基于激光测振仪的兰姆波离面和面内位移检测
精密仪器中的纳米级位移测量技术研究
精密仪器中的纳米级位移测量技术研究近年来，随着科技的不断进步和应用的不断扩大，精密仪器的需求也日益增长。
在许多领域，如生物医学、材料科学和电子工程等，需要对微小的物体进行精确的位移测量。
而纳米级位移测量技术的发展，为这些领域带来了革命性的变化。
纳米级位移测量是一种能够测量物体在亚微观尺度上的位移变化的技术。
它能够精确定位物体的位置，甚至超越传统测量方法的能力。
这种精密度的提高对于很多需要高精度控制和测量的领域来说非常重要。
在纳米级位移测量技术的发展过程中，有几种常见的方法和仪器被广泛应用。
其中之一是激光干涉仪。
激光干涉仪通过利用激光干涉的原理，测量被测物体的位移。
它的工作原理是通过将激光束分成两束，分别照射到待测物体上，然后再将两束光束合并，形成干涉条纹。
通过分析干涉条纹的变化，可以测量物体的位移。
此外，扫描探针显微镜也是一种常用的纳米级位移测量技术。
扫描探针显微镜利用微小探针进行扫描，测量物体表面的形貌和位移。
它的工作原理是将探针靠近待测物体表面，然后通过探针的运动轨迹来测量位移。
在纳米级位移测量领域中，经常出现的一个问题是环境噪音对测量结果的干扰。
由于纳米级位移测量对环境的要求非常高，任何微小的振动或者温度变化都可能引起测量误差。
因此，研究人员常常需要采取一些措施来降低环境噪音的影响。
一种常见的方法是在位移测量过程中使用隔离系统。
隔离系统可以将待测物体与外界环境隔离开来，减少外界振动和噪音对位移测量的影响。
常见的隔离系统包括空气悬浮系统、弹簧隔振系统和电磁悬浮系统等，它们能够有效地提高纳米级位移测量的精度。
此外，信号处理技术也是纳米级位移测量中很重要的一部分。
由于真实的测量信号往往包含大量的噪音，需要采取一些信号处理的算法来提取出有效的位移信号。
脉冲耦合神经网络（PCNN）是一种常用的信号处理方法，在纳米级位移测量中有着广泛的应用。
它可以通过神经网络模拟人脑的信息处理方式，更加准确地提取出位移信号。
毕业设计论文——激光散斑测物体位移
武汉轻工大学毕业设计（论文）论文题目：基于激光散斑进行位移测量院系: 电气与电子工程学院学号: 101204222姓名: 王斌专业: 电子信息科学与技术指导老师: 李丹二零一四年五月摘要用散斑法测量无题的位移、应变、振动、等是散斑法在实验力学中的主要应用之一。
这种测量方法不但有非接触的优点，而且可以测量面内及离面的位移。
物体表面以及内部的应变、比较圆满地解决振动与瞬变的问题。
本文主要介绍了散斑测量技术的发展情况，对激光散斑的特性进行了系统的分析。
激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。
散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。
主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。
最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。
关键词：激光散斑；位移测量；数字图像处理；位移散斑图AbstractOne main application of the speckle measurement method in experimental mechanics is to measure the displacement, strain, vibration and so on. This method can not only processed non-contact measurement, but also can measure the in-plane or out-plane displacement and transient. In this paper, we introduced the development of speckle measurement technique, and systemically analyzed the characters of speckle.The laser speckle based on holography is of great practical value and can measure micro-displacement. In surface micro-displacement is focused on in this paper. The two laser speckle patterns are respectively shot before and after the object is moved. Digital speckle correlation method and speckle photography are used to measure a small displacement moved along x or y axle. The above two methods are compared at the end of the paper.Keywords:laser speckle; displacement measurement; digital image process; displacement of speckle pattern目录第1章绪论............................................1.1课题研究的背景和意义..............................1.2激光散斑测量方法的应用............................ 第2章激光散斑测量的基本理论...........................2.1激光散斑的基本概念................................2.2散斑的成因及类型..................................2.2.1散斑的成因2.2.2散斑的类型2.3激光散斑光强分布的相关函数的概念..................2.3.1自相关函数.....................................2.3.2两个散斑场光强分布的互相关函数第3章激光散斑测量方法3.1激光散斑位移测量..................................3.1.1 散斑照相法3.1.2 激光散斑数字相关3.2 测量微小位移实验系统3.2.1 实验内容3.2.2 设计方法3.2.3 数据处理及心得结论................................................. 致谢................................................. 参考文献.................................................武汉轻工大学本科毕业设计（论文）第1章绪论1.1 本论文的背景和意义传感技术、计算机技术和通信技术共同构成信息技术的三大支柱。
位移测量方案
位移测量方案引言位移测量是一项重要的工程技术，在各个领域中都有广泛的应用。
通过测量物体在空间中的位移，可以用来分析结构的变形、判断机械设备的偏差、监测地壳的运动等。
本文将介绍几种常见的位移测量方案及其原理、应用和优缺点。
1. 激光干涉激光干涉是一种高精度的位移测量方法，基于光的干涉原理。
该方法利用激光束在被测物体上的反射或透射，通过干涉条纹的变化来测量物体的位移。
其原理是利用两束激光光束叠加产生干涉条纹，并通过测量干涉条纹的变化来确定位移的大小。
激光干涉位移测量的优点包括高精度、高灵敏度、非接触等。
它可以实现亚微米甚至纳米级的位移测量，适用于很多精密测量领域。
然而，激光干涉测量仪器较为复杂，而且对环境的要求较高，比如要求测量场景中无明显的震动和振动。
2. 拉线测量拉线测量是一种常见且简便的位移测量方案。
它通过在被测物体上安装一根细长的拉线，并通过测量拉线的伸缩变化来确定物体的位移。
一般情况下，拉线固定在物体的一个固定点上，而另一端连接到一个测量装置上，如传感器或机械测量仪器。
拉线测量的优点是简单易行、成本低廉，并且适用于一些不复杂的位移测量场景。
然而，由于拉线的伸缩变化受到重力、温度和机械松弛度等因素的影响，其精度和稳定性相对较差。
因此，在高精度和长期稳定性要求较高的位移测量场景中，拉线测量可能不够适用。
3. 压阻传感器压阻传感器是一种常见的位移测量传感器，也被广泛应用于工程领域中。
它通过测量材料电阻值的变化来确定物体的位移。
当物体受力或变形时，材料的电阻值会发生变化，并通过传感器转换为相应的电信号进行测量和记录。
压阻传感器的优点是结构简单、响应速度快、精度较高。
它可以用于各种场景下的位移测量，如机械设备的变形监测、土体的沉降测量等。
然而，压阻传感器在测量大位移或动态变化时，受到材料的线性范围和响应速度的限制。
4. 光栅尺光栅尺是一种基于光学原理的位移测量仪器。
它由一个具有特殊编码的光栅和一个读写头组成。
基于光杠杆原理的纳米级微位移测量系统研究
１ 引
言
目前能够实现微米级精度位移测量的方法有多种 ， 包括激光干涉法、 电容测量法 、 电感测量法等。 这些
测量 方法 存在 结构复 杂 ， 量范 围小 ， 测 易受温 度影 响 ， 价格 昂贵等缺 点 。 介绍 一种 基于光 杠杆 原理 的光 学微 位 移测量 系统 ， 量精度 达到 ａ 量级 。实验 结 果 表 明 ， 装置 不 测 ｍ 该
１ ｉｈ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ａ ｏ ｔ ｒ ｓ ｓ ｅ ｆ ｒ ｄ ｓ ｃ ｍ ｅ ｔｍｅ ｓ ｒｍ ｅ ｔｉ ｄ ｓ ｒｂ ｄ， ｗｈｃ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｓｒ ｃ ： ｎ ｎ ｍｅ ｅ ｙ ｔ ｍ ｏ ｉ ｐ ａ ｅ ｎ ａ ｕ ｅ ｎ ｓ ｅ ｃ ｉ ｅ
４ ｍ， ｎ 实验 测得 系统 分辨 力 小于 １ ｎ ０ ｍ。经过 实验 ， 验证 了该 系统 的可 行性 。实验 结 果表 明 ，
该装 置 灵敏度 及 重 复性好 ， 构 简单 ， 于构成 微 电子机 械 系统 —— ＭＥ 结 便 ＭＳ （ ｃｏｅｅｔｏ ｍｉ ｌ ｒ ｒ ｃ
ｍｅｈ ｎ ｃ ｌ ｙ ｔｍｓ ， 现 系统 微 型 化 及 自动化 。 ｃ ａ ｉａ ｓｅ ） 实 ｓ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｐａ — ｅｇ， Ｕ ｕ Ｌ Ｘｉｏｒｉ， ＡＮＧ Ｇｕ — ｕ ｎ ｎｆ ｎ Ｙ ， ａ— ｎＹ ａ ｏｇ ａ ｇ
（ ｔｔ ｅ ａ ｏ ａｏ ｙｏ ｄ ｒ ｐ ｉ ｌ ｎ ｔｕ ｎ ａｉｎ Ｚ ｅ ａ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ ， ｎ ｚ ｏ １ ０ ７ Ｃ ｉ ａ Ｓ ａｅ Ｋ ｙ Ｌ ｂ ｒｔ ｒ ｆ Ｍｏ ｅｎ Ｏ ｔ ａ Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔｔ ， ｈ ｊ ｎ ｉｅｓｔ Ｈａ ｇ ｈ ｕ ３ ０ ２ ， ｈｎ ） ｃ ｏ ｉ ｙ
激光检测玻璃震动的原理
激光检测玻璃震动的原理
激光检测玻璃震动的原理基于光学干涉和振动产生的光斑位移。
当激光光束照射到玻璃上时，由于振动的作用，光斑在玻璃表面移动。
这个移动的距离可以通过干涉条纹的变化来测量。
通过这种方式，可以获得玻璃的振动位移、速度和加速度等参数。
具体来说，当玻璃振动时，反射回来的光斑会因为振动产生的相位变化而产生位移。
这种位移可以由干涉条纹的变化来检测。
通过测量干涉条纹的变化，可以确定光斑位移的大小和方向，进一步推导出玻璃的振动情况。
此外，激光多普勒效应也可以用于检测玻璃的振动。
当物体振动时，测振系统会以不同的速度移动，随后系统通过发射激光束，并收集反射回来的激光束来测量这种速度的变化。
移动的物体会改变反射激光的频率，系统再测量这种频率的变化就能获得物体的速度，并进一步获得振动的情况。
总的来说，激光检测玻璃震动的原理基于光学干涉和多普勒效应等技术，具有非接触、高精度、高灵敏度、高响应速度等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
面内位移测量的激光多普勒信号研究
3 系统的改进
为了得到最强的光信号及高的精度[ 4 ] , 我们对 文献 [ 2 ] 系统在光学 、 电学两方面做了一些改进 。光 学上 ,设计一种新的差动光路 ,即在两路光中分别用 一准直系统 (L 12L 2 、 L 32L 4 ) 扩束 ( 选择适当的结构参 量如焦距比 ,可使光束直径在 40 mm 以上) ,然后在 L2 、 L 4 的后焦面上增设一个大口径透镜 ( L 5 ) , 其焦 距为 F 。这样 ,两路光束的束腰就聚焦在 L 5 的后焦 点上或能交叠在远处的被测物面上 。事实上 , 由高 斯光束的聚焦 、 准直理论 [ 5 ] , 由于这时入射束腰 ( 对 L 5 ) 的物距 l = 0 , 束腰半径 w 0 ≥20 mm , 因此对应 的像方束腰像距 l′ 近似等于焦距 F , 像方束腰半径 w′ 0 很小 。为了充分发挥本光路的作用 , 在声光调 制器 A ( 分光用) 前加一半波片 ( 旋转它能容易地使 A 输出的两束衍射光强相等) ,且将光路中的所有透 镜镀增透膜 ,反射镜镀增反膜 ( R > 99. 9 %) 。 在电学上 , 改用性能价格比较好的光电接收器 — — — B2 G J 3 型光电二极管光电混合集成接收器 ( 其 μm , 工 作 带 宽 0. 05 ～ 峰值 响 应 波 长 0. 85 ～ 0. 9 50 M Hz ,响应度高于 10 mV/μW , 输出噪声谱密度 低于 5 × 10 - 8 V/ Hz) 进行光电转换 ; 用自行设计 的适于40 M Hz 、 大 Q 值 ( 大于 104 ) 、 高灵敏度的锁 相放 大 器 来 拾 取 弱 信 号 ( 此 锁 相 放 大 器 用 两 片 AD8001 组 成 , 带 通 滤 波 选 用 大 Q 值 的 9N322240 M Hz石英晶体滤波器 ; 整个锁相放大系统 进行电 、 磁屏蔽) ; 选用数字滤波和同态滤波系统来 处理数字信号 ,特别是同态滤波系统可以重构因物 体散射面纹理结构作用而丢失的信号 。
光学测量玻璃纤维增强复合材料表面离面位移场分布
光学测量玻璃纤维增强复合材料表面离面位移场分布刘羽飞;刘运红;周延周【摘要】利用一种测量玻璃纤维增强复合材料表面力学特性的装置，通过激光波数扫描干涉的方法，高精度测量不同结构下加载前后玻璃纤维增强复合材料测试样件表面离面位移场分布。
测量结果表明玻璃纤维增强复合材料样件在不同结构下，离面位移场整体分布都以加载点为中心向四周递减，其最大离面位移量与加载量基本成线性正比关系。
该测量方法具有较高的稳定性及信噪比，测量精度高。
该测量方法为玻璃纤维增强复合材料力学性能表征及无损检测提供了一种新型的技术平台。
%This paper uses an optical device for measuring glass fiber with reinforced composite material surface of the mechanical properties .By laser wave number-scanning interference , high precision meas-urement was conducted before and after loading the out-of-plane displacement fields of the different struc-tures of glass fiber with reinforced composite material when testing the front surface of the sample .The measurement results show that the out-of-plane displacement field integral distribution of different struc-tures of the glass fiber with reinforced composite material testing sample will decrease from the center of the loading point to the periphery .The maximum out-of-plane displacement is linearly proportional to the loading quantity .The measurement method is more stable and precise with high signal-to-noise ratio . This method provides a new technical platform for detecting the mechanical properties and nondestructive testing of the glass fiber with reinforced composite material .【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P109-113)【关键词】玻璃纤维增强复合材料;光学测量;离面位移场【作者】刘羽飞;刘运红;周延周【作者单位】广东工业大学自动化学院，广东广州510006;广东工业大学自动化学院，广东广州510006;广东工业大学自动化学院，广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TB332;O439玻璃纤维增强复合材料具有重量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性能好、传热慢、热绝缘性好等优点.其产品广泛应用在航空航天、电力、船舶制造等领域[1].由于在制造过程中可能产生某些缺陷，另外在使用的过程当中，会因为撞击、疲劳以及腐蚀等因素使复合材料结构性样件产生缺陷，因此对玻璃纤维增强复合材料不同结构下的力学性能测试及无损检测显得越来越重要，以减少在实际应用中所出现问题而造成的巨大损失.目前针对复合材料力学性能及无损检测方法主要有以下几种.射线检测技术是利用X射线、γ 射线、中子射线等穿过物体时的吸收和散射的特性，检测其内部结构不连续性的技术[2].声发射检测技术是通过对复合材料或结构在加载过程中产生的声发射信号进行检测和分析[3]，对复合材料构件的整体质量水平进行评价的一种检测技术.超声波检测法,超声波检测尤其是超声C 扫描检测, 由于具有显示直观、检测速度快等优点, 已成为航空器复合材料构件普遍采用的检测技术[4].电子散斑干涉技术利用被测样品加载变形前后两幅样品表面散斑干涉图像的差别，测量被测样件表面的离面位移场及应变场[5].从2004年开始，英国拉夫堡大学J. M. Huntley 小组开始波长扫描干涉技术的研究，通过波长扫描干涉技术，测量得出样品变形前后的位移场分布[6-9].2007年，该小组利用真空负压加载，激光散斑干涉技术检测碳纤维复合材料表面的微小离面位移变形量，进而推断出材料内部层层之间的脱粘缺陷[10-12].2013年，周延周小组提出激光波数扫描干涉方法,测量出半透明树脂基复合材料内部三维离面位移场分布[13-15].本文在激光波数扫描干涉方法的基础上，针对不同结构的玻璃纤维增强复合材料表面离面位移场分布进行测量.结果表明该系统及测量方法具有较好的稳定性及较高的测量精度.1.1 测量系统及加载装置针对各种结构下玻璃纤维增强复合材料表面离面位移场测量，采用基于迈克尔逊干涉光路的激光波数扫描干涉测量系统如图1所示.其中TCM表示温度控制模块；LD表示DFB半导体激光器；LC表示激光控制器；PC表示个人电脑；CCD表示CCD相机；CBS表示正方体分光棱镜；L表示透镜；P表示偏振镜；OW表示光楔；Sample表示玻璃纤维复合材料样件.干涉光路如图1中虚线所示，当激光器输出的激光束经过准直透镜后，由正方体分光棱镜CBS将其分为两束光.一束光垂直照射到厚度为6 mm、倾角为6′的参考光楔,另一束光垂直照射到玻璃纤维增强复合材料样件表面上.经过参考光楔与玻璃纤维增强复合材料样件表面的反射光分别经过正方体分光棱镜CBS反射和透射后并束后，在CCD相机(1 024×1 024像素)的像平面上形成干涉图像.通过激光控制器调制安装在温控模块上的半导体激光器的工作温度，使其温度从45℃调制到20℃.在激光波数调制过程中，CCD相机连续拍摄500幅干涉图像.该系统中将加载装置安装在高精度光学平移台上，加载装置由两根相距60 mm、高度50 mm和直径10 mm的固定支柱和一个圆头千分丝杆，构成三点加载受力装置，如图2所示.其中圆头千分丝杆的精度是1 μm，可对被测样件进行1 μm的步进加载.实验中将对被测样件进行3次加载，加载量分别为5 μm，10 μm，15 μm.1.2 测量原理在调制波数扫描过程中，通过CCD相机连续采集到的干涉光强I与波数扫描序列的关系为I(x, y, k).对光强序列在k域采样加窗傅里叶变换后可表示为exp[±j·φpq(x,y)],φpq(x,y)=2Λpq(x,y)·k0+φpq0(x,y).(1)其中x, y为空间坐标；M为深度方向反射信号的个数；Ip, Iq表示深度方向上第p、q的反射光的光强；是窗口函数的频域表达式；fpq(x, y)和φpq(x, y)分别是p、q 信号对应的干涉信号峰值处的频率和相位；Λpq表示p、 q信号之间的光程差；φpq0表示它们的初始相位差；k0为中心波数.对干涉图像上所有像素点对应的光强序列都进行傅里叶变换后，提取干涉峰值处对应的相位值,通过计算得到加载前后的卷绕相位差对其解卷绕后的相位差为).加载前后z方向上的离面位移场分布为其中npq为p、 q信号之间的折射率.本文所用的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料板由东莞市鑫星玻璃纤维制品有限公司生产.如图3所示的4种不同结构下玻璃纤维增强复合测试样件是后期加工制作而成的.其中标号1的测试样件中心有一个直径为1 mm的孔洞缺陷；标号2的测试样件中心有一道深度约0.2 mm,宽约0.4 mm的竖刮痕；标号3的测试样件在被测面后方一侧粘有厚度为2 mm的塑料板；标号4的测试样件在被测面后方粘有一条厚度为2 mm,宽为5 mm的塑料条作为梁.在图3中可以看到虚线内灰色区域为测量区域，其尺寸大小为8 mm×8mm.实验中标号为1的测试样表面与参考光楔的激光干涉图像如图4(a)所示，在干涉图像中取y=4.5 mm处像素点所对应的光强序列如图4(b)所示，其中纵坐标表示对应的波数值.对y=4.5 mm处对应的光强序列进行傅里叶变换后的幅频和相频特性如图4(c)和图4(d)所示，其中纵坐标表示傅里叶变换后的各表面干涉信号幅值对应的光程差大小. R1S1,R2S1分别表示参考光楔的前后表面与测试样件的前表面干涉信号.最后通过提取加载前后干涉图像上所有像素点峰值处的相位进行相位对照，并运用式(2)计算出被测样件表面离面位移场分布.以此类推7种测试样件都可以按以上步骤进行处理，得到其表面在不同加载量的离面位移场分布.从图5和图6分别可以观察到玻璃纤维增强复合材料测试样件在不同加载量下，不同结构下，其表面的离面位移场分布情况.在离面位移场分布图中横纵坐标表示测量视场的大小，其图中的颜色值表示离面位移量的大小.根据其颜色值的变化趋势得出离面位移场的变化趋势，都是以加载点为中心离面位移量沿四周递减.由图5～图6可知在不同在结构状态下，玻璃纤维增强复合材料样件表面的离面位移场分布的共同特点有：(1) 最大离面位移量的地方都是离加载点最近的区域.根据力学原理，力在加载点处向四周传递，在加载点附近的离面位移量应该是最大的，其他区域离面位移量沿着加载点方向向四周递减.(2) 根据每张图片右边的颜色尺度条的值发现，不同结构状态下的样件表面离面位移场分布的值都要比其实际加载量小.因为在加载过程中的实际的加载量作用到被测样件过程会有能量的损失，使其产生的离面位移量小于实际的加载量.实验中的测量区域并未包含加载点，在加载点周围的离面位移量也小于加载点处的离面位移量，所以实验结果中真实测量得到的离面位移量值小于实际的加载量.(3) 各种结构状态下样件表面的离面位移量基本随着加载量的线性增加呈线性变化，结果如表1所示.在图5(a)～(c)中可以看到在图中心位置附近有一个由于空洞缺陷造成的坏点区域，在该区域周围的离面位移量值变化较乱，加载量越大离面位移量值越乱，分布规律不明显.在孔洞缺陷外的其他区域离面位移量值分布随加载量增加有线性变化规律. 在图5(d)～(f)中，可以看到表面有刮痕样件在不同加载量下的离面位移场分布情况，与有孔洞缺陷样件表面离面位移场分布对比，并没有刮痕处造成明显的坏点区域.刮痕处的离面位移量的值变化量较大，但是并未对周围的离面位移场分布造成明显的影响.离面位移量整体变化随加载量的增加呈线性增加.图5 有孔洞缺陷和有竖刮痕结结构材料样件表面离面位移场分布；(a)、(d)加载5 μm；(b)、(e)加载10 μm；(c)、(f)加载15 μmFig.5 Distributions of the out-of-plane displacement fields with hole defects and with vertical scratch;(a)、(d) loading 5 μm;(b)、(e) loading 10 μm;(c)、(f) loading 15 μm一侧粘有塑料板结构样件表面离面位移场分布如图6(a)～(c)所示.可以看出在粘有塑料板一侧表面的离面位移量比没有粘有塑料板的离面位移量较大.由于因为粘有板的一侧样件厚度增加，在相同的加载量下，加载弯曲时表面产生的离面位移量值较小，无粘塑料板一侧的加载弯曲时表面产生的离面位移量较大，导致样件表面两侧的离面位移量分布不同，与测量结果相符合.图6 一侧粘有塑料板和粘有梁结构样件表面离面位移场分布；(a)、(d)加载5 μm；(b)、(e)加载10 μm；(c)、(f)加载15 μmFig.6 Distributions of the out-of-plane displacement fields with one-side plastic sheet and beam;(a)、(d) loading 5 μm;(b)、(e) loading 10 μmm;(c)、(f) loadin g 15 μm.粘有梁结构样件表面离面位移场分布如图6(d)～(f)所示.可以看出后表面上加有梁结构的测试样件其表面整体的最大离面位移量比其他3种结构样件表面的离面位移量小，因为加载点作用在宽为5mm的梁上，传递到前表面上的力由于传递距离的增加而减小，使被测样件表面产生的整体离面位移量变小.由于梁的位置处在中心，所以在中间区域的离面位移量大，在底部两个角处的离面位移量较小.本文通过波数扫描干涉测量的方法，透视测量玻璃纤维增强复合材料不同结构下表面离面位移场分布.通过对比加载形变前后所有像素点光强序列的相频特性，还原出不同结构的被测样件表面离面位移场分布.实验结果表明，该方法可以测量不同结构样件表面的离面位移场分布，具有较高的测量精度和信噪比.因此该测量方法在复合材料的无损检测及力学特性测量上有较好的应用前景.【相关文献】[1] 杨忠清,吴富强,廉伟,等.玻璃纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的试验研究[J].玻璃纤维,2008,(5):19-23.Yang Z Q, Wu F Q, Lian W, et al. 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基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置
㊀２０２１年㊀第４期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．４㊀基金项目：国防科工局技术基础项目（ＪＳＪＬ２０１７２１２Ｂ００１）收稿日期：２０２０－０４－１０基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置陈㊀爽，彭希锋（中国工程物理研究院计量测试中心，四川绵阳㊀６２１９００）㊀㊀摘要：为提高位移传感器的校准准确度及效率，通过硬件系统组建及软件系统编制，研制了位移传感器自动校准装置㊂采用激光干涉仪作为长度基准，通过两级驱动的定位控制方式，可实现ｎｍ量级的高分辨力准确定位；综合考虑固有因素㊁环境因素及安装因素，进行了测量不确定度分析，分析结果表明其测量不确定度为Ｕ＝（０．１＋２Ｌ）μｍ；通过选用不同类型的位移传感器，依据校准规范进行了试验分析，验证了校准装置的合理性及有效性㊂关键词：位移传感器；激光干涉；校准；不确定度；自动化；纳米中图分类号：ＴＨ９２１㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０４－００２８－０６ＡｕｔｏｍａｔｉｃＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅｆｏｒＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＬａｓｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒＣＨＥＮＳｈｕａｎｇ，ＰＥＮＧＸｉ－ｆｅｎｇ（ＭｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１９００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｆｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｌａｓｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒａｓｌｉｎｅａｒｒｅｆｅｒ⁃ｅｎｃｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｍａｎｎｅｒｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｔｗｏｓｔｅｐｄｒｉｖｉｎｇ，ａｃｃｕｒａｔｅｈｉｇｈ⁃ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｔｈａｔｉｓｏｆｎａｎｏｍｅｔｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌｅｖｅｌｃｏｕｌｄｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｆａｃｔｏｒｏｆｉｎｈｅｒｅｎｃｅ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｗａｓＵ＝（０．１＋２Ｌ）μｍ．Ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙａｎｄｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｕ⁃ｓｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｔｈａｔｉｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｌａｓｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；ｎｍ０㊀引言随着测控技术的发展，越来越多的位移传感器应用到基础科研生产中㊂根据ＪＪＦ１３０５ ２０１１‘线位移传感器校准规范“，其校准过程复杂，测量准确度要求较高［１］㊂因此，针对位移传感器校准技术，中国一航的韩清华等利用光栅尺㊁导轨等建立了校准装置，装置的不确定度为（０．０１＋０．１Ｌ）ｍｍ［２］㊂南京航空航天大学的曾建华等利用测长仪㊁数字多用表及数采装置搭建了校准系统，编制了校准软件［３］；北京３０４所的唐志峰等研制了位移传感器全自动校准装置，并进行了实验验证，测量不确定度为（０．５＋２Ｌ）μｍ［４］；荷兰艾恩霍芬科技大学的Ｗｅｔｚｅｌｓ基于法布里－珀罗干涉仪，研制了高准确度校准装置，该装置在３００μｍ的测量范围内的不确定度达到了０．５ｎｍ，分辨力达到了０．１ｎｍ［５］㊂但以上装置或方法，在测量效率㊁测量范围㊁测量准确度及不确定度分析的科学性上依然存在一定的局限性㊂因此，本文基于激光干涉仪研制了一种位移传感器自动校准装置㊂基于校准方案㊁环境条件等因素，对其测量不确定度进行了分析，提高了校准效率及准确度，同时保证了测量不确定度分析过程更加合理㊂１㊀硬件组成１．１㊀组成及原理位移传感器校准装置的结构组成主要包括：激光干涉仪㊁驱动及定位单元㊁控制及数据采集单元等㊂激光干涉仪提供高准确度的位置反馈信号，通过驱动及定位控制单元实现全自动准确定位，最终通过数据采集系统单元，实现位移传感器输出信号的自动采集及处理㊂其硬件的组成如图１所示㊂图１㊀校准装置组成示意图㊀㊀㊀㊀㊀第４期陈爽等：基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置２９㊀㊀１．２㊀激光干涉仪选用双频激光干涉仪作为长度基准，以氦氖激光器作为光源，具有相干长度大㊁测量范围广等特点㊂通过配装的实时补偿系统，对波长以较高的数据更新速度进行补偿［６］㊂其结构组成如图２所示，主要包括：激光器㊁干涉镜㊁反射镜㊁接收器㊁环境传感器等㊂图２㊀双频激光干涉仪结构图１．３㊀驱动及定位单元驱动形式上主要采用两种方式，即工作台在步进电机的驱动上实现粗进给和快速定位，选用滚珠丝杠和高准确度的直线运动导轨进行驱动导向，满足传动平稳㊁阻力小等要求；微动台在压电陶瓷电机驱动控制下实现高分辨力定位㊂二者可以二级联动或根据校准需要单独定位㊂驱动及定位单元的结构如图３所示㊂图３㊀驱动及定位单元结构组成１．４㊀控制及数据采集单元位移传感器校准装置控制及数据采集单元的结构组成如图４所示，主要包括：直流稳压电源㊁数字多用表㊁滚珠丝杠运动平台控制器㊁线性压电运动平台控制器㊁环境传感器数据采集器㊁激光干涉仪位移数据采集器等㊂其中直流稳压电源主要用于不同类型传感器的供电；数字多用表选用Ａｇｉｌｅｎｔ３４４０１Ａ，用于传感器输出模拟信号采集；环境传感器主要用于大气温度㊁相对湿度及大气压力的实时监测，从而实现激光干涉仪波长的自动补偿，保证长度基准的高准确性㊂１．５㊀硬件安装实物图５为位移传感器校准装置的安装实物㊂为防止空气气流扰动造成激光干涉仪示值稳定性降低，同时避免外界温度变化带来的热冲击，将装置置于ＰＶＣ材质隔离罩内㊂为避免环境随机振动对校准结果的影响，整个装置安装在被动式隔振平台上㊂图４㊀控制及数据采集单元结构组成图５㊀校准装置安装实物２㊀校准软件２．１㊀流程及功能校准软件采用ＬａｂＶＩＥＷ编程语言进行模块化设计，其流程如图６所示㊂可实现传感器信息的录入㊁校准控制参数的设置㊁校准过程数据的自动采集及处理㊁报表的自动生成等功能㊂主要包括：数据采集模块㊁控制模块㊁数据处理模块及报表生成模块，软件界面如图７所示㊂２．２㊀驱动及定位控制驱动及定位控制模块是校准软件最重要的部分，其驱动及定位控制逻辑如图８所示㊂通过上位机及运动控制器，控制滚珠丝杠运动平台进行粗进给㊂等待其到达目标位置并停止后，再根据残余位移量，循环控制线性压电平台进行精进给㊂待激光干涉仪的相对位移读数与目标位置的差值达到设计的容差要求（６ｎｍ）后，运动停止㊂㊀㊀㊀㊀㊀３０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０２１㊀图６㊀校准流程图７㊀软件界面图８㊀驱动及定位控制逻辑３㊀不确定度分析３．１㊀总体分析根据文献［７］，位移传感器校准装置不确定度来源的组成部分及一般分布情况如图９所示㊂主要包括固有因素㊁环境因素㊁安装因素所引入的不确定度分量㊂图９㊀不确定度组成及分布情况３．２㊀固有因素引入的不确定度３．２．１㊀波长误差波长的准确度是以真空环境下作为参考的，其准确度为ʃ０．０２ˑ１０－６Ｌ，取Ｌ为测量范围的上限，即０．２ｍ，属于均匀分布，则：ｕｇ１＝０．０２ˑ１０－６Ｌ／３＝２．３ｎｍ（１）３．２．２㊀电子量化误差电子误差是由于电子或光学手段进行扩展细分所带来的不确定性，属于量化误差，其值等于数字分辨力，即１ｎｍ，属于均匀分布，则：ｕｇ２＝１／３＝０．６ｎｍ（２）３．２．３㊀非线性误差干涉镜的非线性误差是周期性的，对于不同的干涉镜，误差各不相同，周期变化规律如图１０所示㊂从图１０可以看出相位误差的峰谷值为５．４ʎ，相当于４．２ｎｍ的位移误差，属于均匀分布，则：ｕｇ３＝４．２／３＝２．４ｎｍ（３）图１０㊀光程差变化引起的非线性误差㊀㊀㊀㊀㊀第４期陈爽等：基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置３１㊀㊀３．３㊀环境因素引入的不确定度３．３．１㊀波长补偿误差大气中的实际波长λＡ受大气折射率的影响㊂同时大气的折射率将随着空气的温度㊁湿度㊁压力及大气的气氛组成的变化而发生改变㊂因此，本文利用修正后的Ｅｄｌｅｎ方程进行补偿，如式（４），式（５）所示［８］：Ｃ＝１０６Ｎ＋１０６（４）Ｎ＝５１．１４７５３ｐˑ［１＋１０－６（０．８１７－０．０１３３Ｔ）１＋０．００３６６１０Ｔ］－３．０３３ˑ１０－３ˑＨˑｅ０．０５７６２Ｔ（５）式中：Ｃ为波长补偿系数；Ｎ为空气折射率；ｐ为空气压力，Ｐａ；Ｔ为大气温度，ħ；Ｈ为相对湿度，％；由于本装置采用空气传感器进行环境参数测量，将引入传感器误差，传感器的技术指标如表１所示㊂表１㊀空气传感器技术指标温度参数湿度参数压力参数测量范围０ ４０ħ１０％ ９０％７０ １１０ｋＰａ误差限ʃ０．１ħʃ５％ʃ８０Ｐａ㊀㊀采用蒙特卡洛法（ＭＣＭ）进行标准不确定度的评定㊂样本容量为２ˑ１０６次，采用均匀分布的抽样方式进行数值模拟㊂最终得到波长补偿系数的试验标准偏差为０．１３７ˑ１０－６，其波长补偿系数的分布情况如图１１所示㊂图１１㊀波长补偿系数分布同时Ｅｄｌｅｎ方程是经验公式，其带来的补偿不确定度约为０．０５ˑ１０－６Ｌ，因此波长补偿所引入的不确定度分量为ｕｈ１＝０．１３７２＋０．０５２ˑ１０－６Ｌ＝０．１５ˑ１０－６Ｌ（６）式中：Ｌ为测量范围，单位为ｍ㊂３．３．２㊀材料温度补偿误差由于位移传感器不带温度补偿功能，同时热稳定性本身就是衡量传感器优劣的重要技术指标㊂因此，只需校准传感器在实际环境条件下的准确度，无需进行材料温度补偿㊂３．３．３㊀热漂移误差光学元件的热漂移误差是由于温度的变化，光程发生变化所引起的㊂本校准装置的光路如图１２所示㊂从图中可知，光路ｆａ和光路ｆｂ光程相同㊂但由于相同类型的光学镜片存在材料㊁尺寸等细微差异，依然会存在热漂移误差，约为１０ｎｍ／ħ，属于均匀分布，即２．９ｎｍ㊂图１２㊀线性干涉光路图３．４㊀安装因素引入的不确定度３．４．１㊀死程误差死程误差是由于测量过程中，环境参数发生变化，测量路径区间Ｌ和死程区间Ｄ采用了不同的补偿系数，而导致零位发生变化所产生的误差㊂其误差产生的原理如图１３所示㊂图１３㊀死程误差原理图对于死程误差可利用波长补偿系数通过软件进行自动修正㊂但由于计算得到的大气波长补偿的重复性，修正死程误差后所引入的标准不确定度分量为ｕａ１＝（０．２５－Ｌ）ˑ０．１５ˑ１０－６（７）式中：Ｌ为传感器测量范围，ｍ㊂３．４．２㊀阿贝误差阿贝误差是由于位移传感器与激光干涉仪测量轴线存在偏距ｅ及角度串扰所造成的㊂角锥反射镜的角度串扰是由滚珠丝杠线性平台及压电线性平台在俯仰及偏摆自由度上所引起的角度变化，所使用的运动平台的技术指标如表２所示㊂表２㊀运动平台技术指标运动平台俯仰角窜动／μｒａｄ偏摆角窜动／μｒａｄ压电线性位移平台ʃ８０ʃ８０滚珠丝杠位移平台ʃ１００ʃ１００则阿贝误差引入的不确定度分量为：ｕａ２１＝ｅｔａｎ（１８０μｒａｄ）／３（８）假设在水平方向上的偏摆角度串扰与偏距相同，则整个校准装置阿贝误差所引入的不确定度分量ｕａ２如式㊀㊀㊀㊀㊀３２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０２１㊀（９）所示，其中偏距ｅ通过工艺参数控制可小于０．２ｍｍ㊂ｕａ２＝２ｕａ２１＝３０ｎｍ（９）３．４．３㊀余弦误差余弦误差产生的原因主要包括：光路准直调整后激光干涉仪与平台运动轴线依然不平行；位移传感器的测量轴线与平台运动轴线的不平行㊂通过多次往返运动进行光路准直的调整，可以有效减小余弦误差，但由于角锥镜的固有特性，其依然存在，则：ｕａ３１＝０．０３１２５０ˑ１０－１２Ｌ／Ｈ２＝０．２ˑ１０－６Ｌ（１０）式中：Ｈ为光路准直调整范围，即０．３ｍ；Ｌ为测量范围，ｍ㊂图１４为垂直方向余弦误差分析图㊂图１４㊀垂直方向余弦误差分析图１４中Ｏ１Ｅ为反射镜测量面，Ｏ２Ｆ为位移传感器测量面，ＡＢ为激光测量轴线，ＣＤ为位移传感器测量轴线，α为Ｏ１Ｅ与平台运动轴线的夹角，β为ＣＤ与平台运动轴线的夹角，Δ１为激光干涉仪的位移变化量，Δ２为位移传感器的位移变化量，则垂直方向余弦误差引入的不确定度为ｕａ３２＝Δ２－Δ１Δ１＝ｓｉｎαｓｉｎ（α－β）－１（１１）通过工艺控制，夹角α为８９．８９ʎ，β为０．０３１３ʎ㊂同时，假设在水平方向上的夹角仍为α和β，则整个校准装置余弦误差引入的标准不确定度分量ｕａ３为：ｕａ３＝ｕ２ａ３１＋２ｕ２ａ３２ˑＬ＝２ˑ１０－６Ｌ（１２）式中：Ｌ为测量范围，ｍ㊂３．５㊀校准装置扩展不确定度根据不确定度理论及各不确定度分量的相关性，位移传感器校准装置的不确定度计算如式（１３）所示，即：Ｕ＝（０．１＋２Ｌ）μｍ，Ｌ单位为ｍ㊂Ｕ＝２（ｕ２ｇ１＋ｕ２ｇ２＋ｕ２ｇ３＋ｕ２ｈ２＋ｕ２ｈ３＋ｕ２ａ２＋（ｕｈ１＋ｕａ１）２＋ｕａ３）（１３）４㊀４．１㊀不同反射面校准性能验证根据文献［９］表明，被测物体反射面的反光强度对激光位移传感器的技术指标有较为明显的影响㊂因此，选用编号为１３５１１０３３Ｈ，线性度为ʃ０．０２％，编号为１２０８９３７２，线性度为ʃ０．１％的激光位移传感器，分别对黑色反射面及白色反射面进行了２组对比试验，试验结果如表３所示㊂表３㊀不同颜色反射面传感器校准结果比较％传感器编号反射面颜色传感器基本误差１２３４５６均值１３５１１０３３Ｈ黑色０．０３０．０３０．０３０．０２０．０３０．０３０．０２８白色０．０１０．０１０．０２０．０１０．０１０．０１０．０１２１２０８９３７２黑色０．１００．１１０．１００．１１０．１１０．１００．１０７白色０．０７０．０７０．０７０．０７０．０６０．０７０．０６９㊀㊀从表３可以看出反光性强的白色反射面校准结果优于反光性弱的黑色反色面㊂因此，以平面度及平行度都较好的白色陶瓷量块作为激光位移传感器校准的反射物㊂同时，可根据实际使用工况，更换不同反光强度目标物作为反射面㊂４．２㊀定位准确度验证为验证位移传感器校准装置在实际工况下目标位置的定位准确度及重复性，对校准装置在０ ２００ｍｍ的量程范围内１０个位置点进行了往返３次测量，其测量结果如图１５所示㊂由图１５可以看出校准装置在每个目标位置定位偏差的最大值为－６ｎｍ㊂单点目标位置定位的重复性为３．５ｎｍ㊂图１５㊀各目标位置定位误差４．３㊀校准结果比对验证以线性度为０．０２％，测量范围为－１７ １７ｍｍ的激光位移传感器为对象，试验原始数据如表４所示㊂表４㊀激光位移传感器试验数据ｍｍ位移位移输出值进程１回程１进程２回程２进程３回程３－１７－１７．０２１０－１７．０２１０－１７．０２１５－１７．０２１５－１７．０２１２－１７．０２１３－１３．６－１３．６１４９－１３．６１４９－１３．６１５４－１３．６１５３－１３．６１５２－１３．６１５２－１０．２－１０．２１１８－１０．２１１８－１０．２１２３－１０．２１２０－１０．２１２０－１０．２１２０－６．８－６．８０７７－６．８０７５－６．８０８１－６．８０８２－６．８０７７－６．８０８０－３．４－３．４０２９－３．４０３０－３．４０３３－３．４０３４－３．４０３２－３．４０３１００．０００００．０００１０．００００－０．０００２－０．０００２－０．０００２３．４３．４０２９３．４０３０３．４０２８３．４０２６３．４０２６３．４０２６６．８６．８０５０６．８０５０６．８０５０６．８０４８６．８０４６６．８０４７１０．２１０．２０５８１０．２０５８１０．２０５７１０．２０５６１０．２０５５１０．２０５５１３．６１３．６０５４１３．６０５３１３．６０５３１３．６０５１１３．６０５１１３．６０４９１７１７．００５６１７．００５５１７．００５４１７．００５３１７．００５２１７．００５２㊀㊀㊀㊀㊀第４期陈爽等：基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置３３㊀㊀㊀㊀以线性度为０．５％，测量范围为－２．５ ２．５ｍｍ的ＬＶＤＴ位移传感器为试验对象，试验原始数据如表５所示㊂表５㊀ＬＶＤＴ位移传感器试验数据位移／ｍｍ电压输出值／Ｖ进程１回程１进程２回程２进程３回程３－２．５４．０９５３４．０９５１４．０９５３４．０９５１４．０９５１４．０９５０－２．０３．３０１６３．３００３３．３０１６３．３００５３．３０１６３．３００４－１．５２．４９１０２．４８９３２．４９１１２．４８９６２．４９１０２．４８９６－１．０１．６６７８１．６６６２１．６６７８１．６６６６１．６６７８１．６６６７－０．５０．８３６３０．８３４７０．８３６５０．８３５２０．８３６３０．８３５３００．００００－０．０００８０．０００８－０．０００２０．０００９０．０００００．５－０．８３５６－０．８３６２－０．８３５０－０．８３５６－０．８３４８－０．８３５５１．０－１．６６８２－１．６６８５－１．６６７５－１．６６７８－１．６６７４－１．６６７６１．５－２．４９３８－２．４９４１－２．４９３２－２．４９３４－２．４９２７－２．４９３１２．０－３．３０８０－３．３０８１－３．３０７４－３．３０７０－３．３０７０－３．３０７１２．５－４．１０４１－４．１０４６－４．１０３５－４．１０４０－４．１０３３－４．１０３９㊀㊀对以上校准数据进行分析计算，根据计量比对的方式，采用Ｅｎ值比对的方法进行验证［１０］㊂表６为本校准装置与上级计量机构校准结果的比对结果㊂从表６可以看出，比对结果的Ｅｎ值＜１，验证了本校准装置的可靠及校准方法的合理性㊂表６㊀位移传感器校准比对结果直流差动式激光式基本误差测量不确定度Ｅｎ值基本误差测量不确定度Ｅｎ值本装置０．３３％０．０９％０．１０．０１％０．０１％０．４上级机构０．３４％０．１０％０．０２％０．０２％５㊀结束语针对位移传感器校准的准确度及效率问题，基于激光干涉仪研制了具有ｎｍ分辨力定位功能的位移传感器自动化校准装置㊂介绍了其硬件结构组成及工作原理，校准软件的功能流程及定位控制逻辑㊂综合考虑固有因素㊁环境因素及安装因素，对校准装置进行了系统性的不确定度分析㊂并通过试验分析，验证了校准装置的性能及有效性㊂参考文献：［１］㊀全国几何量工程参量计量技术委员会．线位移传感器校准规范：ＪＪＦ１３０５－２０１１［Ｓ］．北京：中国质检出版社，２０１１．［２］㊀韩清华，王海英，董延军，等．线位移传感器校准的一种新装置［Ｊ］．计测技术，２００８，２８（５）：２０－２２．［３］㊀曾建华，卢普杰，窦松柏，等．位移传感器自动化校准技术研究与应用［Ｊ］．测控技术，２０１０（２９）：３０１－３０４．［４］㊀唐志峰，何小妹，王晓梅．位移传感器校准技术研究［Ｊ］．计测技术，２０１１，３１（６）：１５－１７．［５］㊀ＷＥＴＺＥＬＳＳＦＣＬ，ＳＣＨＥＬＬＥＫＥＮＳＰＨＪ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｔｒａｃｅａｂｌｅｌａｓｅｒ⁃ｂａｓｅｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｎａｎｏｍｅｔｅｒａｃｃｕｒａｃｙ［Ｒ］．ＥｉｎｄｈｏｖｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｃｔｉｏｎ，１９９７．［６］㊀所睿，范志军，李岩．双频激光干涉仪技术现状与发展［Ｊ］．激光与红外，２００４，３４（４）：２５１－２５３．［７］㊀程维明，葛轶君．精密定位中的激光干涉测量误差分析［Ｊ］．上海工程技术大学学报，２００６，２０（４）：２８７－２９０．［８］㊀ＥＤＬＥＮＢ．Ｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｆａｉｒ［Ｊ］．Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，１９６６，２，７１－８０．［９］㊀李演楷．激光位移传感器输出特性分析及应用［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１１．［１０］㊀中国人民解放军总装备部电子信息基础部．军事计量测量标准建立与保持通用要求：ＧＪＢ２７４９Ａ－２００９［Ｓ］．北京：中国质检出版社，２００９．作者简介：陈爽（１９８８ ），工程师，工学硕士，主要研究领域为几何量精密测量技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１５１８３１４４１＠ｑｑ．ｃｏｍ彭希锋（１９８７ ），工程师，工学硕士，主要研究领域为几何量精密测量技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｐｘｆ３３＠１６３．ｃｏｍ（上接第７页）［１２］㊀刘勇，陈昌明，高睿．基于基片集成波导的湿度传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１８，３７（２）：８９－９１．［１３］㊀ＣＨＡＮＧＫ，ＫＩＭＹＨ，ＫｉｍＹＪ，ｅｔａｌ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｎｔｅｎｎａｉｎ⁃ｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｐｏｌｙｉｍｉｄｅｆｏｒｐａｓｓｉｖｅＲＦＩＤｓｅｎｓｉｎｇ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００７，４３（５）：２５９．［１４］㊀ＶＩＲＴＡＮＥＮＪ，ＵＫＫＯＮＥＮＬ，ＢＪＯＲＮＩＮＥＮＴ，ｅｔａｌ．Ｉｎｋｊｅｔ⁃ｐｒｉｎｔｅｄｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｆｏｒｐａｓｓｉｖｅＵＨＦＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１１，６０（８）：２７６８－２７７７．［１５］㊀ＣＨＥＮＣＭ，ＸＵＪ，ＹＡＯＹ．ＳＩＷｒｅｓｏｎａｔｏｒｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｌａｙｅｒｅｄｂｌａｃｋｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１７，５３（４）：２４９－２５１．作者简介：熊荣（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为射频与微波电路设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：５７６２４５９０３＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：陈昌明（１９７１ ），教授，硕士生导师，主要研究方向为射频㊁微波／毫米波电路与系统以及天线设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｃｍｌ＿ｍｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ。
基于激光干涉的微小位移测量方法研究
基于激光干涉的微小位移测量方法研究激光干涉技术是一种能够高精度地测量微小位移的方法，广泛应用于各种领域，包括科学研究、工业制造和生物医学等。
本文将对基于激光干涉的微小位移测量方法进行研究，探讨其原理、应用和发展前景。
1. 方法原理基于激光干涉的微小位移测量方法利用激光光束经过分束器分为两束，分别照射到被测物体的不同位置。
其中一束光直接照射到被测物体的表面，另一束光通过反射或透过被测物体后再反射回来，两束光在接收器上发生干涉。
通过比较两束光的相位差，即可计算出被测物体的微小位移。
2. 测量系统组成基于激光干涉的微小位移测量系统主要由激光器、分束器、参考光路、被测光路、光学器件和接收器等组成。
其中激光器产生单色、相干光源，分束器将激光分为两束，参考光路和被测光路分别接收两束光，经过光学器件的干涉后，通过接收器接收干涉光信号。
3. 主要应用领域基于激光干涉的微小位移测量方法在许多领域都有广泛的应用。
在科学研究方面，可以用于材料力学性能的研究、纳米技术的发展等。
在工业制造中，可以应用于机械零部件的精度检测、光学元件的测试等。
在生物医学领域，可以用于心脏跳动、血液流动等生物信号的测量。
4. 系统改进和发展趋势基于激光干涉的微小位移测量方法在实际应用中还存在一些问题，如对环境光的敏感性、高频振动的干扰等。
为了改善系统的稳定性和精度，研究人员正在不断探索新的方法和技术。
其中，数字干涉技术和相位准确度提高技术是两个重要的改进方向。
数字干涉技术利用数字信号处理技术将干涉光信号转换为数字信号进行处理，可以提高系统的稳定性和抗干扰能力。
相位准确度提高技术通过改善光路设计和增加相位校准装置，提高系统的相位测量精度。
此外，新的光学材料和光学器件的发展也将为基于激光干涉的微小位移测量方法带来更多的应用和突破。
5. 结论基于激光干涉的微小位移测量方法是一种高精度、非接触的测量技术，在许多领域有着广泛的应用前景。
通过对系统原理、应用领域和发展趋势的研究，我们可以看到该方法在科学研究、工业制造和生物医学等方面的巨大潜力。
基于激光测振仪的兰姆波离面和面内位移检测
1 理论模型
1.1 模态位移场的模拟 模态的位移场是对 EMAT—激光测位移检测系
统进行理论建模的基础，此处对其进行详细论述，
并说明利用兰姆波的波结构，进行模态位移场的模
拟的方法。
二维模态位移场模拟的计算控制公式如下。
ux
=Ux
exp{i(kx
-wt
+
π 2
)}
×
ex
(1)
uz = U z exp{i(kx - wt)}× ez
近年来许多学者利用激光测振仪对离面和面内位移进行测量实现兰姆波检测研究利用激光测振仪测量板中的离面位移进行a0模态兰姆波的检测试验证明其测量效果与压电晶片测量效果一致是一种有效的检测兰姆波的手段并利用三台分布于不同位置的激光测振仪进行了兰姆波3d利用扫描式多普勒激光测振仪对具有复杂几何外形铝板中的超声兰姆波漫射场进行了试验研究
及其在远场一点处激励产生出的兰姆波离面位移
uz(r) 和面内位移 ur (r ) 的表达式
uz (r )
=
Fr
×
ikw 8
mx mz
cos(q )H (1) (kr) exp(-iwt) 0
(5)
ur (r )
=
Fr
× ikw 8
mx mx
cos(q )H (1) (kr) exp(-iwt) 0
式中， ui( j) 的下标， i 表示产生的振动方向， j 表
本文所用全方向激励兰姆波的 EMAT 为文献[9] 研制的编号为 VII 的传感器，并进行了改进设计， 其内线圈直径 10 mm，外线圈直径 28 mm，上下表 面线圈严格对称，绕线方式保证上下表面线圈中电 流方向一致，线圈结构如图 2 中所示。文献[9]中已 有关于 EMAT 激励接收的理论模型，此处对 EMAT —激光测振仪组成的检测系统进行建模分析。
一种基于激光调制的高精度位移测量方法
一种基于激光调制的高精度位移测量方法翟玉生;蒋留杰;王新杰;张志峰;刘佳明【摘要】The displacement measurement system based on laser collimation technology has been used in many fields.The core device of measurement system is the position sensitive detector.Such as stray light,power fluctuation and noise of photoelectric signal processing circuit,these factors can affect the measurement accuracy.To solve these problems,a high-precision displacement measurement method based on laser modulation was ser was operated in a modulation mode,instead of continuous laser mode.A photoelectric signal processing circuit was designed and optimized,and a program based on Labview was designed to implement the functions such as spectrum analysis,bandpass filtering and mean processing.Through the experiments and analysis,the measurement stability of two methods was compared.The experimental results show that the fluctuation of measurement results decreases from 7 μm to 2.6 μm,The effectiveness of laser modulation was verified,which can reduce the noise effectively by filtering and improve the measurement accuracy within 3 μm.%激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用,其核心器件是位置敏感探测器,环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素.针对以上问题,提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法.将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出,优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统,通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等,对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析,并对比了位移测量的稳定性.实验结果表明:其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm,验证了基于激光调制方法的有效性,可以通过滤波更加有效地消除噪声,测量精度提高至3μm以内.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)002【总页数】5页(P230-234)【关键词】位移测量;激光准直技术;激光调制;滤波【作者】翟玉生;蒋留杰;王新杰;张志峰;刘佳明【作者单位】郑州轻工业学院物理与电子工程学院,河南郑州 450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州 450002;郑州轻工业学院机电工程学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院物理与电子工程学院,河南郑州 450002;郑州轻工业学院物理与电子工程学院,河南郑州 450002【正文语种】中文【中图分类】TN247位移测量作为最基本的参量测量，被众多应用领域所需求。
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8
机 械 工 程 学 报
第 48 卷第 8 期期
域，即在无线圈的地方牵引力为零，且在线圈覆盖 区域内的任何地方牵引力大小相同，设 rr ( R) =1 N/m2， 方向沿径向(取此方向为以微元为中心的极坐 标的极轴)。 计算 EMAT 线圈微元在(d, 0)点所产生的振动， 几何关系如式(4)所示 r ( d R cos ) 2 ( R sin ) 2 (4) R sin arctan d R cos 式中，r、 分别为以微元为中心，以径向为极轴的 极坐标系参量。 当测量距离远大于 EMAT 线圈的半 径时，即 d R ，可以将式(4)作如下近似 r d R cos 引用文献[9，11]中关于一个仅含有面内位移的谐波 振动点产生出超声兰姆波的激励可能性的定义，以 及其在远场一点处激励产生出的兰姆波离面位移 u z ( r ) 和面内位移 ur ( r ) 的表达式
x , t 0 (3) 2 2 式中，Ux、Uz 分别为波结构图中相应厚度处对应的 面内位移和离面位移； e x 、 e z 为单位坐标矢量，其
图2
EMAT—激光测振仪测试系统理论模型
u ux uz
中 x 方向为波传播方向， z 方向为垂直于板表面方向。 式(1)与式(2)中相位相差 π / 2 是考虑了泊松比效 应，使得 ux 最大时， uz =0。总位移场由式(3)求出。 采用以上方法计算的 3 mm 厚铝板中 200 kHz 时的模态位移场如图 1 所示， 左侧为模态位移场图， 右侧为相应的波结构图。图 1a 表明 A0 模态在上下 表面处，离面位移占主导，此模态的激励与接收， 要求传感器对离面位移敏感。图 1b 表明 S0 模态在 上下表面处，面内位移占主导，此模态的激励与接
第 48 卷第 8 期 2 0 12 年 4 月
机
械
工
程
Hale Waihona Puke 学报Vol . 4 8 Apr.
No. 8 2012
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2012.08.006
基于激光测振仪的兰姆波离面和面内位移检测*
1
1.1
理论模型
模态位移场的模拟 模态的位移场是对 EMAT—激光测位移检测系
统进行理论建模的基础，此处对其进行详细论述， 并说明利用兰姆波的波结构，进行模态位移场的模 拟的方法。 二维模态位移场模拟的计算控制公式如下 π (1) ux U x exp i kx t e x 2 uz U z exp i kx t e z (2)
何存富 郑 阳 周进节 吴 斌
(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院 北京 100124)
摘要：激励模态和频响特性是超声导波传感器性能评估的两个重要指标，而传统的传感器，如压电传感器和电磁声传感器 (Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)等，受自身带宽和模态选择性的影响，无法有效地实现这两个参数的评估。激光 测振仪可以测量结构中弹性波原始的离面和面内位移，且测量不受带宽的限制，因而是进行超声导波传感器激励模态测定和 频响特性测量的理想方法之一。采用此种方法对一种周向一致激励兰姆波的 EMAT 进行测试，结果表明，此传感器在 150～ 210 kHz 的范围内能激励产生出单一 S0 模态兰姆波，在 50～150 kHz 范围内，A0 模态与 S0 模态共存。利用激光测振仪检测 离面和面内位移的方法，是进行传感器评估和兰姆波接收的有效方法，在超声导波的非接触测量、高温波导体检测及弹性波 传播 3D 可视化方面也有广阔的应用前景。 关键词：激光测振仪 兰姆波 离面位移 面内位移 电磁声传感器 中图分类号：TG52 TB553
0
前言
兰姆波广泛应用于对压力容器[1]、船舰[2]等常 规板材结构和飞机机身[3]、风力机叶片[4]等复合材 料板的无损检测与结构健康监测中。兰姆波的离面 和面内位移测量，是分析板中存在的兰姆波模态、
国家自然科学基金资助项目(10972014)。20110630 收到初稿，20111216 收到修改稿
收，要求传感器对面内位移敏感。
图1
3 mm 厚铝板中 200 kHz 时的模态位移场
1.2 EMAT—激光测振仪检测系统理论模型 本文所用全方向激励兰姆波的 EMAT 为文献[9] 研制的编号为 VII 的传感器，并进行了改进设计， 其内线圈直径 10 mm，外线圈直径 28 mm，上下表 面线圈严格对称，绕线方式保证上下表面线圈中电 流方向一致，线圈结构如图 2 所示。文献[9]中已有 关于 EMAT 激励接收的理论模型，此处对 EMAT— 激光测振仪组成的检测系统进行建模分析。
Abstract： Excited modes and frequency response are two key parameters of ultrasonic guided wave transducers evaluating. However, traditional transducers such as piezoelectric transducer and electromagnetic acoustic transducer (EMAT) can’t measure these two parameters efficiently because of the limit of frequency bandwidth and mode selection of themselves. Laser vibrometer can be employed to measure the raw in-plane and out-of-plane displacement of elastic waves in the structure without the limit of bandwidth. Thus it could be one of the ideal methods to identity the excited modes and measure the frequency response curve. A kind of omnidirectional lamb wave EMAT is been inspected by this method. The results show that the transducer can produce purity S0 mode in 150～200 kHz and both A0 and S0 mode in 50～150 kHz. It can be predicted that the method using laser vibrometer to detect the in-plane and out-of-plane displacement is an efficient method of evaluating the transducer and receiving Lamb waves, and can be widely used in no-contact measurement, high temperature testing and 3D visualization of elastic waves propagation. Key words：Laser vibrometer Lamb wave Out-of-plane displacement In-plane displacement Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) *
In-plane and Out-of-plane Displacement of Lamb Waves Test with Laser Vibrometer
HE Cunfu ZHENG Yang ZHOU Jinjie WU Bin
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124)
评价超声导波激励传感器的性能和模态转换等研究 的关键问题，而利用传统的传感技术，无法准确测 量得出兰姆波的离面和面内位移。近年来，许多学 者利用激光测振仪对离面和面内位移进行测量，实 现兰姆波检测研究[5]。STASZEWSKI 等[6]利用激光 测振仪测量板中的离面位移，进行 A0 模态兰姆波 的检测，试验证明其测量效果与压电晶片测量效果 一致，是一种有效的检测兰姆波的手段，并利用三 台分布于不同位置的激光测振仪进行了兰姆波 3D
ik (1) u z ( r ) Fr 8 mx mz cos( ) H 0 (kr ) exp(i t ) (5) ik (1) ur ( r ) Fr mx mx cos( ) H 0 (kr ) exp(i t ) 8 式中，ui ( j ) 的下标 i 表示产生的振动方向， j 表示激
2
2.1
试验方法与信号处理
仪器与装置介绍
试 验 仪 器 系 统 由 Handyscope HS3 (Tie Pie Engineering, 50 MS/s)、 单点激光测振传感器(Polytec OFV-505 Single point vibrometer sensor head)、激光 测振控制器(Polytec OFV 2700 Ultrasonics Vibrometer Controller)、功率放大器(Amplifier Research, Model 75A250)、计算机、铝板(3 mm 厚，140×125 mm)和 EMAT 组成。 如图 3 所示，HS3 作为信号激励和采集模块， 产生 5 个周期经汉宁窗调制的正弦波信号输出给功 率放大器，并同时接收来自功率放大器输出端的信 号和激光测振仪的信号。功率放大器输出信号驱动 EMAT 在 3 mm 铝板中激励产生兰姆波，传播信号 被激光测振仪接收并记录， 计算机通过 USB 接口与 HS3 相连接，实现信号的激励与接收控制。面内位 移测量时，激光测振传感器将光束打在板端面正中 心的位置，其头部距端面 438 mm(由激光测振传感 器的最大灵敏度距离决定，可查手册获得)，EMAT 距端面测试点 500 mm，测试装置如图 3a 所示。离 面位移测量时，激光测振传感器将光束打在铝板上 表面，其头部距板表面 234 mm(由激光测振传感器 的最大灵敏度距离决定，并处于适合安装的位置)， EMAT 距端面测试点 300 mm， 测试装置如图 3b 所示。