1 中国计量科学研究院, 北京 100029
2 哈尔滨工业大学 电气及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对厚度测量中对射激光束共线性的要求, 提出了一种基于双分光棱镜的传感器光轴空间位姿视觉检测方法。在分光镜坐标系下, 分析了单条激光束在组合分光棱镜中的光线传播和光斑变化规律, 建立了两条激光相对位姿与光斑中心点之间的数学模型。借助于棱镜坐标系和图像坐标系之间的转换关系, 可以根据四个拟合光斑中心坐标快速计算出激光束的相对位姿, 进而将激光束的共线测量转换为光斑中心坐标的拟合、对比问题。实验结果表明, 在传感器测量范围内, 该方法可以使两条激光束之间的夹角不大于0.17°, 距离不大于0.05 mm; 同时, 调整前后对量块的测量表明, 厚度测量误差由12 μm减小到4 μm, 间接验证了共线检测方法的有效性。所提方法实现了光束调整过程的数字化、可视化, 并且使共线性测量结果具有可溯源性, 有助于定量分析因两个激光传感器测量线不重合而引起的厚度测量误差。
共线检测 激光光轴 厚度测量 激光位移传感器 collinearity detection laser axis thickness measurement laser displacement sensor
哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了实现大尺寸飞行器质心的测量, 提出了一种柔性质心测量方法。对该方法的重力作用线测量、坐标转换、质心合成等问题进行了研究并进行了不确定度分析。首先, 测量被测件在任意一个状态下质心在测量设备中的投影, 建立通过该投影的重力作用线并通过坐标转换将重力作用线转换到被测件坐标系下。然后, 将被测件旋转或倾斜任意一个角度, 测量该状态下重力作用线并转换到被测件坐标系中, 通过求得两条重力作用线的交点获得质心。最后, 采用蒙特卡洛仿真分析法对该测量方法进行了不确定度评定。仿真分析表明, 该方法的测量误差≤0.3 mm, 实验结果表明, 质心测量误差≤0.3 mm, 可以在被测件与测量设备相对位置关系未知的情况下实现质心的高精度测量。
质心测量 柔性测量方法 不确定度分析 蒙特卡洛仿真 center of gravity measurement flexible measurement method uncertainty analysis Monte Carlo simulation
哈尔滨工业大学 电气工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了实现低频段水下发生目标频率的准确识别, 搭建了一套激光干涉测量系统。在相位生成载波解调技术的基础上, 提出了一种改进的基于相位生成载波反正切算法的解调方式。在光学暗室下利用分立光学元件搭建了一套干涉实验系统, 在参考光路引入水面波动作为高频载波, 利用水表面漫反射的主反光与参考光干涉获得干涉信号。以相位生成载波解调技术的反正切算法为基础, 引入高频载波信号的一倍和二倍正弦混频。通过功率比较的算法在两组正交信号当中筛选功率较强的一组进行解调, 避免了载波初相位导致的正交信号消隐引起的解调失真。最后, 在模拟的低频大幅度海浪扰动情况下进行了探测实验, 取得了良好的解调效果。实验结果表明: 水下声源的低频探测下限约为30 Hz; 100 Hz 以上频段的频率探测精度优于1 Hz。改进的反正切解调算法能够避免解调失真, 具有很强的抗干扰能力。
激光干涉 水下声源 频率测量 相位生成载波 laser interference underwater acoustic source frequency detection phase-generated carrier 光学 精密工程
2018, 26(11): 2623
Author Affiliations
Abstract
School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
A laser interferometry technique is developed to detect water surface capillary waves caused by an impinging acoustic pressure field. The frequency and amplitude of the water surface capillary waves can be estimated from the local signal data at some special points of the phase modulated interference signal, which is called the turning points. Demodulation principles are proposed to explain this method. Experiments are conducted under conditions of different intensity and different frequency driving acoustic signals. The results show the local signal data analysis can effectively estimate the amplitude and frequency of water surface capillary waves.
120.3180 Interferometry 120.7280 Vibration analysis Chinese Optics Letters
2017, 15(7): 071201
哈尔滨工业大学 电气及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了实现对大型空心回转体厚度的测量, 提出了一种基于双激光位移传感器的非接触扫描检测方法。在回转体与双激光位移传感器相对位置未知的条件下, 分析了由回转体安装偏心以及传感器光轴与原点不共线时所引入的测量误差, 建立了双传感器信号与被测位置厚度之间的数学模型。并借助于相关理论相位差计算法、牛顿迭代法以及循环平移方法, 将实际厚度值从传感器信号中提取出来。对回转体厚度检测算法的仿真实验表明, 当检测信号中干扰分量的幅值不大于0.3 mm时, 算法检测厚度的相对误差总体保持在0.5%以内, 并将此作为调整旋转台转速的依据。分析实验测量数据发现, 两路信号的最大相对平移量为4; 通过对数据进行偏心补偿以及平移, 本厚度检测算法的测量重复性误差不大于0.05 mm, 可以实现在随机位置状态下对回转体厚度的高精度检测。
非接触测量 激光技术 厚度检测 回转体 相对位置 non-contact measurement laser technique thickness measurement revolving body relative position
哈尔滨工业大学 电气及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001
针对双激光位移传感器测量大型壳段厚度过程中噪声对检测精度的影响，提出利用变分模态分解来实现对厚度信号的自适应去噪，利用相邻固有模态函数之间的离散Hellinger距离来获取最佳的模态数。该方法将变分模态分解算法引入到激光信号的自适应滤波过程中，分析并改进了变分模态分解算法的过分解、欠分解以及能量泄露的问题。然后，对改进的变分模态分解与希伯特振动分解和自适应噪声总体集合经验模态分解进行性能对比，提出了固有模态函数的相对瞬时能量概率的概念。最后，结合离散Hellinger概率分布距离理论判断固有模态之间的信噪分界点，实现了对信号的重构及滤波处理。仿真和实验结果表明，该方法对壳段厚度信号处理的信噪比为39.27 dB，比自适应噪声总体集合经验模态分解方法提高了10 dB，具有良好的自适应性，无需先验条件便能快速有效地识别并分离激光信号中的噪声成分。
壳段厚度 厚度测量 激光检测 信号去噪 变分模态分解 Hellinger距离 shell thickness thickness measurement laser measure ment signal denoising variational mode decomposition Hellinger distance
1 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海航天技术研究院, 上海 200240
针对低频水表面声波(WSAW)的频率识别问题, 提出了一种基于改进相位生成载波(PGC)解调的激光相干探测方法。利用简单的激光干涉系统探测水下声源激发的低频WSAW, 再利用4路载波信号对其进行混频, 通过功率比较遴选出2路功率最大的正交干涉信号, 然后进行相位解调和频谱分析, 实现了WSAW的频率测定。仿真和实验研究表明, 改进的PGC解调法能够有效防止载波信号初始相位不可控条件下的正交信号消隐并准确实现低频WSAW的频率识别(频率探测下限可达30 Hz), 对变频WSAW及大尺度扰动波干扰条件下的低频WSAW也取得了很好的检测效果。该研究结果表明改进的PGC解调方法能够准确实现WSAW的频率识别, 并具有很强的抗干扰能力。
光通信 激光干涉 频率识别 相位载波 水表面波 水下声信号
1 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 哈尔滨 150001
2 中国电子科技集团公司第十研究所, 成都 610036
3 上海卫星工程研究所, 上海 200240
为实现水下中低频声信号的探测识别, 通过研究水下多声源相干探测信号的特征, 理论上给出了相干探测信号频谱混叠情况下的特征表达式, 并提出了一种基于Hilbert变换的信号解调处理方法, 实现了水下多声源相干探测信号频谱混叠情况下各声源发声频率的解调.该方法将探测信号经过滤波平滑处理之后进行Hilbert变换, 得到信号的解析形式, 然后对解析信号模值的平方进行二次滤波平滑等处理, 分离混叠在一起的频带, 将得到的信号进行频谱分析, 根据频移值计算得到水下各个声源的发声频率.在光学暗室下搭建激光相干探测系统, 对2~6 kHz的水下声信号进行实验, 实验结果表明, 该方法可以有效分离探测信号中混叠在一起的信号频带, 并准确提取各水下声信号的发声频率, 频率提取重复性不大于2.5Hz.
水下声信号 频谱分析 激光干涉 信号解调 Hilbert变换 声光效应 声波传播 Underwater acoustics Spectrum analysis Laser interferometry Signal demodulation Hilbert transform Acoustooptical effects Acoustic wave propagation
Author Affiliations
Abstract
School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
To determine the amplitude of weak sinusoidal water surface acoustic wave (WSAW), a method based on the spectrum analysis of the phase-modulated interference signal is developed. Calculated from the amplitude spectrum of the detection signal, a characteristic ratio indicates that the phase-modulation depth of a WSAW is suggested by determining the amplitude of a WSAW according to their functional relationship. Experimental investigations for a 4 kHz WSAW evaluate the measurement’s precision with an amplitude measurement standard deviation of 0.12 nm. The measurement accuracy also is demonstrated by the experimental investigations. The theory of this method is briefly described, and the experimental setup is presented.
120.3180 Interferometry 120.7280 Vibration analysis 060.2370 Fiber optics sensors 010.7340 Water Chinese Optics Letters
2015, 13(9): 091202
1 哈尔滨工业大学 精密仪器研究所, 黑龙江 哈尔滨 151400
2 东北石油大学 电子科学学院, 黑龙江 大庆 163318
为评定齿轮测量中心测量不确定度,提出了一种基于拟蒙特卡罗法(quasi Monte-Carlo method,QMC)的齿轮测量不确定度评定方法。研究了齿轮测量中心的几何误差源,应用坐标变换法建立了齿轮测量中心精密测量模型,采用拟蒙特卡罗仿真法对齿轮测量中心测量不确定度进行了评定,并分析了评定的稳定性。评定实验表明,该方法可准确评定齿轮测量中心测量不确定度,评定结果最大偏差为2.35%,评定方法稳定。
齿轮测量中心 拟蒙特卡罗法 测量不确定度 gear measuring center quasi Monte-Carlo method(QMC) measurement uncertainty
