法,该方法操作简单,可直接读取焦距测量值。实验结果表明,测量结果与传统方法相比更准确。     

多级光杠杆测量微小形变量研究

光通过镜面发生反射,在入射光线方向不变的情况下,如果镜面旋转的角度为0,则反射光线偏转20．利用该原理对传统使用的光杠杆进行改进,提出多级光杠杆的概念．多级光杠杆对微小测量值的放大倍数远远超过传统光杠杆,灵敏度得到提高．同时在数据处理上采用线性拟合的方法得出结果,避免了传统光杠杆中的直接测量标尺和反射镜之间距离而引入的误差,使微小目标测量结果更加可靠．     

精密PSD微位移在线测量系统

为了满足工业现场微位移测量的精密性实时性和可靠性要求,设计并制作了位置敏感器件（PSD）激光微位移测量系统.系统将调制带通滤波峰值检测等信号处理技术运用于激光三角法中,并利用PSD信号单通道处理方式,提高了系统的抗干扰能力.同时,系统采用自适应控制方法改变激光的调制频率,从而调整电信号的增益系数以适应各种测量对象.实验表明,在没有滤光片的情况下,系统有效地消除了背景光和暗电流的影响,测量频率最高可达2,kHz,分辨率达到0.035%,稳定性误差小于0.090%,线性度好于1.2%,大大降低了温漂的影响.