最新刊期
      2024 年 第 32 卷 第 17 期

        精密测量与传感

      • “光栅干涉测量技术在精密纳米测量领域取得重要进展，专家分析了精度和误差，为系统开发提供参考。”
        李星辉,崔璨
        2024, 32(17): 2591-2611. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2591
        摘要：光栅干涉测量是一种重要的精密纳米测量技术，具有高分辨率、高抗干扰能力和多自由度扩展的优势，在先进节点光刻机、超精密机床等场景中发挥着至关重要的作用。对比介绍了光栅干涉、激光干涉与时栅测量技术，明确其应用场景和当前性能参数，阐述了光栅干涉测量中的零差和外差两种技术原理，并在此基础上分析了光栅干涉仪的国内外发展动态，包括代表性的设备厂商，和近年来国内外在纳米及亚纳米精度的单、多自由度系统方面的研究开发情况。进一步地，对光栅干涉测量的精度和误差进行了分析与讨论，介绍了误差来源、分类及针对性的补偿方法。最后，对光栅干涉仪的发展现状及未来前景进行了讨论，期望为光栅干涉仪系统的开发和优化提供参考。  
        关键词：精密测量;纳米测量;光栅干涉仪;多自由度;误差补偿   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在超精密光刻领域，提出了基于空间交变磁场的平面二维位移测量方法，研制出毫米级尺寸的传感器，实现微米级测量精度，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。”
        陈自然,欧阳辉,张桁潇,彭凯,王伟,崔南川
        2024, 32(17): 2612-2624. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2612
        摘要：针对传统的平面二维位移传感器在超精密光刻、大面积传感器制造中存在的技术瓶颈，提出一种基于空间交变磁场的平面二维位移测量方法。在定尺平面布置均匀等间距的正弦/余弦激励绕组，施加时间正交激励电流，构建空间二维交变磁场，建立空间二维位移和时间基准的映射关系。通过“维度判断+位移解耦”的组合测量模型实现平面二维位移测量，利用动尺维度判断感应绕组阵列输出信号经二值化后的组合逻辑来判断维度；利用动尺两维差动布置的位移感应绕组阵列拾取交变磁场，得到空间位移行波信号，通过比相实现二维位移解耦。通过电磁仿真，对平面二维时栅位移测量模型进行误差分析。研制样机并搭建了实验平台，实验结果表明，传感器在120 mm×120 mm的有效测量范围内，X方向测量误差最大不超过±9.4 µm，Y方向测量误差最大不超过±9.7 µm，两维度位移测量分辨力为0.15 µm。利用毫米级尺寸的激励和感应绕组实现平面二维微米级测量精度，从原理上突破了传统平面二维位移传感器对超精密光刻的制约，降低了传感器加工难度，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。  
        关键词：二维位移测量;交变磁场;时栅传感器;组合测量   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在白光干涉测量领域，三点反正弦算法有效抑制振动干扰，提高测量精度，为宽频段振动干扰下的测量提供解决方案。”
        刘乾,密乐,黄小津
        2024, 32(17): 2625-2634. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2625
        摘要：传统白光干涉测量方法对振动干扰非常敏感，振动干扰会引起扫描步长误差，进而降低白光干涉的测量精度。为抑制振动干扰的影响，提出一种三点反正弦的白光干涉测量算法。三点反正弦法将干涉图序列中每相邻三幅分为一组，利用扫描过程中干涉条纹连续移动的特点，从每组干涉图的有效条纹区域计算出相移偏差，进而得到每幅干涉图的实际扫描步长。基于计算的实际扫描步长，构建了非等步长的调制度与相位最小二乘计算方法，并重构表面高度。由于计算步长仅利用三幅干涉图，三点反正弦法频段响应宽，能够探测快变、大幅的扫描步长误差。仿真和实验证实，在振动干扰下三点反正弦法能获得高达0.5%的测量准确性（台阶高度为10 μm），并适合多种类构型表面形貌的测量。理论分析和实验表明，三点反正弦法能够抑制多种形式扫描步长误差的影响，适用于宽频段振动干扰下的白光干涉测量。  
        关键词：表面形貌测量;白光干涉测量;粗糙度;振动   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在引水钢岔管水压试验中，采用光频域反射仪和标准单模光纤，实现了高精度、高空间分辨率的应力测量，为结构健康评估提供数据支持。”
        尹国路,马璟铭,姜胜先,王鑫,张元寅,朱涛
        2024, 32(17): 2635-2644. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2635
        摘要：引水钢岔管的结构尺寸大、焊接工况复杂，且需要长期耐受6 MPa的水压，迫切需要一种分布式、高精度、高空间分辨率的应力测量技术，以便在水压试验中进行全方位的应力测量和结构健康评估。传统的点式应变片只能进行局部应力测量，且测量精度受制于防水措施、贴片工艺、温度变化等因素。为此，提出了一种基于光频域反射仪的引水钢岔管水压试验应力测量方法，采用沿焊缝布设的标准单模光纤作为传感器，测量空间分辨率达到5.8 cm，应力与水压力成线性关系并且沿焊缝存在0.2~0.6 m的周期性变化。月牙肋板焊缝的腰部应力最大，达到196.2 MPa；主锥环缝的应力在300 MPa附近；相贯线焊缝的应力呈180°对称分布，在腰线附近存在352.0 MPa的最大应力，顶部和底部基本不存在应力。  
        关键词：分布式应力测量;光频域反射仪;引水钢岔管;抽水蓄能   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在光纤测温领域，专家提出了基于单光路的拉曼分布式测温系统方案，实现对光纤沿线温度的精确测量，具备很高的实用价值。”
        冯玉祥,刘志凯,黄闽南,王一山,吕立冬
        2024, 32(17): 2645-2653. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2645
        摘要：针对常规拉曼分布式光纤测温系统中，拉曼Stokes和anti-Stokes散射光的走离效应导致位置校正困难，测温严重失真的问题，提出了基于单光路的拉曼分布式测温系统方案，建立散射光功率校正模型和温度标定算法，实现对被测光纤沿线温度的精确测量。根据拉曼散射光温度敏感原理，推导基于单路Stokes光及单路anti-Stokes光的温度解调公式。考虑到单光路温度解调严重受限于脉冲激光器和光电探测器稳定性的问题，设计温度标定单元并建立了信号光功率校正算法。搭建实验平台，对比分析传统双路、单路Stokes光及单路anti-Stokes光方案的测温性能。最后，讨论并总结基于单光路拉曼分布式光纤测温系统的优选方案。实验结果表明：在约12 km的光纤线路上，基于拉曼anti-Stokes光的方案的测温偏差为-0.3~2.2 ℃，均方根误差为1.0 ℃，空间分辨率为6 m，与传统方案相比性能更优。基于信号功率校正的单光路拉曼anti-Stokes光的分布式光纤测温系统灵敏度高，能完全规避传统双光路系统的走离校正问题，具备很高的实用价值。  
        关键词：光纤传感;拉曼散射;测温;光时域反射;分布式   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在精密测量领域，专家提出了基于激光干涉仪原理的多轴运动平台垂直度在线测量方法，构建了多轴激光干涉垂直度测量装置，实现了高效率、高精度的垂直度在线测量。”
        罗凯元,郑文炜,杨霖
        2024, 32(17): 2654-2662. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2654
        摘要：测量垂直度误差的常用方法有实物量具法、体积测量法、CCD测量法、平面光栅测量法、激光跟踪仪测量法和激光干涉仪测量法等，这几种方法普遍存在操作不简便，使用成本高或无法实现在线测量等缺点。为此，提出了一种基于激光干涉仪原理的多轴运动平台垂直度在线测量方法，利用激光器、五角分光棱镜、五角棱镜、直线度干涉镜、直线度反射镜等组件构建了一种多轴激光干涉垂直度测量装置。通过光路设计，可以将此装置搭建于被测多轴运动平台上，从而实现高效率、高精度的垂直度在线测量。最后通过与花岗石角尺测量垂直度的方法进行精度比对测试。测试结果表明，偏差为1.4″，归一化偏差En<1，结果较理想，证明了方案的可行性。  
        关键词：计量学;激光干涉仪;垂直度;多轴   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在隐形矫治器研究领域，专家构建三维表面微变形同步干涉测量系统，为提高临床矫治效能和安全性提供数据支持。”
        王嘉雯,吴峻青,吴敏杨,安应彪,刘京京,严斌,杨福俊
        2024, 32(17): 2663-2675. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2663
        摘要：构建三维表面微变形同步干涉测量系统，客观准确地测量隐形矫治器的全场变形信息，为提高其临床矫治效能以及安全性提供数据支持。由蓝绿红激光构建三组各自独立的散斑干涉光路，用于同步测量物体表面的二维面内和一维离面变形，利用一个集成相移装置实现三色激光准90°步长的同步相移，并由一台3CCD彩色相机同时记录三色散斑干涉图。通过四步相移算法从分离的红、蓝及绿色散斑干涉图中计算出与离面和面内变形相关的干涉条纹相位；最后，结合自适应条纹滤波和数字差分算法计算得到与表面变形有关的6个应变分量。微转动实验表明：系统的微转角测量精度为2.4''，变形测量精度为10 με（微应变）。对隐形矫治器的变形测量结果分析表明，矫治器的变形效用与设定的矫治目标相一致。  
        关键词：三维测量;激光电子散斑干涉;微变形;隐形矫治器   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在激光准直测量领域，专家提出了一种抑制空气随机扰动影响的方法，有效提高了测量稳定性和准确性。”
        刁宽,刘晓军,赵海煜
        2024, 32(17): 2676-2685. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2676
        摘要：鉴于准直光束在空气中传播，受空气随机扰动影响，如温度、湿度和压强的随机变化，激光直线测量基准存在随机抖动，从而影响激光准直测量的稳定性和准确性。从激光准直信号滤波的角度出发，提出了结合经验模态分解（EMD）-最小二乘（LS）拟合的空气随机扰动影响抑制方法；构建了激光准直信号分解、重构和校正的信号处理方案，以滤除空气随机扰动引起的干扰信号；开展了所提出方法在不同条件下对激光直线基准的空气扰动影响抑制实验，并比较不同方法对激光准直信号的处理效果。实验结果表明，所提方法对激光漂移补偿后的激光准直信号处理后，其在水平方向和竖直方向的波动标准偏差分别为0.01 μm和0.02 μm，有效解决了激光准直测量中的空气随机扰动对直线测量基准稳定性影响问题。  
        关键词：激光准直;直线基准;空气扰动;经验模态分解   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在大尺寸工件测量领域，专家提出了多位姿耦合中转标定方法，有效提高了测量精度和稳定性。”
        杨仁川,崔海华,赵西富,国荣辉,姜涛
        2024, 32(17): 2686-2697. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2686
        摘要：全局定位跟踪与终端测量组合的测量系统，是大尺寸工件整体测量的有效解决方案。然而，组合测量系统中，终端测量坐标系到定位靶标坐标系的中转变换是影响全局测量精度的关键因素。针对现有的公共特征点进行中转位姿标定的方法存在的站位制约问题，提出了一种多位姿耦合中转标定求解方法。该方法弱化了全局测量系统与特征点位置摆放要求，利用中转位姿与多个靶标位姿耦合的形式构建方程组进行求解，在此基础上进一步提出了一种多位姿多点耦合中转标定法，将多个局部特征点同时与位姿进行耦合求解，以提高中转位姿解的稳定性，并减少中转标定误差。最后，通过设计中转标定实验和组合测量精度验证实验。比较两种方法得出，多位姿多点耦合中转标定方法的位姿求解结果更加稳定，平均测量误差减少10.13%，验证了该方法的稳定性与有效性。  
        关键词：组合式测量;中转位姿标定;矩阵转换;多位姿耦合   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在复合测量领域，专家提出了坐标统一方法，设计新型标定器，实现高精度坐标统一与数据融合，提升器件测量能力。”
        程真英,徐东见,张成瑶,刘云龙,李瑞君
        2024, 32(17): 2698-2707. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2698
        摘要：针对复合测量中两测头空间坐标系不统一的问题，提出了基于标定器提供基准点结合单位四元数法求解空间变换矩阵的坐标统一方法，并以均方根误差（RMSE）来评估坐标统一的效果。设计并制作了一种新型标定器，为坐标统一提供稳定可靠的基准点，并建立了基准点精度与坐标统一精度的关系模型。针对两测头测量数据，提出了空间误差椭球搜索策略结合加权最小二乘法的数据融合方法。实验结果表明，复合测量的坐标统一化配准精度可达1.889 μm，所提出的数据融合方法相较传统加权最小二乘法的相对误差减小了16%，重复性精度提高了38%，实现了复合测量的高精度坐标统一与稳定精确的数据融合，提升了对器件的测量能力。  
        关键词：接触式测头;白光干涉测头;复合测量;坐标统一;数据融合   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在光纤光声成像领域，专家建立了高灵敏度超声检测技术体系，为成像质量提升提供解决方案。”
        刘付武兴,梁贻智,曹君杰,仲晓轩,李金莹,黄卫,金龙
        2024, 32(17): 2708-2717. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2708
        摘要：在光纤光声成像技术中，检测灵敏度是决定光纤超声传感器成像质量的关键性因素之一。以小型化正交双频光纤激光器为超声敏感元件，建立更好的信号解调技术对声致相位变化进行检测，以实现高灵敏度超声检测和光声成像。引入射频域自相干解调技术对超声波引起的激光频率变化进行读取，实验结果表明，该技术具有超声响应信号放大效果，传感器的灵敏度在8~32 MHz的超声频率内获得了显著提升，将最小可检测声压从9.0 Pa降低到5.7 Pa。进一步地，将该超声检测技术应用于活体光声显微成像，发现在同等光强的激发条件下，图像信噪比获得逾4 dB的提升。该技术为光纤光声成像技术的应用拓展奠定了坚实的技术基础。  
        关键词：光纤光声成像;光纤激光传感器;光纤超声传感器;自相干解调   
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        发布时间：2024-10-17
      • “在仿生智能感知领域，研究人员提出了一种应变增敏的FBG触觉感知单元，有效提高了触觉感知灵敏度，具有良好的线性度和重复性。”
        孙世政,何江,秦鸿宇,徐向阳,陈仁祥
        2024, 32(17): 2718-2731. DOI: 10.37188/OPE.20243217.2718
        摘要：触觉感知是仿生智能感知的重要内容，为了提高光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）触觉感知灵敏度，结合机器手指尖触觉感知需求，提出了一种应变增敏的FBG触觉感知单元。基于应变增敏机理和触觉感知机理分析，设计了一种基于应变增敏的双层十字型FBG触觉感知单元，采用刚性球型多点增压结构进行应变增敏。利用仿真分析方法优化了FBG空间分布，并对感知单元进行了静力学和热力学仿真。最后搭建了触觉感知实验平台，结合机器手完成了温度-力触觉协同感知实验。仿真和实验结果表明，FBG1和FBG2的力触觉感知灵敏度分别为18.069 nm/MPa和1.065 nm/MPa，温度感知灵敏度为11.256 pm/℃和11.153 pm/℃。该触觉感知单元有效提高了触觉感知灵敏度，具有良好的线性度和重复性。  
        关键词：光纤传感;光纤布拉格光栅;应变增敏;双层十字型;触觉感知单元   
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