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
红外与激光工程
2024, 53(2): 20230536
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室,上海 201203
4 中国计量测试学会,北京 100029
5 同济大学 物理科学与工程学院,上海 200092
纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。
纳米位移测量 激光自混合 光栅干涉仪 全息光栅 nano-displacement measurement laser self-mixing grating interferometer holographic grating 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220676
安徽大学电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601
为解决直线电机动子位置测量中多帧图像位移叠加而产生的误差累积问题,提出一种加阈值变换基准图(TTBM)的机器视觉累积误差消减算法。首先,根据直线电机动子的一维刚体平动特点,生成并优选灰度变化更加平滑的一维散斑图像作为目标拍摄图。其次,采用相位相关算法(PCA)改进灰度梯度方法,对配准图像进行整像素平移后再计算亚像素位移,以增大基准图像与配准图像之间的位移测量范围。最后,提出自调整基准图方法,根据图像位移的测量范围设定基准图像变换阈值,降低位移叠加次数,减小累积误差,实现直线电机长行程精密位移测量。同时,研究了基准图像变换阈值对测量精度的影响,给出了基准图变换的最佳阈值选取范围。仿真和实验表明,所提方法可以有效地减小直线电机动子测量中叠加而产生的累积误差。
直线电机 精密位移测量 阈值设置 变基准图 光学学报
2023, 43(11): 1112006
1 浙江理工大学纳米测量技术实验室,浙江 杭州 310018
2 中国计量科学研究院,北京 100029
3 中国计量大学计量测试工程学院,浙江 杭州 310018
为了解决外差干涉相位测量中多通道采样信号间的串扰误差对相位测量精度的影响,提出了一种基于采样信号频谱分析的预补偿方法来实现信号串扰误差的补偿和消除。首先建立基于锁相放大的正交鉴相法的信号串扰误差理论模型,阐明了串扰系数、输入信号幅值比和串扰信号相位偏移对相位测量误差的影响;设计仿真实验验证了该误差模型和补偿方法的有效性;然后基于紧凑型FPGA开发平台设计了相位测量实验,结果表明该补偿方法能够有效消除信号串扰误差的影响,补偿后相位测量的最大误差从0.34°下降到0.01°;最后搭建了外差干涉仪并与高精度的压电位移平台进行比对,实验结果表明补偿后的信号处理系统能够满足外差干涉测量的应用需求。
测量 外差干涉 正交鉴相 信号串扰 频谱分析 位移测量 中国激光
2023, 50(10): 1004001
1 中国科学院大学, 北京 100000
2 中国科学院光电技术研究所, 成都 610000
位移检测技术是几何量精密测量的基础, 在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感, 测量频率高以及分辨率高等优点, 可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度, 在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来, 利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先, 介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性; 其次, 阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。
位移测量 衍射光学元件 光谱共焦传感器 displacement measurement diffractive optical elements chromatic confocal sensor
1 山西大学物理电子工程学院,山西 太原 030006
2 量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西 太原 030006
3 山西大学光电研究所,山西 太原 030006
4 太原理工大学信息化管理与建设中心,山西 太原 030024
实验搭建了高阶模光学小位移测量系统。利用高阶模作为本底光的平衡零拍系统进行测量,在600 kHz~3 MHz频率段,以200 kHz为间隔,分别测量了13个频率处的小位移,并给出了相应的最小可测位移量。在不同2 MHz信号光功率条件下,研究了压电陶瓷驱动电压、噪声功率谱、信噪比以及最小可测位移量之间的关系,并利用90 的信号光获得了1.76×10-10 m的最小可测位移量。该结果为基于光束横向位移测量系统进一步减小测量范围的下限提供了理论与实验依据。
量子光学 小位移测量 高阶横模 信号光功率 信噪比