激光光源的方向抖动是激光三角位移传感器测量误差的重要来源。为了抑制光源光束抖动,设计了一种基于差分成像的激光光束指向控制装置。该装置由一个准直激光器和两个接收透镜组组成,其中两个接收透镜组关于发射激光光束的光轴对称,每个接收透镜组由一个聚焦透镜和一个光电电荷耦合器件组成。激光光源光束抖动角度控制在0.4°以内时,成像在两个光电探测器上的激光光束的质心的均值可控制在误差许可的范围内。实验结果表明,采用该装置,拟合误差的估计标准差由28.53 μm减小至0.2532 μm,重复性精度由原来的±0.7 mm降低至±5 μm,非线性误差由全量程的±0.8% 减小至全量程的±0.04%。

传统的激光三角法测量玻璃厚度时,玻璃与测头的相对位置需保持固定,每当玻璃位置移动时,均需重新标定才能进行准确测量。针对这一问题,提出可自适应位移变化的玻璃厚度激光三角测量方法,玻璃在不同位置时均可以直接对玻璃厚度进行测量。首先分析当玻璃位于基准位置时,其前、后表面反射光的成像光斑间距与玻璃厚度之间的关系;其次分析当玻璃位移变化时,成像光斑间距与玻璃前表面位置、玻璃厚度之间的关系,建立数学模型,并相应地提出修正算法来消除玻璃位移变化对厚度测量的影响;最后设计了基于激光二极管-互补金属氧化物半导体(LD-CMOS)的激光三角测量系统,并采用多块已知厚度的玻璃样本进行标定和测量实验。实验结果表明,当玻璃位置在1~4.5 mm的范围内变动时,不同位置处玻璃厚度测量的绝对误差小于0.010 mm,并且相对误差均在0.5%以内。该方法实现了玻璃在不同位置时对玻璃厚度的高精度测量,无需重复标定,具有很好的实用性、灵活性和通用性。

为了克服现有二维转角动态测量方法结构复杂、成本昂贵的缺点, 提出了结合激光准直的二维转角动态测量方法。首先, 根据二维转角测量的关键问题提出基于激光准直的测量方法, 采用准直激光作为测量基准, 以远端的位置探测器作为检测器件。接着, 设计测量系统和各组成模块, 根据测量要求对系统中的关键模块进行设计和优化。然后, 具体设计系统中的测量算法, 完成测量模型建立。最后, 在±2°范围内进行实验测试和分析。实验结果表明: 系统可动态测量, 稳定性好, 测量重复性误差为1 μrad, X轴非线性误差为1.8%, Y轴非线性误差为1.7%, 动态带载响应频率在±0.01°内优于200 Hz, 基本满足二维转角测量的高精度、高重复性、高稳定性的要求。

为了使用圆弧和直线重建数字轮廓曲线, 提出了一种融合了基于斜率差判断断点方法和区段动态融合的数字轮廓曲线自适应分段的方法。首先, 利用直线拟合计算轮廓曲线上每点的前后方向的斜率差, 求取斜率差的过程使用了自适应长度拟合窗口来平衡精度和速度的关系。然后, 将自适应平滑方法应用在方向斜率差曲线上。基于平滑后的斜率差曲线, 提取其中间断点作为待选区段分段点。最后, 使用基于可视化误差判定的区段动态融合, 来从待选分段点中选出一个可视化误差最小的分段方案作为最后的分段结果。仿真测试的结果显示这种分段方法的断点定位误差小于1%。以轴承油沟轮廓为实际测试用例的实验结果证实了这种自适应轮廓分段方法在实际应用中的可行性。

磁珠广泛应用于免疫检测、细胞分离等生物实验中, 磁珠浓度的检测对于评价实验效果具有重要意义。本文提出了基于激光透射法的双光路磁珠浓度测量系统, 通过测量入射激光强度与透射激光强度的比值来确定磁珠浓度。利用该系统对多个浓度的磁珠悬浊液进行了实验测量, 每个浓度下测量多组实验数据, 共采集了8 000组数据。通过拟合测量数据, 建立了磁珠浓度与测量值的关系函数, 二者呈现指数函数关系, 拟合残差平方和为0.000 088 89, 确定系数可达0.997 1, 说明函数具有良好的拟合性能。实验结果表明, 相对测量误差在2.5%以内, 输出值相对波动范围在2.5%以内, 测量系统具有较高的测量精度和良好的重复性。

为快速获取空间不连续三维物体表面的绝对相位, 提出了一种基于编码光栅的相位展开方法。该方法只需投射一幅带有编码信息的光栅条纹图像, 即可获取相位展开所必需的条纹级数信息, 从而得到整个被测表面的绝对相位信息。根据相位-深度关系, 可获得整个被测表面的三维信息。与基于格雷码的相位展开方法相比, 该方法不依赖被测物体的灰度信息, 抗噪声性能更好。该方法只需额外投射一幅编码条纹图像, 更适用于对实时性要求比较高的三维测量。通过实验证明了该方法的有效性和可行性。

利用光声光谱法无创血糖检测原理,以葡萄糖粉末和葡萄糖水溶液为样品、用调制激光作为信号激发源进行试验研究。可得到各个调制频率对应的光声信号幅值,进而得到光声信号幅值大小和调制频率的关系,最终找到葡萄糖粉末对应的最佳调制频率。在最佳调制频率下,测试葡萄糖水溶液,得到声信号随葡萄糖浓度增加的变化关系。实验不但找到葡萄糖对应的最佳调制频率,而且得到光声信号随葡萄糖浓度增加的线性关系,验证了光声光谱法在无创血糖检测中的可行性,为光声光谱法应用于无创血糖检测提供了一定参考价值。