Author Affiliations
Abstract
1 Aragon Institute of Engineering Research (I3A), Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50018, Spain
2 Electronic Engineering and Communications Department, EINA, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50018, Spain
3 Aragon Photonics Labs., Zaragoza 50009, Spain
4 Department of Earth Sciences, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50009, Spain
5 Department of Electronics, Escuela Politécnica Superior, Universidad de Alcalá, Madrid 28805, Spain
The effectiveness of monitoring and early-warning systems for ground deformation phenomena, such as sinkholes, depends on their ability to accurately resolve the ongoing ground displacement and detect the subtle deformation preceding catastrophic failures. Sagging sinkholes with a slow subsidence rate and diffuse edges pose a significant challenge for subsidence monitoring due to the low deformation rates and limited lateral strain gradients. In this work, we satisfactorily illustrate the practicality of the Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) to measure the spatial-temporal patterns of the vertical displacement in such challenging slow-moving sagging sinkholes. To assess the performance of the approach, we compare the strain recorded by the distributed optical fiber sensor with the vertical displacement measured by high-precision leveling. The results show a good spatial correlation with the ability to identify the maximum subsidence point. There is also a good temporal correlation with the detection of an acceleration phase in the subsidence associated with a flood event.
Distributed fiber optic sensing (DFOS) vertical displacement measurement slow subsidence rate sinkhole hazard early-warning system 
Photonic Sensors
2024, 14(1): 240122
作者单位
摘要
浙江理工大学 信息科学与工程学院,浙江杭州310018
针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差,提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系,利用位置敏感探测器(PSD)和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化,从而获得更为准确的转角测量结果,最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性,搭建激光外差干涉测量实验装置,分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明:经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm,测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内,对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量,将测得的转角进行位移补偿后,系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。
激光外差干涉 位移测量 误差补偿 卡尔曼滤波 laser heterodyne interferometry displacement measurement error compensation Kalman filtering 
光学 精密工程
2024, 32(3): 357
张宝良 1,2梁文峰 1杨铁 2,3于鹏 2,3,*
作者单位
摘要
1 沈阳建筑大学 机械工程学院,辽宁沈阳068
2 中国科学院 沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室,辽宁沈阳110016
3 中国科学院 机器人与智能制造创新研究院,辽宁沈阳110169
为解决原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)系统更换探针后光路调整复杂耗时、精度不足的问题,本文首次提出通过精密控制探针与探针夹装配位置来实现更换的探针相对AFM系统原光路位置的一致,进而实现免去AFM系统换针后调整光路步骤。该系统的光路一致性组件采用光束偏转法对探针位置与偏转进行放大与监测,并使用高精度位移与角度调节平台进行探针相对于探针夹的方位调整。通过实物搭建对探针一致性效果进行了验证,并对紫外光(Ultraviolet, UV)胶水固化过程导致探针位置偏移影响;探针不同偏移量时产生的探测器噪音对AFM系统成像质量影响进行了系统分析。实验结果表明:经由该系统装配的探针平均位置精度接近1.1 µm;并且在AFM系统中更换一致性探针仅需8 s。该系统实现了高精度且质量稳定的探针一致性装配,极大地简化了AFM系统重新校准光路的操作步骤,其与自动换针装置配合可有效提升工业计量型AFM的操作与测量性能。
原子力显微镜 探针装配 光束偏转法 微米级位移调节 Atomic Force Microscopy(AFM) probe assembly beam deflection method micron-level displacement adjustment 
光学 精密工程
2024, 32(2): 137
作者单位
摘要
1 重庆交通大学 河海学院,重庆 400074
2 重庆科技学院 建筑工程学院,重庆 401331
3 枣庄学院 城市与建筑工程学院,枣庄 277160
4 中国建筑第五工程局有限公司,长沙 410004
为了同时确定监测结构的位移大小和方向,提出了一种基于光纤光栅组合的大量程、结构简单的机械传感装置。该传感装置以U型不锈钢结构组合光纤光栅为核心传感单元,以杠杆杆件来传递位移,测点位移大小和方向可以通过杠杆杆件两侧的U型不锈钢结构上的光纤光栅波长漂移计算得出。开展了传感装置6组辅助结构(核心传感单元)的标定试验,结果表明所有传感单元均具有较高的线性度,测量范围为0~140 mm,灵敏度为4.362 pm/mm,迟滞性误差为3.25%,重复性误差为6.62%。将传感装置用于室内堆积体边坡模型试验中,研究它们在土体连续滑动变形过程中的监测性能,并与粒子图像测速技术测量的土体位移变化进行比较,两种技术数据上呈现出较好的一致性、吻合度较高,表明所研发的光纤光栅矢量位移测量传感装置能够准确捕获坡面矢量变形,在智能监控领域有广阔的应用前景。
光纤布拉格光栅 位移传感装置 二维位移 大量程 结构监测 Fiber Bragg grating Displacement sensing device Two-dimensional displacement Large range Structural monitoring 
光子学报
2024, 53(2): 0206005
雷李华 1,2张玉杰 1,2傅云霞 1,2,*
作者单位
摘要
1 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
2 上海市在线检测与控制技术重点实验室,上海 201203
光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一,由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配,使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差,导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析,通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系,参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法,利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量,对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程,探究出了一个更为普遍的结论,为后续装置的改进提供理论依据,以提高系统的测量精度。
精密位移测量 光栅干涉仪 光栅矢量衍射 周期性误差 precision displacement measurement grating interferometer grating vector diffraction periodic error 
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230536
作者单位
摘要
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
共焦显微测量是一种很有前景的技术,具有非接触测量和高精度位移识别能力,广泛应用在芯片加工、高精密仪器制造、生物医学、材料化学、工业检测等领域。其沿轴向位置高精度扫描的二维图像可用于三维重建,然而,扫描的速度限制了图像的采集速率,为了克服这一局限性,研究人员提出了许多方法对传统的共聚焦显微镜系统进行了改进。例如,基于扫描振镜光束扫描型共焦显微镜、基于数字微镜装置的共焦显微镜、差分式扫描共焦显微镜等。本文主要讨论了各种共聚焦显微镜的工作原理、物镜类型、扫描方法、优缺点及应用。随着光学核心部件的升级和各种准确、高效算法的出现,未来共焦显微镜的扫描速度会更快、应用范围更广、分辨率更高。
共焦显微 三维成像 位移识别 扫描速度 confocal microscopy 3D imaging displacement identification scanning speed 
光学仪器
2024, 46(1): 82
作者单位
摘要
西南交通大学机械工程学院,四川 成都 610031
在对图像位移进行测量时,不同亚像素位移迭代算法的性能不同,将反向组合对角近似算法和反向组合Dog-Leg算法用于数字图像相关法并进行位移测量,同时对反向组合Levenberg-Marquardt算法的参数更新策略进行简化,以反向组合高斯牛顿(IC-GN)法作为对比,通过模拟散斑图像和真实散斑图像的压缩变形实验,对3种算法的性能进行对比,并进行相应的评估。实验结果表明:在模拟散斑实验中,各个算法在收敛速度、收敛频率和计算速度上各有不同;在真实实验下,小变形实验得到与IC-GN法相似的精度,大变形实验得到的收敛半径更大。
测量 数字图像相关法 亚像素位移 反向组合对角近似算法 反向组合Levenberg-Marquardt算法 反向组合Dog-Leg算法 
光学学报
2024, 44(3): 0312003
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Optics and Optical Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2 Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province, Hefei 230026, China
The compact, sensitive, and multidimensional displacement measurement device plays a crucial role in semiconductor manufacture and high-resolution optical imaging. The metasurface offers a promising solution to develop high-precision displacement metrology. In this work, we proposed and experimentally demonstrated a two-dimensional displacement (XZ) measurement device by a dielectric metasurface. Both transversal and longitudinal displacements of the metasurface can be obtained by the analysis of the interference optical intensity that is generated by the deflected light beams while the metasurface is under linearly polarized incidence. We experimentally demonstrated that displacements down to 5.4 nm along the x-axis and 0.12 µm along the z-axis can be resolved with a 900 µm × 900 µm metasurface. Our work opens up new possibilities to develop a compact high-precision multidimensional displacement sensor.
metasurface transversal and longitudinal displacement measurement 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021202
陈自然 1,2,3张桁潇 1,3何智颖 1,3,*陈鸿友 1,3余海游 1,3
作者单位
摘要
1 重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心,重庆400054
2 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039
3 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室,重庆400054
针对高精度位移传感器难以加工的难题,提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律,通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明:两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差,其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大,2次谐波误差越大,动尺沿Z轴偏摆姿态对测量精度的影响最大,沿Y轴翻转姿态引入的误差次之,沿X轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内,测量误差峰峰值为4.5 μm,分辨力为0.15 μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量,可显著降低传感器的制造难度,具有重要的工程应用价值。
直线位移 离散绕组 组合测量 时栅传感器 误差分析 linear displacement discrete windings combined measurement time-gating sensors error analysis 
光学 精密工程
2023, 31(19): 2836
作者单位
摘要
南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016
针对现有压电振子驱动的共振隔膜泵中存在隔膜往复运动位移及位移放大比小的问题,该文设计出一种可应用于共振隔膜泵的大位移压电叠堆执行器,利用压电叠堆作电-机转换器,提高其响应速度,采用矩形弹簧结构,保证系统稳定性,提高系统的一阶固有频率。建立压电叠堆执行器的数学模型,并分析了系统的位移放大比和各阶固有频率,测试了样机的相关性能。实验结果表明,在输入激励信号幅值60 V、频率510 Hz的正弦信号下,该压电叠堆执行器输出位移为154 μm,位移放大倍数为18.11倍,研制的压电叠堆执行器具有较高的响应速度及较大的输出位移,可用于提升共振隔膜泵的输出性能。
压电叠堆执行器 压电叠堆材料 位移放大 谐振驱动 共振隔膜泵 piezoelectric stack actuator piezoelectric stack material displacement amplification resonant drive resonance diaphragm pump 
压电与声光
2023, 45(6): 833

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