现代光学测量技术范文

导语：如何才能写好一篇现代光学测量技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：光学三维测量；三维激光扫描；面结构光

光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。

1 光学三维测量的分类

图1 光学三维测量技术分类图

光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。以下介绍几种常见的光学三维测量方法。

图2 三维激光扫描工作原理图

三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。三维激光扫描仪包括发射器和接收器。发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。

双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。此过程与人眼的立体视觉原理相类似[2]。

面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将明暗相间光栅条纹投影到待测物体上。物体高度的变化引起光栅条纹的形变。条纹形变可认为是载波信号相位和振幅被空间物体调制。数码相机拍摄调制后的图像，对其进行解调制，获得物体的整个高度信息值，依照三角法原理，形成物体的三维立体影像[3]。

2 光学三维测量的应用

光学三维测量技术具有诸多优势，如非接触式测量、高精确度、快速获得结果等。光学三维测量技术主要应用在虚拟现实、逆向工程、医学工程等领域。

2.1 虚拟现实

利用光学三维测量技术对实物外形进行三维形貌扫描，经过三维建模软件处理，在计算机内生成人物、场景的三维模型。由三维模型生成人物动作，实现动画制作，满足电脑游戏、CG特效等场合需要。

2.2 逆向工程

逆向工程是利用光学三维测量设备获取物体表面上所有点的三维立体坐标，根据坐标点信息利用三维设计软件进行实物模型重建的过程。逆向工程获得的模型被用于改进、完善原有的产品，被广泛地应用到磨具开发、汽车制造等领域，是现代产品快速开发的重要技术手段。

2.3 生物、医学工程

运用光学三维测量技术获得人体骨骼、肌肉的数据用于人体工程学研究。例如根据人体相关三维数据，制作出符合人体生理结构的防护头盔、防护服等。三维光学测量技术还可以测量伤口的尺寸、分析人的面部结构、设计牙齿矫形手术等。

参考文献

[1]潘建刚.基于激光扫描数据的三维重建关键技术研究[D].北京：首都师范大学，2005.

[2]隋婧，金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].电子技术应用，2004，30（10）：4-7.

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关键词：齿轮测量 齿轮误差 测量技术

中图分类号：TG86 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0076-01

齿轮测量技术的发展屹今为止已有近百年历史，一般将其分为以齿廓、齿向与齿距测量为基础的分析式测量，以综合测量为基础的功能式测量和将单项与综合集于一体的齿轮整体误差测量，随着现代科学技术的不断进步，齿轮测量技术也有了新的发展，主要体现在三个方面，首先是在测量原理方面实现了从“比较测量”到“啮合运动测量”再到“模型化测量”；再者就是实现测量原理的技术手段在经历了“以机械为主”到“机电结合”的过程后，发展为现在的“光-机-电”与“信息技术”的综合集成；最后是在表述与利用测量结果方面经历了“指示表加肉眼读取”到“记录器记录加人工研判”再到现在“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。并且与此同时，齿轮测量仪也是经历了从单品种单参数仪器到单品种多参数仪器的转变，最后演变为现在的多品种多参数的仪器。该文研究者针对齿轮测量技术的新发展进行分析，分别论述基于新测量原理的齿轮快速测量技术、基于光学方法的齿轮并行测量技术以及面向网络的齿轮闭环测量技术。

1 基于齿轮双面啮合多维测量原理的齿轮在线快速测量技术

传统的齿轮在线快速测量技术一般都是采用齿轮双面啮合测量的原理，因为这一原理十分简单，且测量效率又高，对环境没有什么严格的要求，同时又具备可使测量齿轮制作更加简便的特点，满足了快速测量的要求，过去对齿轮双面啮合测量技术的研究主要在两个方面，一个是采用微电子与计算机技术，实现测量过程的自动化，并对测量结果进行各种分析与处理；另一个是测量方法蕴涵并掩盖的信息量，通过改变测量齿轮的结构形式来尽可能多的挖掘出新的齿轮误差信息，但是这些努力都没有改变齿轮以啮测量的本质，通过这项测量技术所获得的径向综合误差是综合了齿轮左右齿面多种单项误差作用的结果，主要反映了被测齿轮的径向误差，最后经理论与实践证明，通过以啮测量所获得的结果很难保证齿轮轴向精度指标能否合格，而且齿轮轴向的精度在一定程度上是由齿轮寿命、振动与噪声决定的，虽然在计量室条件下测量齿轮轴向精度都是比较成熟的技术，但是面向生产现场中大批量齿轮的快速检测中，想要快速获取齿轮的轴向精度信息是十分困难的。而齿轮双面啮合多维测量原理就是这时候发展起来的，当被测齿轮与测量齿轮作无侧隙啮合滚动时，测量中心距的变化量与齿轮的轴线偏摆量，再处理多路测量信号并获取齿轮的径向综合误差与轴向误差信息。其实就是在传统的双面啮合测量法上增加齿轮的自由度，再通过新增的自由度来反映被测齿轮的轴向精度信息。关键就在于改变了传统测量的一维测量的本质，又能在一次快速测量中同时得到被测齿轮的轴向精度信息。而之所以能实现齿轮双面啮合多维测量原理，主要是因为在传统双啮仪的基础上增加了一个二维浮动机构，上面安装特殊测量齿轮，不但可以径向移动，而且二维浮动机构还能作微小径向偏转与切向偏转。

2 基于光学方法的齿轮并行测量技术

不管是采用测头还是标准齿轮，基于接触法的齿轮测量都属于串联测量，也就是先测上一点然后测量下一点，通过测量一系列的点来完成相关测量要求，但是通过齿轮串联测量方式获得的齿面信息不够丰富，且测量效率偏低，这时基于非接触测量的光学方法应时发展了起来，它可以同时获得被测量的信息，因此也被称为并联测量，其实对并联测量的研究已有二十年的历史，但真正发展起来是在近几年，主要是由于光电技术与IT技术的发展为实现并联测量提供了坚实的技术基础。目前光学方法测量齿轮主要有两种方法，即采用相移法的齿面测量与基于摄影的齿轮参数测量。

2.1 基于相移的三维齿面测量技术

该测量系统一般多采用基于四步相移法的测量技术，实际上就是测量被测齿轮与标准齿轮的差别，属于一种比较测量，测量一个齿面只需一秒钟的时间，而且分辨率在一微米，它能获得面齿上1 000*1 000点的信息，而且使用这种测量方法还可测量斜齿轮，但是要保证测量的精度必须先保证标准齿轮的精度，目前已研制出绝对测量的齿面测量系统。

2.2 基于摄影的齿轮参数测量

通常的测量系统由光学照明系统、CCD摄像头、图像采集系统、与计算机以及相应的软件组成，其工作的原理是由照明系统发出的平行光线而使齿轮产生阴影轮廓，再经透镜系统聚集后成像于CCD面阵上，CCD将图像信号变为电荷信号，利用图像采集卡存入到计算机内存中，然后所采集到的图像经由软件的处理、存储并计算出相应的各个尺寸，利用图像测量技术进行齿轮非接触测量，测得齿轮中心、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿烽、模数、齿顶高系数、齿顶高变动系数、变位系数、压力角与齿距等参数。这种测量系统的精度取决于标定精度，而标定的方法一般是在视场内放置一标准尺寸的试块，测量系统处理工件时读取该试块的像素值，然后再用工件的像素值除以该试块的像素值，就可达到自动校正的目的。在实际的测量中，测量精度不但取决于标定精度，还取决于CCD本身的误差与光学系统的误差。

2.3 面向网络的齿轮闭环测量技术

齿轮闭环测量是将齿轮几何精度的测量结果反馈给机床，并以此为依据来修磨刀具并调整机床，属于主动测量，其主要是应用于螺旋锥齿轮的检验与机床、刀具参数的调整上，以往主要是依据螺旋锥齿轮的配对检验机的检验结果来进行判断的，然而这种测量方法测量出来的结果带有随机性，完全依靠经验来判断，同时测量与机床调整都需要耗费大量的时间，而且难度大、生产成本高、周期长。在螺旋锥齿轮试切时质量不能完全达到要求，这时可以通过齿轮测量闭环系统的相应软件依据测量结果重新计算并调整机床加工参数，以使再次试切时加工出质量更好的产品。面向网络的齿轮闭环测量技术是结合传统齿轮闭环测量技术与网络技术，目前还正在研究中，研究的主要内容主要是局域范围内齿轮质量监控系统与全域范围的齿轮质量监控系统，可同时实现单台机床产品质量的测量与基于测量的机床调整、区域内产品流程中质量的变化与整体工艺性能的监控等。

3 结语

综上所述，齿轮在线快速检测就是双面啮合多维测量，是创新双面啮合一维测量原理的进一步发展，适用于齿轮的大批量现场快速检测；齿轮非接触并联测量则是在齿轮测量中应用数字图像处理技术，但受到精度与被测齿轮材质的限制，还在刚起步阶段；面向网络的齿轮闭环测量已不仅仅用于螺旋锥齿轮的检验与机床、刀具参数的调整，从根本上得到改变。

参考文献

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（蚌埠学院 数学与物理系，安徽 蚌埠 233030）

基金项目：基金项目：专业结构调整服务地方发展计划（2013zytz077）、校级大学物理团队项目（2013jyxmo5）、蚌埠学院2015年院级科研项目（2015ZR17）、蚌埠学院2012年院级重点教研项目（JYLZ1205）

摘 要：较化学检测法等传统环境污染检测方法，光学测量方法以其无可比拟的优势广泛应用于环境污染物的检测及监测，近几十年来发展迅速，并具有广泛的应用前景。随着激光技术和计算机技术的发展，光学测量方法也随之变革。例如激光光谱对特定气体的检测（LASAIR系统），紫外差分光学吸收光谱仪（DOAS系统）和傅里叶变换红外干涉仪（FTIR系统）等，都为这一变革提供有力的佐证。论文介绍光学显微镜检测方法，光学分析方法以及光电检测技术，重点分析光学显微镜检测方法在环境监测中的应用、光学分析方法在水质检测领域的应用、光电检测技术在环境监测中的应用，光学测量方法的最新发展方向。

关键词 ：光学显微镜；光电检测技术；光谱学分析法；DOAS系统；FTIR系统；LASAIR系统

中图分类号：O439文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0005-04

随着现代科技的不断更新与物质生活的高度发达，环境污染物的排放量日益增多，人们在享受着丰富物质生活的同时，也受到了环境污染带来的冲击，例如酸雨的侵害，雾霾天气的影响，全球变暖导致的海平面上升等问题。传统的检测方法（如化学法），由于用时长、花费高、操作复杂，需要各个部门相互协作，甚至在检测时都可能会产生环境污染物，越来越受到抵制。而光学测量方法在环境检测方面，更能有效地避免这些弊端的产生。

在环境中，对于水质，有关部门主要通过对水质采样、化验、分析的方法实现对水质的监控。对于水体富营养化的这种情况，有关部门通过光学显微镜直接对水体进行观查即可。而对于重金属污染过的水源，往往光学显微镜很难直接观测出来，还要通过物理或化学的方法使重金属沉积，沉淀或“染色”，才有可能观察到。但是这种方法用时长，不利于及时了解水污染的情况，而且在使重金属沉淀的方法中，有可能又会产生新的污染物，样品处理又带来了困难。由于光学显微镜很难实现对空气的检测，所以在环境监测中用处并不大。这时人们联想到，也可以通过光的其他特性来实现对环境的实时的监控。而光电检测技术（如外光谱法，激光光谱法等），人们可以直接检测环境中的污染物，无需费时费力，既能实时地反映出污染物的量和浓度，又不会产生附加污染物，且在环境监测中实用性很强。光电检测技术利用光的光谱特性，可以在受污染的水中使用，也可以在工厂的排气烟囱中使用，甚至可以专一地检测某种气体，例如，甲烷气体，二氧化碳气体，含硫化合物气体等[1]。

1 光学显微镜检测方法在环境监测中的应用

在现实生活中，我们最易受到水污染带来的侵害，水体富营养化一直是我们关注的重大问题，而光学显微镜在这方面的检测应用极其广泛。环境保护部门在水污染地需要将水质进行抽样、化验、分析、观察，这时就要用到光学显微镜[2]。

1.1 细菌、霉菌检测

水体细菌含量是人们辨别水质是否利于饮用的重要标准，如人们会对水中的大肠杆菌群检测做一个革兰氏染色镜检。

1.2 生物群落检测

浮游植物是水域的初级生产者，繁殖速度很快。水体富营养化会促进其繁殖能力，从而影响水质的饮用安全。对浮游植物的检测，离不开光学显微镜。光学显微镜直接对水质进行观察监测，每过一段时间，镜检跟踪浮游植物的群落状况，以判断水体是否富营养化。

1.3 特殊物质检测

石棉纤维被动物体吸入肺部后，容易沉着在肺泡内，影响动物体的呼吸，对动物体的健康影响很大。在用光学显微镜检测时，必须用高倍镜才能观察到石棉纤维，因此，对光学显微镜的分辨率要求比较高。为确定肝癌细胞的使用量，需要用光学显微镜镜检肝癌细胞的复苏状况。

二噁英（Dioxin），是某些有害物燃烧后产生的脂溶性物质，不能被生物分解，具有很强的危害性。利用离体肝癌细胞的EROD与二噁英的复合毒性效应是生物学中的一种检测方法。环境监测部门也利用这种方法对环境中的石棉尘（石棉纤维）进行监测。

在受污染的水体中，培养鱼（一般选择生长速度快的青鱼）的受精卵，在鱼卵孵化过程中，使用光学显微镜监测受精卵的孵出率，并观察胚胎发育过程中畸形胎所占比重。

1.4 环境毒性测试

根据所知的生物学，单细胞藻类有很强的繁殖能力。可以在水体中培养藻类，用光学显微镜观察，监测藻类世代的生长情况和藻类种群的变化情况，判断水体中是否存在急性的毒性物质[3]。

2 光学分析方法在水质检测领域的应用

物质在吸收光波后，会在某一波段有一个吸收峰，通过分析这个波段，就可以得出该物质的光谱特性，光学分析方法就是在此研究基础上找到的一种测量方法[4]。反应灵敏度高，检测速度快的优点是人们在采用这种光学测量方法时首要的考虑因素。某些光学分析方法，人们往往既不需要像传统检测方法一样去使用试剂，又不需要花费太多的精力去维护相关的仪器设备。近几十年来，光学分析方法随着科技的脚步，在水质检测方面也跨上了一个新的台阶[5]。

2.1 比色分析法

比色分析法是指利用物质与物质之间的化学反应，获得深颜色的溶液后，通过比较前后溶液的颜色深浅度来测量所含物质浓度的方法[6]。比色分析法主要用于水质中，有色重金属离子的浓度检测。但是，有些重金属离子却是无色的，例如一价铜离子溶液，这时可以根据其易被氧化的化学特性，将一价铜离子溶液氧化成蓝色的二价铜离子溶液。比色分析法可分为目视比色分析法和光电比色分析法，两种方法的测量原理均为朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律。但是，目视比色分析法中，人的主观判断会影响未知量的测量，因此目视比色分析法准确度不高。而采用分光光度法的光电比色分析法，弥补了主观判断造成的失误，未知量的准确度和灵敏度得到了提高。

通过了解，可以看出，使用比色分析法时，必须建立在显色反应的基础上，因此对溶液离子的化学性质要求比较高。人们可以采取目测的手段，也可以采用与离子反射或吸收波长相对应的单色光源进行检测，还可以使用与高速计算机联接的摄像头进行图像综合对比分析。利用显色剂的不同反应，比色分析法可被广泛地应用在水质监测方面以及测定受污染水质中的各类污染物浓度。

2.2 紫外光谱分析法

紫外光具有波长短，能量大，透过力强的特点，利用这一特点，人们可以通过紫外光谱区进行检测。有机分子在紫外光谱区的吸收较强（其实就是高能量脉冲杀死了有机活性物质），因此适用于检测水体有机污染物。紫外光谱分析法，分为单波长法，经过多年探索研究后，发展为双波长法，循序渐进到如今比较全面的全光谱法。对单波长法进行改进的双波长法，在测量时，无需参比溶液即可消除混浊度的影响。全光谱法是在光谱分析仪的基础上研究出的一种对待测溶液比较全面的检测方法，包含了吸光度在全紫外光谱区所有有机污染物。

2.3 间接测定法

水质中，对重金属离子的浓度还有一种间接检测方法荧光分析法[7]。顾名思义，荧光分析法就是获取重金属离子的荧光图像，再通过计算机编程处理，由此间接地测量出重金属离子的浓度。在这一过程中，需要用到与重金属离子相匹配的试剂。

2.4 直接测定法

直接测定法省去了间接测定法中匹配试剂的过程，检测速度有所提高，但是却要满足物质本身就发射荧光（如叶绿素、水中有机物等）这一苛刻条件。不管是间接测定法还是直接测定法，都无法忽略光源的重要作用。尤其是在直接测定中，要求光源的发射光波长与物质的吸收光波长一致。激光光源由于其得天独厚的优点（单色性好、能量集中），受到了研究人员的高度关注，激光诱导荧光技术就是采用激光作为光源的荧光检测技术。目前，激光光源在直接测定法中几乎已经取代了传统光源的检测地位。

3 光电检测技术在环境监测中的应用

虽然光学显微镜在水体污染的监测中可谓崭露头角，但在空气污染物的监测中却显得捉襟见肘。空气污染物通常指以气态形式进入大气层来物质（主要是人为污染，例如含硫化合物，二氧化碳气体等等），其对人体或生态系统具有很不好的效应，例如酸雨，雾霾等等。随着光学的发展，光电检测技术逐步应用到现实生活中，尤其在环境监测中，以其独特的优势获得了人们的青睐。

3.1 光电检测技术的原理

光电检测是指利用各类光电传感器，将被测量的物理信息转换成光信息，再通过A/D转换器转换成电信号，再综合利用信息传输技术和计算机编程处理技术，完成信息获取。当光照射到物体表面时，使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光电动势等。这种因光照而引起物体特性发生变化的现象称为光电效应光电检测系统以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，对载有待测物体信号的光信息进行处理，即通过光电检测器件接收光信息并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等电路提取待测物的信息，再经过A/D转换器输入计算机运算和处理，最后提取出待测物体的几何量或物理量等所需信息（如图1的光电检测系统）。

3.2 光电检测系统在环境检测中的应用

光与物质的相互作用，改变了物质的某些物理特性。利用这种特性，制作的光电检测系统可以分为两大类：使用能覆盖宽光谱区的宽带光源的监测系统；使用激光或窄光谱光源，因而只能覆盖窄光谱区的监测系统[8-9]。在宽带监测系统中，傅里叶变换红外干涉仪（FTIR）或紫外差分光学吸收光谱仪（Uv-DOAs，又名DOAs系统）测系统可同时监测未知混合物中的多种化合物。通常这些化合物是包含在宽谱带内的，宽带监测系统能“观察到多种化合物的存在，但分辨率不高，不能将这些化合物从复杂混合物中直接区分开来”。但是，当宽带监测系统的分辨率低于欲观察的光谱线中的精细结构时，就不能观察到真正的吸收峰，且会限制对气体浓度值的检测。

激光监测系统由于分辨率高，扫描光谱范围窄，所以检测灵敏度相当高，但是激光监测系统发出的波长必须与被检测化合物吸收谱线的光波长相匹配。由于激光监测系统发出的激光波长是单色的，扫描波段被限制在极窄的范围内，一般情况下只能对应的检测出一种化合物。若检测的是混合物，则需要另加对应的监测装置。在目前的环境监测中，宽带监测系统和激光监测系统，这两种类型的监测装置都有其应用。例如，FTIR监测系统，它可提供对企业事故中泄漏出的某些有害化合物进行检测。这时对所有的可能的有害化合物来说，检测灵敏度就不如检测范围重要。但如果要连续实时监测从污染源（如烟囱向大气层中排放污染物，汽车尾气排放的污染气体时）释放出的有害气体，则监测装置抗其他化合物干扰的能力和高检测灵敏度就是重要因素了，这时，激光监测系统就成为了理想的监测系统。激光雷达像其它激光监测系统一样，能检测的样品不多，但它具有空间分辨力，是迄今为止，唯一能提供空间信息技术的检测系统，因此，探索污染物的发源地，激光雷达系统是最好的检测系统。诸如高空大气层中臭氧的消耗情况，可以使用激光雷达系统进行计算机模拟绘图。使用激光雷达系统提供大气层中空气分子成分分布的垂直剖面图，可以对大气传输和扩散过程有更透彻的了解。

DOAS系统可以测量多种化合物，如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯[10]。它的工作原理是根据光的反射定律，光源发射的光波经过某些物质后，经吸收的光波与光源光波一起被反射镜反射回来，利用计算机高速运算的能力分析光波的差异性，故而称作差分光学吸收光谱技术。调取吸收光谱数据库中已知数据，与吸收光谱数据相比较，从而分析物质中存在的化合物种类。

LASAIR系统是激光技术与计算机技术相结合的高新技术[11-12]，利用激光的单色性和计算机的高速运算能力，提高了检测效率。可调二极管激光吸收光谱分析仪发射出的激光光波长，足以满足吸收峰在中红外区（320um的范围内）的物质检测，适合大多数的工业环境监测。可调二极管激光吸收光谱仪，已在全球范围内有毒有害气体的检测上发挥了重要作用。LASAIR能测量的气体分子包括NOx、HF、HCI、HI、NH3、C2H2、COx、H2S、CH4。但是，由于每种气体对光波的吸收峰值不尽相同，必须要使用发射对应吸收峰值波长的激光光源。

4 结束语

随着时代而发展的光纤通讯和光电子信息技术被应用于环境监测中，尤其是具有体积小、寿命长和光电转换效率高的近红外二极管激光器[13-14]，目前已经迅速商品化，成为了检测空气污染物质的最合适光源。而调谐二极管激光吸收技术利用分子的吸收光谱单一分立吸收线这一原理，可以采样到被检测气体的每种光学信息。当激光通过被检测气体时，光电磁波会被吸收和散射而衰减。利用被测量物质分子的吸收能力远远高于物质分子对光的散射能力，我们可以忽略掉物质分子散射的这一衰弱影响。经过近30年的发展，调谐二极管激光吸收技术日益成熟，被广泛的应用在空气污染物质的检测和监测中。随着光谱学分析技术和激光技术的完美结合，特别是在近些年来，制作半导体材料和器件的工艺长足进步的情形下，激光光谱学分析技术在环境监测方面的应用越来越成熟。

红外半导体激光器可以在常温下工作，取代了传统光源的地位[15]。研究结果表明，红外半导体激光器的发射波长与很多环境污染气体的吸收波长相同。由于红外半导体激光器具有谱线窄、单频、功率大、工作可靠的优点，也为制作高质量，高水准的气体检测仪打下了坚实重要的基础。根据其对环境的抗干扰能力强，经常不需要标定，可直接安装在管道上检测等实用性的特点，被大量使用在工业生产过程中检测污染气体方面。

从光学显微镜早期在环境监测中的应用（主要在水质检测方面），到后来应用光学分析方法监测环境，直到现在人们又通过光的其他特性发明了各式各样的监测仪器，如：激光监测仪（DOAS系统），傅里叶变换红外干涉仪（FTIR监测系统）。可以说，光学测量方法是随着光学的发展而发展变化的。随着量子力学的发展，人们对光的认识不仅仅只是停留在了光谱层面上，而且也通过实验验证了人们对光的本质的假设。人们相信，现在我们所知的光学只是其冰山一角，光学测量方法也会随着光学的发展而日新月异。

参考文献：

（1）刘楚明.光学的发展史，应用与展望[J].科技创业家，2014，43（09）：700-721.

（2）水源守护者.光学显微镜在环境监测中的应用[EB/OL].（2010-7-23）[2015-4-1].http：//bbs.Instrument.com.cn/shtml/20100723/2679312/.

（3）刘允，解鑫.水体生物毒性检测技术研究进展综述[J].净水技术，2013，32（5）：5-10.

（4）李震，张金松，胡泓，宛如意.水质检测中的光学分析方法[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学深圳研究生院，2014.

（5）杨开武.气体浓度光学分析方法研究的进展[J].光谱学与光谱分析，2000，20（2）：134-135.

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（11）Schiff，H.I.MacKay，G.I.and Bechara.The use of tunable diode laser spectroscopy for atmospheric measurements[J].Air monitoring by spect roscopic techniques，1994，5：239 -333.

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关键词:激光;振动测量;技术

中图分类号:TN256文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)02-462-02

Analysis of Laser Vibration Measurement Technology

HAO Feng, WANG Wei-hui

(The Second Artillery Engineering College, Xi'an 710025, China)

Abstract: With the progression of society, laser vibration measurement plays an important part in society development. Various of methods, advantage and disadvantage in laser vibration measurement are introduced in this paper. The future prospect of laser vibration measurement are pointed out in the paper.

Key words: laser; vibration measurement; technology

关于物体的微小振动和微小位移精确测量的相关研究是随着精细加工工艺和微机械技术的飞速发展及大量应用而得到人们的广泛重视的。光学测量技术所具有的优点是结构简单、精度高、耐高压、耐腐蚀、能在易燃易爆的环境下可靠运行、抗电磁干扰、动态范围大,并且光学测量技术是一种重要的非接触式无损测量技术,基于其上述优点,光学测量技术占据了计量测试技术领域的主导地位。

目前振动测量在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面都得到了广泛的应用,所以激光振动测量技术有着广阔的应用与发展前景。

1 激光振动测量技术的测量原理及现状

目前,常用的激光振动测量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电(MEMS)法和干涉法等。由于这些技术的使用,使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分别介绍几种常用的光学振动测量方法:

1.1 激光三角测振法

激光三角法[1-2]是利用几何光学成像原理,将激光器发出的光经发射透镜汇聚于被测物体表面形成入射光点,该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上,形成像点,使用对位置敏感的传感器就可接收到这一信息。当入射光点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时,引起像光点在感光面上发生位移,从而引起光电探测器输出电信号的变化,根据电信号的变化量可求出像点唯一的变化量,通过信号处理可得到被测目标位移或振动信号。

该方法对于振动的测量是非接触形式的。激光三角测振法具有结构简单,发展比较成熟等优点,适用于工业现场安装使用。但是该方法的不利之处一方面是光电探测器的灵敏度和尺寸限制了该方法的分辨率和测量范围,另一方面是发射透镜的焦距限制了该方法的工作距离,不适于远距离处的微小振动测量。

1.2 光强测振法

光强测振法[1-2]是利用被测目标相对投射光束,或反射光束相对探测光路的位置变化导致探测光强的变化来探测振动。

该方法对于振动的测量既可以是接触式的,也可以是非接触式的。光强测振法具有信号处理方便、结构简单、成本较低等优点,可以广泛应用于各种场合。而且光强法与光纤的紧密结合,使得光强测振法的应用领域得到进一步拓展。该方法的不利之处在于光强易受外界环境和光源干扰的影响,使得测量结果精度不高,所以一般采用多波长、多光束等方法来改进光强测振法的不利之处,提高光强测振法的抗干扰能力。

1.3 全息测振法

全息法[1-2]是将相干光束的一部分作为参考光波,其余部分投射到物体上并被其反射作为物光波,两光波相遇产生干涉,所形成的干涉场反映了被测物体的振动情况,该干涉场由照相底片记录经过适当显影形成全息图。全息干涉测振可以对整个振动面上的点位置进行测量,通过比较不同时刻的全息干涉图,就能够描绘出被测振动面上各点的振动情况。

该方法对于振动的测量是非接触形式的全场同时测量。全息测振法具有可以进行面测量,同时获得多点数据的优点。该方法的不利之处在于须用银盐干板作记录介质,全息图需要进行照相及冲洗等处理,操作过程复杂,处理条纹图极其费时,无法实现实时测量,实际应用较困难。

1.4 激光多普勒效应测振法

多普勒测量[4-7]中的多普勒信号通常都是从被测物体的散射光中获得的,信噪比低,且包含有运动速度、光源、接收器之间的角度因素,由于这些因素会引入较大的测量误差。对振动特性的计算方法为信号中的每一个差拍波对应一个位移当量值,被测振幅的获得是经过对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计数而得到的。

该方法的测量不需要干涉仪组件,可精密装配。激光多普勒效应测振法具有被测速度矢量与多普勒频移呈线性关系,对于任何复杂的物体运动都适合研究的优点。因此,激光多普勒技术是一种高精度动态测量方法。该方法的不利之处在于得不到小于当量值的位移,测量分辨率很低。激光光栅多普勒效应的微振动测量系统的提出改变了以上不足。

1.5 光纤与MEMS测振法

光纤与MEMS技术相结合的振动传感器[1-2,8]在振动传感领域中一军突起。在微光机电传感器中,光纤可作为传光介质,为传感器提供光连接,传感器内部的电信号经由发光二极管转变为光信号,再输送到外部设备,这样可以使测量结果大大免受外界电磁干扰。光纤也可用来构造光路,成为集成传感器的一部分,作为悬臂梁感受外界振动,通过测量经过光纤的光强变化来实现振动传感。

光纤与MEMS技术相结合的振动传感器的优点是可免疫外界电磁干扰,可应用于避免使用电信号的场合,结构布置灵活,适合应用于复杂结构环境和复杂结构空间下的振动传感测量,适用于微型化和集成化产品。

1.6 干涉测振法

干涉测振法是将光束正入射于物体表面,其反射回来的检测光与参考光相遇形成干涉场,此后再对干涉场进行处理便得到所要测量的振动信息。

该方法对于振动的测量是非接触精密测量。干涉测振法具有应用范围广、重复性极高、可以对微小振动进行高精度测量的优点。但是该方法的不利之处一方面是由于干涉测振法具有高灵敏性,环境扰动对其影响非常突出,当光程质量不理想时,测量将无法进行。另一方面是在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面,以及目标物体表面的不平整性,使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合,尤其当两束光偏差太大就不能形成干涉,这将使测量无法进行。因此,人们先后发明了光波频率调制补偿法、机械式位相调制补偿法以及将机械补偿和光调制相结合的方法来解决这一问题。

1.7 激光散斑测振法

激光散斑振动测量技术[1-3]是利用激光的高相干性,当激光照射到物体粗糙光学表面时将产生散斑场,该散斑场是被测物体表面信息的载体,记录下该散斑场并利用数字图像处理技术,就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线,通过条纹判断便能得出振动物体的位移。

该方法一般采用多帧干涉图取平均的方法来减少环境扰动的影响,但并不能从根本上解决扰动问题。散斑干涉法适用于对频率已知的振动信号进行测量,从而实现对物体振动特性的分析,该方法的不利之处是精度和测量应用范围有限。

2 激光振动测量的展望

激光振动测量技术发展前景非常广阔,对于激光振动测量技术的研究工作也是研究人员为之做出不懈努力的工作方向。关于激光振动测量的展望有如下几个方面:

2.1 改善测量环境

随着我国科技水平的不断发展与提高,人类对于振动测量精度的需求已经达到了纳米量级。目前的分辨率已经不能实现人们对于某些研究领域项目的精度要求,对于纳米精度目标的实现是人类在科研领域的新突破。环境是影响系统实现纳米精度的一方面问题,像空气温湿度的变化、环境的振动和声学扰动等都会影响测量精度。因此,可以采用隔离措施和建立确保稳定环境温度的恒温室的方法来实现纳米测量精度。

2.2 结合多技术于测量

现代的激光振动测量系统广泛采用的是光、机、电与计算机技术相结合的方式来进行高精度、实时动态测量,大系统的概念、模糊理论、人机工程学的概念、自适应原则、调频技术、调制技术、反馈原理这一系列相关理论都广泛的应用在现代测量仪器的设计中,促使测量与控制技术成为一个完整的有机整体。鉴于以上广博知识,更需要多知识、高技术人才团结、协作完成由知识理论到仪器设计的实现。

2.3 进行科研创新

新的测量原理和方法是指导创新研究成果的理论依据,传统的振动测量方法已经不适用于纳米级振动测量的研究,要解决纳米级振动测量需要寻求新的测量原理和方法。将微观物理和量子物理的最新研究成果应用于测量系统中以及对现有技术进行创新性应用是可行的。

2.4 多领域应用

随着科技的发展以及性价比高、质量优良的激光振动测量仪问世,激光振动测量技术不仅可以应用于机械制造的检测中,还可以应用于生物医学、材料检测、航空航天等领域。

3 结束语

当今社会激光振动测量技术与人类的生产、生活是息息相关的,此项技术促使人类的生产、生活质量向着更好、更完善的方向发展。随着激光振动测量方法的成熟与完善,高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。

参考文献:

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[5] Emilia G D.Evaluation of measurement characteristics of a laser Doppler vibrometer with fiber optic components[C].Proc.SPIE,1994,2358:240-247.

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关键词：低温真空低温光学实验装置有限元ZYGO干涉仪梯形支撑

1引言

随着空间技术和军事技术的发展需要，探测仪器的分辨率要求越来越高。在深冷的条件下，当需要探测的目标信号十分虚弱时，探测仪器的背景辐射主要来自仪器本身的光学系统和支撑结构，探测仪器灵敏度严重受到系统本身辐射的影响，为减少这一热噪声，冷却光学系统是必需采用的方法。只有把光学系统冷却及其相关部件冷却到一定程度，才能有效地减少背景光子的通量，发挥背景极限探测器的作用，大大提高探测器灵敏度。在低温状态下工作的光学系统需要解决一系列问题，这些问题涉及材料特性、光学元件单元及系统整体性能变化、光学元件变形、低温污染等等，这就形成了一门新兴学科——低温光学。

自上世纪七十年代开始，美国首先对低温光学技术进行研究，最初主要用于各种观察、测量系统，例如低温红外望远镜、空载干涉仪器等。从机载、球载到星载，大多数系统都成功有效地完成了对外空的各种探测任务。欧洲一些国家也对低温光学系统的观察仪器进行了研究。国内起步于上世纪八十年代末，由于国内航天及其国防事业的发展要求有高灵敏度的探测器，而这些仪器将不可避免地用到低温光学系统。

我国的未来光学遥感系统采用了十几个光学元件，这些系统要求冷却到150K，并且对光学元件的控温范围要求非常严格，因此就需要研制一套低温真空实验装置对相关的光学元件进行低温实验。

2系统实验装置的建立

该光学系统的最主要部件之一是动镜装置部分。基于反射镜的温度要冷却到150K并对反射镜的变形进行研究的目的，就需要建立一套高真空和低温应用的实验系统，该系统还要满足进行其它光学元件的低温实验需要。系统实验装置由真空机组、低温真空腔体、防振系统、测量装置等主要部分组成。

2.1低温真空腔体设计

低温真空光学实验装置系统示意图如图1所示，1-机械泵2-预阀3-分子泵4-高阀5-铜带6-低温真空腔7-直线电机8-电源9-被测量光学系统10-ZYGO干涉仪11-光学窗口12-监控计算机13-温控电路14-铂电阻15-电热器16-液氮箱17-活性炭18-氮气19液氮20低阀。低温真空腔体是实验系统的核心部分，其示意图见如图2，1—抽气管2-液氮桶3-上腔体4-铜带5-引线出口6-支撑平台7-下腔体8-电机支撑9-梯形支撑10-光学窗口11-O形圈12-动镜支撑框架13-O形圈14-活性炭15-出气管16-进液管。腔体总高461mm，外壳直径284mm。内有圆柱形液氮容器，可以储存液体约4升。其中的光学元件支撑框架是专门为动镜设计的，其高度177mm。整个腔体可以测试直径小于250mm,高度小于200mm的各类反射镜和光学元件。

液氮桶下面用铜带接光学元件装置，当液氮桶灌注液氮后，冷量通过铜带传导给光学元件装置。下腔体的石英玻璃光学窗口直径为64mm.光学元件支撑结构由支撑平台和固定夹板组成。用固定夹板是为了防止光学元件框架移动，并保证光线垂直射到动镜表面上。由于动镜需要电机驱动，而电机的发热量为3-5W，而这部分热量辐射对动镜有很大影响，因此就用导热率较高的紫铜支撑把一部分热量尽可能的传递给系统外部。由于光学元件装置部分需要冷却因此就需要尽量避免它与外界和腔体传递热量，因此就考虑用梯形支撑，由于梯形支撑壁很薄，就起到了很好的隔热作用。

2.2真空抽气系统和活性炭处理

真空抽气系统由机械泵和分子泵组成。由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，在光学测试的同时，关掉机械泵和分子泵。在关掉机械泵和分子泵的期间，还要维持真空腔体内的真空，故考虑在腔体内加活性炭以维持腔体内的真空度。为了去处活性炭中的水汽和其它气体，需要对其进行烘烤预处理。活性炭在加工的时候已经固定于上组件中，所以把整个上组件放在DZF-6210真空干燥箱中，在温度为100°C，烘烤约48小时使得真空度稳定在0.1Pa，然后再做真空低温实验。

2.3ZYGO激光平面干涉仪器

非平面的光学元件可以用He-Ne仪器进行光学测量，而平面型光学元件只能用ZYGO干涉仪如图3进行测量，由于ZYGO干涉仪器对震动非常敏感，因此就需要防震措施。如图3为ZYGO激光平面干涉仪及其防震装置。

图1低温真空光学实验装置系统示意图

图2低温真空腔体结构示意简图

3关键部件的分析与设计

3.1光学窗口的有限分析

干涉测量的光线要通过窗口，所以就要考虑窗口的厚度对测量误差的影响，应尽可能使光学窗口厚度最小，同时还要能承受外部一个大气压的作用。在外部一个大气压，内部几乎为真空的条件下，综合考虑窗口折射带来误差的影响和其强度的大小，要求石英玻璃窗口的最大变形小于一个波长λ（λ=0.53μm）。

通过ANSYS软件建立动镜的有限元模型，并施加边界条件，改变动镜的厚度，进行变厚度有限元分析。如图4-图6是其中比较有代表性的三个分析结果。从有限元分析结果可以得到不同厚度玻璃窗口最大变形比较。光学窗口厚8mm时其最大变形0.989μm远超过一个波长，当其厚度从10mm变到12mm,起最大变形都小于一个波长，但是变化值并不大。窗口厚度变大，其折射带来的误差就大，为了保证其强度，综合这两个因素选择10mm厚，径厚比为6.4∶1的玻璃窗口。

3.2梯形支撑的设计

梯形支撑是连接真空腔体和支撑平台的关键部件，如图7为其示意图,图中为热端温度，为冷端温度。它一方面要求满足尽量减少导热，起到“绝热”的作用，另一方面又要求其强度能满足实验的要求。

图7梯形支撑模型示意图

根据[1]知道，梯形支撑的热传导量为：

（1）

式中：——从支撑热端温度到冷端温度之间支撑材料的平均热导率；其表达式为：

（2）

——支撑的横截面积；

L——支撑的高度。

考虑到起其强度[5]，有：

（3）

式中：——作用于构件的设计载荷；

——安全系数；

——支撑材料的屈服强度。

由公式（1）、（2）和（3）可得：

（4）

由公式4可以看出传热量与材料屈服强度与材料导热系数之比成反比。欲使传热量越小，就应该选择越大的材料，即材料的屈服强度尽量大，材料的导热系数尽量小。由文献[2]和[3]并且考虑到加工成本经济性，选择不锈钢作为梯形支撑的材料。并计算选取梯形支撑的壁厚1mm。参阅金属材料数据库可得到不锈钢的低温导热系数，对温度区间20K∽300K进行拟合可以得到不锈钢的导热系数拟合公式如图8所示。即

（5）

图8不锈钢导热系数拟合

在设计载荷为500N,安全系数取1.5,不锈钢的屈服强度为210MPa,支撑高度为0.046m,高温端为300K,低温端取150K。由公式（4）计算得漏热量为0.042W,可以忽略不计。

4小结

现代技术的发展对观测和成像设备的工作波段和空间分辨率都有很高的要求，低温真空技术越来越受到关注。本文研究了小型低温光学实验装置的相关技术。重点讨论了真空低温腔的结构、光学窗口影响及其有限元分析和梯形支撑的设计，并给出了实验装置的系统示意图，对相关技术进行了探讨，为近一步的低温光学研究打下了基础，并在以后的工作中不断完善。

参考文献

[1]杨世铭陶文铨《传热学》（第三版）高等教育出版社1998

[2]马庆芳芳荣生项立成郭舜《实用热物理性质手册》中国农业出版社1986

[3]宋键朗杨奋为袁文彬等《材料手册——金属》上海航天局第八零七研究所1992

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关键词：气体闪烁体 光学方法 能谱测量 Geant4

中图分类号：TL816 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0100-04

Abstract：The optical method for measuring the energy spectrum of charged particle beam is a kind of measurement method based on the acquisition luminous image of the charged particles in the gaseous scintillation. It has many advantages such as direct-viewing， high energy resolution， suit to various charged particle， wide range and easy to adjust. In this paper， the basic principles， key techniques and main processes involved in measuring the energy spectrum of charged particles by optical method are briefly introduced.

Key Words：Gaseous scintillator；Optical method；Energy spectrum measurement；Geant4

为了解决现有的带电粒子束能量测量方法及装置结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术问题[1]，测量带电粒子能谱的光学方法将径迹探测器直观的、能应用于脉冲辐射场的特点与现代成像组件实时方便的图像信息采集和处理的优势结合起来，发展了一种新的基于闪烁图像直接读出的探测器，并用于粒子能量测量。

带电粒子束入射到气体闪烁体中，粒子沿径迹沉积能量并激发气体闪烁体发光，采用CCD相机获取气体闪烁发光图像，入射带电粒子能量与收集到的闪烁发光图像一一对应，根据图像反演可求解得到入射粒子束的能谱。这种成像测量的方法本质是依据带电粒子束径迹长度确定能量，粒子径迹分布只取决于气体闪烁体和粒子本身，而不受源脉冲状态的限制。光学成像的测量方法既可应用于脉冲辐射场，又可实现对强流稳态辐射场带电粒子束能谱的测量。

该文概述了气体闪烁体的发光机理、闪烁图像光学方法测量原理，并对如何求解带电粒子能谱的方法进行了介绍。

1 气体闪烁发光原理

气体作为闪烁体的发光材料，具有以下突出优点[2]：发光衰减时间快、通过气压调节便于控制阻止本领、发光强度与粒子能量沉积在很广的能量范围内线性很好，闪烁图像强度能够准确反映粒子的能量沉积分布、气体密度比固体（液体）材料的密度低3～4量级，同样能量差的质子束的径迹长度在气体中区分明显便于实现精细的能量分辨。此外，制备简单、性能可靠、气体价格便宜、使用方便、扩展性强，可以做成多种合适的形状以用于具体需求。

带电粒子能量通过2种方式转移到气体原子：电离和激发。电离过程：入射粒子与气体原子的核外电子之间存在库仑力作用，传递给电子的能量足以克服原子束缚而成为自由电子，气体分子分离成为一个自由电子和一个正离子。激发过程：入射粒子与气体原子的核外电子之间的库仑力作用，传递给电子的能量使它从低能级状态跃迁到较高能级状态，激发态原子不稳定，随后原子从激发态跃迁回到基态而退激，退激时释放出来的能量以光的形式发射出来，释放出的光子具有特定能量特征。在电离过程中，产生的自由电子如果具有足够能量会产生更多的电子-离子对或者引起原子激发。总体过程可表示为：

R+Ae+A++R'

R+AA*+R'

e+A+A* （1）

其中，R为入射带电粒子，A为闪烁气体原子，它电离和激发产生电子e和离子A+，A*为激发态的原子。激发态的原子通过发出光子释放能量（辐射过程），如下：

A*A+hνa （2）

或者转变为热（非辐射过程）。气体原子发出的光hνa具有特定的能量特征，在光谱中表现为线状谱。

在气体较稠密状态下（n～1019 cm-3），三体碰撞的概率增加而形成激发态的分子或二聚物：

A*+2AA2*+A （3）

处于激发态的气体分子的退激是另一N形式，发出的光子在光谱中表现为连续谱分布。

A2*2A+hνm （4）

线状谱hνa和连续谱hνm构成了闪烁光谱的主要成分，一个典型的气体闪烁体闪烁发光的光谱图如图1所示。

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【关键词】激光跟踪仪 现场测量 大型结构件 装配

1 引言

在航空航天、船舶工业领域中，飞机、导弹、卫星、火箭、舰艇等大型船器产品，其推进、制导、控制等功能、性能要求的实现，完全依赖于优异的结构特点与要素控制，因此对船器结构的外形尺寸、结构重量、装配关系、配合状态、姿态实现等提出了较高的要求。同样在风电、水力、汽车领域中，结构件外形尺寸、装配质量决定着其产品的使用性能。一般而言，在功能结构件的研制过程中，需对生产制造精度（形状公差）、现场装配过程中的空间位置精度（方向公差、位置公差、跳动公差）进行严格的测量、控制、调整，从而有效保证产品的研制质量。

目前，光学测量技术是现场结构参数测量应用最便捷、最广泛的方法之一。激光跟踪仪、经纬仪、摄影测量是光学测量技术中最具有代表性的测量设备，因其优越的测量性能、简单有效的使用方法得到了广泛应用发展。其中，激光跟踪仪是近年来才逐渐发展起来的新型测量仪器，它集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一体，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量运动目标的空间三维坐标，具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点[1，2]。目前，LEICA、API、FARO等厂商研制的激光跟踪仪在精密测量场合中应用最为广泛。

2 激光跟踪仪的工作原理

激光跟踪仪主要由激光跟踪头、靶标反射球、控制计算机和测量软件构成。激光跟踪头是激光跟踪测量系统中的重要组成部分，主要功能是随着靶标反射球位置的移动，改变测量光束的方向，使测量光束始终对准靶标反射球。激光跟踪头内部通常设置有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机以及光电接收器件等。靶标反射球按反射类型大致分为平面反射球、实心球及空心球三种；按外径尺寸有0.5英寸、0.875英寸、1.5英寸及3英寸等几种[3，4]。其中直径1.5英寸的空心球应用最为广泛。

激光跟踪仪是典型的球坐标测量系统，对空间目标点三维坐标的测量是通过激光跟踪仪坐标原点到目标点的径向长度和空间方位角（水平角和垂直角）来确定。如图1所示，激光跟踪仪坐标原点为O点，被测空间目标点为P点，测量过程中激光干涉仪测量O点到P点的径向长度r，两个高精度角度编码器分别测量O点到P点的水平角α和垂直角β，P点的三维坐标（x，y，z）可由α、β和r计算得到[5]。

3激光跟踪仪在现场结构参数测量中的应用

由于高精度和良好的连续跟踪、自动测量、断光续接等功能，使激光跟踪仪成为较为理想的大尺寸测量仪器，广泛应用于航空航天、动力、能源、精密制造与装配领域。

3.1 航空航天领域应用

有文献[2]从“转站”带来的效率低等问题考虑，用激光跟踪仪水平测量方法，对飞机全机数据进行了批次性测量，并通过数据与普通光学仪器对比，反映出机翼安装情况一致、数值偏差量不大的结论。激光跟踪仪应用在某型号无人机外翼安装角的数据测量上，对1～8架飞机外翼安装角的数据进行了测量及分析，得到数据结果偏差趋势与结构对称性结论[6]。空客（Airbus）利用API的T3激光跟踪仪代替全站仪与经纬仪，对飞机机身零部件空间坐标位置进行了精确测量，提高了机身结构件的配合质量。有文献[7]对针对飞机水平测量、三维形貌测量设计出相应的测量方案，对激光跟踪系统的关键技术进行了详尽的阐述，并就系统误差来源及数据处理进行了分析和探讨。

在航天领域中，利用激光跟踪仪的动态测量特性可测量卫星太阳电池帆板展开运动、天线展开运动、空间机器人关节臂的运动姿态及轨迹的测量等，根据测量数据对运动特性进行计算与分析，以考核实际特性与设计理论特性的符合程度；也可利用激光跟踪仪测量航天器推进、姿控、有效载荷仪器设备安装精度[8]。

3.2 动力、能源领域应用

将激光跟踪测量技术应用到风洞调试中，既提高了测量的精度，又加快了调试速度[9]。对于曲面变化不规则的水轮机大型叶片，利用激光跟踪仪进而精确测量各个截面叶片外轮廓、叶片头部外形、参考脊线、叶片轴线等。除对结构外形尺寸进行检验之外，利用重构出来的三维模型与提取的相关技术参数可对风机叶片的动力性能、强度等相关数据进行分析和验证[10，11]。

3.3 精密制造、装配领域应用

采用激光跟踪仪，对结构复杂、体积大、定位点多的工装进行现场尺寸测量，为产品研制质量提供可靠保证[12]。将激光跟踪测量系统应用在大型机床的检测方法中，能精确、高效地对机床导轨直线精度、磨齿机伺服轴重复定位精度、机床主轴的回转精度及跳动等参数进行检测，有效提高了机床生产制造精度，并有力保证了设备维护、安装使用性能[13，14]。在对材质为玻璃纤维增强环氧树脂、外形尺寸为3×4×40m的风力发电机的扇叶进行测量时，利用激光跟踪仪检测满足了风机叶片平整度亚毫米级精度的要求[15]。利用激光跟踪仪对天基X射线望远镜坐标系与星敏感器的安装进行测量，有效提高了星敏感器的工作精度[16]。

4 激光跟踪测试技术发展方向

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【关键词】矿山测量；测量技术；发展

引 言

近年来，随着电子技术和激光技术的发展，光电结合型的测绘仪器对传统的测绘仪器方法产生了深厚的影响。在矿山井下测量工作中采用先进的现代化的技术，结合测量的实际工作和具体特点，从而更有效的保障了测量结果的准确性和定位的精准性。

一、矿山测量新仪器、新技术的应用

（一）GPS技术在测量中的应用。GPS是借助分布在空中的多个GPS卫星确定地面点位置的一种新型定位系统，具有全天候、高精度、定位速度快、布点灵光、操作方便等特点。在矿山测量中，GPS取代了传统的地面测绘工作，是一种高精度、现代化的测量手段，在矿山井下测量中，利用GPS地面定点功能，以此为控制点，进行联系测量，有效的保障了井下生产的安全性。

（二）全站仪在矿山井下测量中的应用。全站仪是目前应用前景最为广阔的测绘仪器，是电子技术与光学技术发展结合的光点测量仪器，也是集光、机、电为一体的高性能仪器，是集测量所需数据为一体的测量仪器系统。全站仪是一种可以通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数进行角度测量、距离测量和数据处理的测绘仪器。具有方便、快捷、实用等功能。

惯性测量系统。惯性测量系统在测绘领域主要应用目标包括：1.控制测量，对已有控制点的键合、加密、航测控制等。2.管线监测、定位、地壳形变、地表沉陷观测。3.井下定位，各种工程和建筑测量。4.地震、重力测量。5.井筒和罐道梁的垂直性检测等。惯性测量系统能够全天候工作，不受大气影响，受自然条件影响小，减少了井下矿山测量中存在的误差，保障了井下矿山测量的准确性。

其它测量新仪器新技术在矿山测量中的应用。除了上述的矿山测量新仪器和新技术以外，其他的现代测绘仪器如：激光指向仪、遥感技术等，在矿上测量中都得到了应用，随着现代化技术的发展，新的仪器和新的技术也将会在矿山测量中得到应用，更好的服务于矿山资源开采。

二、矿井测量中的仪器使用和推广

测量仪器新仪器和新技术的推广和应用同样也需要测量人员在使用方法和工作原理上不断认识和全面的了解，尽可能的避免仪器使用出现数据显示不正常、测量误差等错误。在全站仪的投入使用阶段，在矿井测量的过程中也出现了一些问题，如：井上进行隐蔽点测量时，棱镜与支杆不和谐；测点之间距离长，光线暗；仪器井下采集的测点数据，在井上与计算机相连，相互配套的成图软件不稳定等问题，都会对新仪器和新技术的使用和推广造成一定的影响，而伴随着技术的改革和发展，测量人员专业水平的提高，这些问题都得到了显著的改善。针对仪器推广使用过程中存在的一些问题也采取了相应的解决措施。如：当棱镜与支杆不和谐时，自制可伸缩自由支杆，可以自由变更棱镜的高度；变更测量点时距离长、光线暗，使声音和手语不能见效时，测量人员便按照预先制定的灯语进行联系和调度；当井下数据采集完毕后，在办公室进行结果计算时，把仪器和计算机相连，利用MAPGIS现有功能，人性的交互式界面，实现实测成图。

在矿井测量中使用和推广新仪器和新技术能够有效的提高测量的精准度，并且提高作业效率，在一定程度上为矿山井下作业的安全性和效益性提供了有力的保障。

三、结束语

随着技术的发展和进步，对测量仪器的要求越来越高，操作方便、功能强、精度高、速度快等特点成为了测量仪器发展的主要趋势。在科技的带动和技术人员不断的探索过程中，未来仪器也开始逐步的向自动化、智能化、人性化方面发展，为矿山井下测量提供更加精度的数据，进一步的保障矿山作业的安全、高效、稳定。

参考文献：

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[4]赵爱民.浅析测绘新技术在矿山测量中的应用[J].职业时空，2014.

篇9

关键词： 衍射光栅；干涉；位移测量；Lighttools软件

中图分类号：TN16 文献标识码：A

Design of 2-D Laser Interferometer System with Diffraction Grating

LI Shuai

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract: 2-D nano-displacement measurement system is developed based on diffraction grating. This system consists of optical structure and electronic subdivision circuit. The measurement principle of the system is proposed. And by the simulation, the change rule is found, theoretical model for the follow-up structural optimization and error compensation is provided.

Keywords: diffraction grating; Interference; displacement measurement; lighttools software

引 言

衍射光栅作为计量光栅的一种，在精密测量、超精密加工和纳米技术等领域有着广泛的应用。与其它纳米测量方法相比，如STM法、SPM法、电容电感测微法和激光干涉仪法等，光栅纳米测量方法具有以下优势：（1）高精度，低成本，由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，光栅传感器可以得到很高的测量精度；（2）同时具备大量程、高分辨率的特点，尤其在大量程方面，光栅传感器的测量精度仅次于激光测量，而成本却比其低得多；（3）较强的抗干扰能力，其对环境的适应性比激光干涉仪更强。因此，研制基于衍射光栅的二维纳米测量系统具有重要的现实意义。

1 系统组成

二维光栅纳米位移测量系统主要是基于光栅衍射与相干光干涉原理组成的几何光学测量系统，整个系统由几何光路部分和信号处理部分组成，其构如图1所示。由半导体激光器发出的光束经过起偏器P1垂直入射到二维光栅表面，反射的正交衍射光通过偏振分光光路形成相位相差90°的干涉信号，然后进入光电转换模块使得光学信号转换为正弦和脉冲电信号，然后由计数细分电路对信号进行计数细分处理，最后把数据处理的果经过误差补偿后进行记录和显示。

2 光路构设计

整个系统的光路构如图2所示，为了提高信号的输出频率，光路采用二次衍射设计。

由半导体激光器发出的光束经过偏振分光镜PBS2后分成振动方向相互垂直的偏振光的s光和p光。若s光被PBS2反射，经过四分之一波片Q3后变为圆偏振光，该圆偏振光经过反射镜R反射后再次通过四分之一波片Q3，该光束变为p光直接通过PBS2，经过Q4后变为圆偏振光在光栅表面衍射，适当调整光栅与读数头之间的距离，-1级衍射光垂直入射到平面反射镜M2上后沿原路返回，通过光栅表面再次衍射后，+1级衍射光沿原路进入PBS2，此时经过Q4的再次旋光变为s光，s光被PBS2的偏振分光面全部反射后，经Q2和M1返回后变为p光，该光束完全通过PBS2偏振面出射，进入偏振光检测部分。同理对于激光器出射光经PBS2透射的p光经过Q2和M1返为s光，被PBS2的偏振分光面全部反射，通过Q4后变为圆偏振光被衍射光栅表面衍射，+1级衍射光被M2反射后再次衍射，再次衍射后的-1级衍射光沿原路通过Q4进入PBS2，变为P光全部通过PBS2的偏振分光面，经过反射镜R和四分之波片Q3后，变为s光再次进入PBS2，经过PBS2的偏振分光面后被全部反射进入偏振光检测部分。

3 位移测量原理

二维衍射光栅系统可以同时对两个方向上的位移进行测量，其基本原理是利用衍射光栅的多普勒效应。当LD激光器发出一束频率为f0，波长为λ的光垂直入射到光栅表面，由衍射光栅的性质可知，光栅在某一方向上运动时，在此方向上形成的衍射光束会发生一定的相移。如图3所示，根据多普勒效应，X方向上的±1级衍射光的频率为

式中c为光速，v为光栅在X方向上的运动速度，θ为衍射光束的衍射角。若采用图2的二次衍射光路设计，则由M2反射出的光入射到光栅表面又发生一次多普勒频移，此时，X方向的±1级衍射光的频率为

因此，光栅在平面内移动时，X方向上的光电探测器所接收的干涉条纹信号可以表示为

由式（7）、（8）可以看出，当光栅移动四分之一栅距时，光栅偏振干涉输出信号明暗变换一次，对应输出光电转换信号一个周期（2π）。只要把四象限光电探测器置于适当的位置，使光电阵列接收到四个相差π/2的光强信号，通过对这四个信号的计数与细分处理即可计算出实际的位移量。

4 光学系统仿真

在二维衍射光栅测量系统中，光栅的定位误差是影响系统干涉信号的主要系统误差。如图4所示，光学镜头与光栅之间存在五个自由度，分别为X方向上的偏摆、Y方向上的转动、Z方向上的俯仰、Y方向上的侧移与Z方向上的平移。因此利用Lighttools软件进行仿真，以分析光栅在五个自由度上对干涉信号的影响。

图5即为采用Lighttools软件依照图2所完成的3D模型。

该3D模型设定光栅采用1,200线/mm的二维平面光栅作为标尺，光束波长为635nm，探测器接受面为1×1mm，根据图4以光栅分别偏摆俯仰和转动0.05°以及在Y和Z轴向上各平移5个光栅常数来测定系统干涉光点落在光电探测器上的位置状况，得出数据如表1所示。

由图表可以看出，俯仰和偏摆对系统干涉信号的影响较大，在进行实际对位安装时应注意X轴向偏摆与Z轴向俯仰对干涉信号的影响，以产生高质量的干涉信号。

5 论

二维光栅纳米位移测量系统是一种高精度，大量程且成本较低的精密测量系统。其精度主要取决于系统干涉信号的质量，上文采用Lighttools软件设计的光路模型分析了光栅在五个自由度上对干涉信号的影响，发现俯仰和偏摆对系统干涉信号影响较大，为后续的光路校准优化和误差补偿提供了理论依据。

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篇10

我们本来每个人要做共八个实验，后来由于时间关系做了七个实验，我做的七个实验分别是：光纤通讯，光学多道与氢氘，法拉第效应，液晶物性，非线性电路与混沌，高温超导，塞满效应，下面我对每个实验及心得体会做些简单介绍：

一、光纤通讯：本实验主要是通过对光纤的一些特性的探究（包括对光纤耦合效率的测量，光纤数值孔径的测量以及对塑料光纤光纤损耗的测量与计算），了解光纤光学的基础知识。探究相位调制型温度传感器的干涉条纹随温度的变化的移动情况，模拟语电话光通信，

了解光纤语音通信的基本原理和系统构成。老师讲的也很清楚，本试验在操作上并不是很困难，很易于实现，易于成功。

二、光学多道与氢氘：本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究氢氘光谱，了解其谱线特点， 并学习光学多道仪的使用方法及基本的光谱学技术通过此次实验得出了氢原子和氘原子在巴尔末系下的光谱波长，并利用测得的波长值计算出了氢氘的里德伯常量，得到了氢氘光谱的各光谱项及巴耳末系跃迁能级图，计算得出了质子和电子的质量之比。个人觉得这个实验有点太智能化，建议锻炼操作的部分能有所加强。对于一些仪器的原理在实验中没有体现。如果有所体现会比较容易使学生深入理解。数据处理有些麻烦。不过这也正是好好提高自己的分析数据、处理数据能力的好时候、更是理论联系实际的桥梁。

三、法拉第效应：本实验中，我们首先对磁场进行了均匀性测定，进一步测量了磁场和励磁电流之间的关系，利用磁场和励磁电流之间的线性关系，用电流表征磁场的大小；再利用磁光调制器和示波器，采用倍频法找出ZF6、MR3－2样品在不同强度的旋光角θ和磁场强度B的关系，并计算费尔德常数；最后利用MR3样品和石英晶体区分自然旋光和磁致旋光，验证磁致旋光的非互易性。

四﹑液晶物性：本实验主要是通过对液晶盒的扭曲角，电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观察分析，了解液晶在外电场的作用下的变化，以及引起的液晶盒光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法。本实验中我们研究了液晶的基本物理性质

和电光效应等。发现液晶的双折射现象会对旋光角的大小产生的影响，在实验中通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小为125度；测量了液晶的响应时间。观察液晶光栅的衍射现象，在“常黑模式”和“常白模式”下分别测量了液晶升压和降压过程的电光响应曲线，求得了阈值电压、饱和电压和阈值锐度。并且比较了升压降压过程中阈值锐度的差别。我们一开始做的很慢，不过老师讲得很清楚，后来我们很快就做出来了，

五、非线性电路与混沌：本实验通过测量非线性电阻的I-U特性曲线，了解非线性电阻特性，，从而搭建出典型的非线性电路—蔡氏振荡电路，通过改变其状态参数，观察到混沌的产生，周期运动，倍周期与分岔，点吸引子，双吸引子，环吸引子，周期窗口的物理图像，并研究其费根鲍姆常数。最后，实验将两个蔡氏电路通过一个单相耦合系统连接并最终研究其混东同步现象。实验过程还可以，数据处理有点难，后来慢慢思考，最终还是处理好了，

六、高温超导：本实验利用液氮创造低温环境，测量了高温超导材料样品的超导转变临界温度为90.。88K，并在实验同时对温差电偶温度计以及硅半导体温度计进行了温度定标，测得在实验的温度范围内，在磁悬浮实验上，我们分别测量了无磁场条件下相变（零场冷）的高温超导体样品的以及有磁场条件下相变（场冷）的高温超导体样品的磁悬浮力与距离的关系，认为此超导体在强磁场下进入了混合态，而在场冷条件下的实验证实了我们的假设。这次实验我们所作实验中最早结束的一个实验，不过在示波器中调波形时花了点时间，最终还是很快就做完了。

七、塞满效应：这个实验是我最后一次做的实验，也是最晚结束的一个实验，因为我们去做实验的时候实验室没电了，于是我们等

把电路修好后开始做实验了，于是做到晚上11点才结束了，本实验运用光栅摄谱仪和阿贝比长仪，采用摄谱法观测Hg谱线的分裂情况，并以此对外加磁感应强度进行估测。本次实验运用光栅摄谱法观察到了在外磁场下Hg谱线的分裂情况，直接验证了塞曼效应；还以Fe谱线作为标准谱，用内插法测得了各谱线的波长，并以此故测了外加磁感应强度B，基本实现了定量验证和分析，本实验数据处理比较容易，老师讲得也很清楚。