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基于矢量衍射理论的光栅干涉仪位移测量误差研究

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红外与激光工程 2024年第2期53卷 90-97页

作者：雷李华张玉杰傅云霞上海市计量测试技术研究院上海201203 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... 详细信息

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。

关键词：精密位移测量光栅干涉仪光栅矢量衍射周期性误差

间隙密封被动活塞式气体流量标准装置量值溯源方法

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计量学报 2024年第5期45卷 692-697页

作者：陈超宋进朱碧玉上海市计量测试技术研究院上海201203

间隙密封被动活塞式气体流量标准装置具有操作简单、测量效率高、无水银密封、易于携带和具有自动温压补偿功能等优点,在气体微小流量测量中广泛使用。被动活塞的上下往复运动对测量管路内的压力会产生波动,直接用流量测量法对间隙密封... 详细信息

间隙密封被动活塞式气体流量标准装置具有操作简单、测量效率高、无水银密封、易于携带和具有自动温压补偿功能等优点,在气体微小流量测量中广泛使用。被动活塞的上下往复运动对测量管路内的压力会产生波动,直接用流量测量法对间隙密封被动活塞式气体流量标准装置进行量值溯源还存在一些困难。针对这一情况,提出了一种利用几何测量法对间隙密封被动活塞式气体流量标准装置进行量值溯源的新方法,对几何测量溯源法进行了不确定度评估,并与国外相关机构进行了比对验证。结果表明,利用几何测量法对间隙密封被动活塞式气体流量标准装置进行溯源的方法是可行的。

关键词：流量测量气体流量标准装置间隙密封被动活塞量值溯源

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医用放射性废液取样容器尺寸的最优化研究

核技术 2024年第7期47卷 41-47页

作者：陆小军刘佳煜胡崇庆韩刚宋家斑何林锋畅金学上海市计量测试技术研究院上海201203

医用放射性废液中核素放射性活度必须经监测满足相关标准后,该放射性废液方可排放,采用LaBr3(Ce)晶体探测医用放射性废液的核素活度,废液样品体积及其在探测器周围的分布情况直接影响探测效率,为此利用Geant4工具建立LaBr3(Ce)晶体探测... 详细信息

医用放射性废液中核素放射性活度必须经监测满足相关标准后,该放射性废液方可排放,采用LaBr3(Ce)晶体探测医用放射性废液的核素活度,废液样品体积及其在探测器周围的分布情况直接影响探测效率,为此利用Geant4工具建立LaBr3(Ce)晶体探测模型,探索最优马林杯样品盒尺寸参数的变化规律,并在实验室利用?25.4 mm×25.4 mm的LaBr3(Ce)探测器和3D打印光敏树脂样品盒作验证实验。结果显示:单纯增加样品体积不能提高探测效率,随着样品体积增大,探测效率随样品盒环状部分深度方向的变化趋势趋于平缓。研究得到马林杯最优尺寸比例:环状部分深度(h2)和顶部半径(r)分别约为探测器晶体长度和空心腔直径的两倍,顶部半径(r)和样品盒高度(H)之比约为0.5。在最优化尺寸下,全能峰探测效率实验值与模拟结果一致,相对偏差优于2.5%。研究结果将为后续医用放射性废液监测装置在探测器选择、采样容器设计、加工及放射性废液监测量值溯源方法等方面提供重要的技术借鉴。

关键词：医用放射性废液取样容器尺寸最优化 Geant4模拟 LaBr3(Ce)探测器

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双目面结构光三重扫描测量系统温漂补偿方法

红外与激光工程 2024年第1期53卷 213-224页

作者：杨濠铭孙子杰孙岩标邾继贵天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 北京卫星制造厂有限公司北京100094

双目面结构光三重扫描是在条纹投影双目视觉重建的基础上,追加左、右相机与投影仪构成的单目视觉系统重建点云,在反光和凹凸起伏等表面测量应用上具有更好的点云完整性优势。但由于环境温度变化影响,投影仪产生较大温度漂移,导致双目重... 详细信息

双目面结构光三重扫描是在条纹投影双目视觉重建的基础上,追加左、右相机与投影仪构成的单目视觉系统重建点云,在反光和凹凸起伏等表面测量应用上具有更好的点云完整性优势。但由于环境温度变化影响,投影仪产生较大温度漂移,导致双目重建点云与单目重建点云发生“分层”现象。为此,文中提出了一种基于正交条纹投影的三重扫描系统温漂在线补偿方法,通过投影仪投射正交条纹来构建双目重建点在投影仪图像中准确的映射关系,并基于双目重建点在投影仪图像中的重投影误差最小化目标函数来求解温漂补偿后的投影仪最优外参数。最后,以金属球和汽车零件作为被测对象进行实验验证,在不依靠标定板等先验信息及繁琐标定流程基础上,所提在线快速补偿方法可以使得双目点云与单目点云温漂量分别减小78.2%和94.3%,极大减轻了温度变化对于三重扫描点云数据拼接影响。

关键词：三重扫描投影仪正交条纹温漂补偿

基于双光栅和柱透镜的高分辨率近红外微型光谱仪

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1144-1150页

作者：吴婧仪周哲海赵爽闵昆龙李慧宇北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室北京100192 北京航天测控技术有限公司北京100041

因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大... 详细信息

因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题,为此,提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构,开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构,新的设计主要有三个特征:使用光纤代替入射狭缝,以减少光能损失;采用双光栅将光束进行二次衍射;使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先,利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析,光谱范围为1525~1570 nm,光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内,光谱分辨率理论上达到0.2 nm,比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后,根据理论分析,选购了合适的光电器件进行了系统封装,与匹配的电路模块结合,实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内,实际测量的光谱分辨率为0.215 nm,与理论结果较为吻合。进一步地,搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统,该微型光谱仪作为信号解调仪,选择了四个中心波长分别为1534、1538、1542和1545 nm的光纤光栅作为传感器,温度在0~50℃范围内以1℃为间隔连续变化,最终实现了温度实时测量和信号解调,系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^(-1),验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上,系统内部无可移动元器件,体积小、分辨率高、稳定性好,可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

关键词：微型光谱仪双光栅柱透镜高分辨率近红外波段

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单光子激光测距系统主回波重叠与应对方法

应用激光 2024年第08期 82-92页

作者：刘鑫杨海马张亮李曾刘夏林刘瑾上海理工大学光电信息与计算机工程学院中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海颐昊测试技术有限公司上海工程技术大学电子电气学院

共光路单光子激光测距系统中，存在激光发射时刻与回波光子接收时刻相重叠的现象，称为主回波重叠。重叠会造成特定测距时间段回波信号的丢失，导致目标探测概率的降低。通过对测距系统的结构与工作信号时序的分析计算，研究了主回波重... 详细信息

共光路单光子激光测距系统中，存在激光发射时刻与回波光子接收时刻相重叠的现象，称为主回波重叠。重叠会造成特定测距时间段回波信号的丢失，导致目标探测概率的降低。通过对测距系统的结构与工作信号时序的分析计算，研究了主回波重叠现象发生的条件，得出测距光子飞行时间与重叠现象间的关联性。阐述了激光发射调整对重叠的作用机理，给出基于激光发射时间间隔周期调整的主回波重叠的应对方法。据此开展对应的整体模拟与测距实验，结果表明该方法可在一定程度上避免主回波重叠的发生，提高目标的探测概率。

关键词：激光测距单光子共光路主回波重叠

Si/SiO_(2)多层膜线宽关键参数精细化表征技术研究

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红外与激光工程 2024年第1期53卷 151-161页

作者：褚小要沈瑶琼刘丽琴邹文哲管钰晴郭创为张玉杰梁利杰孔明雷李华中国计量大学计量测试工程学院浙江杭州310018 上海市计量测试技术研究院上海201203 上海在线检测与控制技术重点实验室上海201203

线边缘粗糙度(LER)和线宽粗糙度(LWR)是衡量线宽标准样片质量的重要指标。文中基于自溯源光栅标准物质的自溯源、高精密尺寸结构特性,提出了一种直接溯源型精确校准SEM放大倍率的方法,以实现SEM对线宽标准样片关键参数的测量与表征。利... 详细信息

线边缘粗糙度(LER)和线宽粗糙度(LWR)是衡量线宽标准样片质量的重要指标。文中基于自溯源光栅标准物质的自溯源、高精密尺寸结构特性,提出了一种直接溯源型精确校准SEM放大倍率的方法,以实现SEM对线宽标准样片关键参数的测量与表征。利用校准后的SEM,对利用Si/SiO_(2)多层膜沉积技术制备的线宽名义值为500、200、100 nm样片进行关键参数的测量,采用幅值量化参数的均方根粗糙度RMS描述线边缘粗糙度与线宽粗糙度,并通过图像处理技术确定线边缘位置,对线宽边缘特性进行了精确表征。实验结果表明,名义值为500、200、100 nm对的线宽样片,其实测值分别为459.5、191.0、99.5 nm,σLER分别为2.70、2.35、2.30 nm,σLWR分别为3.90、3.30、2.80 nm,说明了多层膜线宽标准样片线边缘较为平整、线宽变化小、具有良好的均匀性与一致性。基于自溯源标准物质校准SEM的方法缩短了溯源链,提高了SEM的测量精度,实现了线宽及其边缘特性的精确表征,为高精度纳米尺度测量和微电子制造领域提供了计量支持。

关键词：自溯源标准物质 SEM放大倍率线边缘粗糙度线宽粗糙度多层膜线宽

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基于改进半径约束圆拟合方法的钢轨磨耗检测

铁道工程学报 2024年第3期41卷 38-44页

作者：罗卿莉陈志远张书缤石德斌谭兆甘俊天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 中国铁路设计集团有限公司天津300308

研究目的:钢轨磨耗检测是保证轨道质量,确保轨道系统安全运行的重要手段。传统钢轨检测方法依赖于人工使用特定的测量仪器来测量钢轨的轮廓,进而得到钢轨磨耗,耗费大量人力物力。基于结构光的非接触式测量方法可以快速、高效地对钢轨轮... 详细信息

研究目的:钢轨磨耗检测是保证轨道质量,确保轨道系统安全运行的重要手段。传统钢轨检测方法依赖于人工使用特定的测量仪器来测量钢轨的轮廓,进而得到钢轨磨耗,耗费大量人力物力。基于结构光的非接触式测量方法可以快速、高效地对钢轨轮廓进行实时测量、磨耗计算,其检测效率高,安全性强,具有十分广阔的应用前景。研究结论:(1)利用离群点去除算法可有效地去除线结构光下采样得到的钢轨轮廓噪声;(2)利用插值算法结合60 kg钢轨自身结构比例特点可对钢轨轮廓进行精确分割;(3)采用基于半径约束的圆拟合算法提取测量件圆心坐标效果良好;(4)磨耗检测试验结果表明,采用本文的钢轨磨耗检测方法后,钢轨总磨耗均方根误差为0.08 mm,可满足钢轨磨耗检测的要求;(5)本研究成果可为轨道交通的运营维护提供一定参考。

关键词：钢轨磨耗检测线结构光轮廓匹配半径约束

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基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置

计量学报 2024年第3期45卷 349-355页

作者：任瑜胡晓磊郭志敏傅云霞张丰上海市计量测试技术研究院上海201203

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准... 详细信息

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准软件实现控制一体化。经综合分析激光干涉仪的最大允许误差、直线运动导轨的直线度、环境因素、触发信号间时延及激光干涉仪测量时延等因素,该装置的长度示值的测量不确定度为Q[1.8μm,3×10^(-7)L](k=2)。与同型号激光干涉仪的比对实验和激光跟踪仪瞬时长度测试实验,证明了不确定度评定的合理性以及该装置在瞬时动态准确度测试中的可行性。

关键词：几何量计量动态校准激光干涉仪同步测量大尺寸测量时变几何量