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關鍵詞：光學三維測量；三維激光掃描；面結構光

光學三維測量是指運用光學方法獲取物體表面的三維立體坐標的技術。光學三維測量利用現代光學技術成就，結合光電子學、計算機圖像處理等學科成就發展起來的一種先進測量技術。

1 光學三維測量的分類

圖1 光學三維測量技術分類圖

光學三維測量技術按測量原理可以分為攝影測量方法、結構光技術和光學干涉方法。攝影測量法是基于多視角的非主動式測量方法。在普通照明（陽光、日光燈）情況下，由攝像頭獲取多視角物體圖像，利用計算機查找多幅圖像的同態標記點，進而獲得物體的表面形貌。結構光技術通過不同寬度且明暗相間的結構光照射被測物體表面，獲取到的經物體調制的圖像，再經過計算獲取物體的立體形貌信息。光學干涉法是利用干涉原理進行測量，具有高精度、高分辨率等優點。以下介紹幾種常見的光學三維測量方法。

圖2 三維激光掃描工作原理圖

三維激光掃描技術根據光學三角形測量原理，以激光作為光源，光電探測器接收反射光，通過對采集到數據進行計算得到物體的深度信息。三維激光掃描儀包括發射器和接收器。發射器射出一束脈沖激光，激光經過物體表面漫反射，沿相同路線射入接收器。由脈沖激光發射到反射被接收的時間tL可計算出掃描點到掃描儀的距離值S。掃描儀內精密測量系統獲取每個激光脈沖的水平方向角α和垂直方向角度β。依據上述數據計算出掃描點的三維空間坐標（XP、YP、ZP）[1]。

雙目視覺技術屬于攝影測量方法，是通過視差原理被動測量三維數據的技術。雙目視覺技術測量物體三維形貌的原理是，從兩個或以上的視角去觀察一個物體，獲得多張不同視角下物體的二維圖片，根據三角測量原理得出同一個像素點的坐標偏差，以此獲得測量物體的三維形態。此過程與人眼的立體視覺原理相類似[2]。

面結構光系統由投影儀和數碼相機組成。投影儀將明暗相間光柵條紋投影到待測物體上。物體高度的變化引起光柵條紋的形變。條紋形變可認為是載波信號相位和振幅被空間物體調制。數碼相機拍攝調制后的圖像，對其進行解調制，獲得物體的整個高度信息值，依照三角法原理，形成物體的三維立體影像[3]。

2 光學三維測量的應用

光學三維測量技術具有諸多優勢，如非接觸式測量、高精確度、快速獲得結果等。光學三維測量技術主要應用在虛擬現實、逆向工程、醫學工程等領域。

2.1 虛擬現實

利用光學三維測量技術對實物外形進行三維形貌掃描，經過三維建模軟件處理，在計算機內生成人物、場景的三維模型。由三維模型生成人物動作，實現動畫制作，滿足電腦游戲、CG特效等場合需要。

2.2 逆向工程

逆向工程是利用光學三維測量設備獲取物體表面上所有點的三維立體坐標，根據坐標點信息利用三維設計軟件進行實物模型重建的過程。逆向工程獲得的模型被用于改進、完善原有的產品，被廣泛地應用到磨具開發、汽車制造等領域，是現代產品快速開發的重要技術手段。

2.3 生物、醫學工程

運用光學三維測量技術獲得人體骨骼、肌肉的數據用于人體工程學研究。例如根據人體相關三維數據，制作出符合人體生理結構的防護頭盔、防護服等。三維光學測量技術還可以測量傷口的尺寸、分析人的面部結構、設計牙齒矯形手術等。

參考文獻

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關鍵詞：齒輪測量 齒輪誤差 測量技術

中圖分類號：TG86 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0076-01

齒輪測量技術的發展屹今為止已有近百年歷史，一般將其分為以齒廓、齒向與齒距測量為基礎的分析式測量，以綜合測量為基礎的功能式測量和將單項與綜合集于一體的齒輪整體誤差測量，隨著現代科學技術的不斷進步，齒輪測量技術也有了新的發展，主要體現在三個方面，首先是在測量原理方面實現了從“比較測量”到“嚙合運動測量”再到“模型化測量”；再者就是實現測量原理的技術手段在經歷了“以機械為主”到“機電結合”的過程后，發展為現在的“光-機-電”與“信息技術”的綜合集成；最后是在表述與利用測量結果方面經歷了“指示表加肉眼讀取”到“記錄器記錄加人工研判”再到現在“計算機自動分析并將測量結果反饋到制造系統”的飛躍。并且與此同時，齒輪測量儀也是經歷了從單品種單參數儀器到單品種多參數儀器的轉變，最后演變為現在的多品種多參數的儀器。該文研究者針對齒輪測量技術的新發展進行分析，分別論述基于新測量原理的齒輪快速測量技術、基于光學方法的齒輪并行測量技術以及面向網絡的齒輪閉環測量技術。

1 基于齒輪雙面嚙合多維測量原理的齒輪在線快速測量技術

傳統的齒輪在線快速測量技術一般都是采用齒輪雙面嚙合測量的原理，因為這一原理十分簡單，且測量效率又高，對環境沒有什么嚴格的要求，同時又具備可使測量齒輪制作更加簡便的特點，滿足了快速測量的要求，過去對齒輪雙面嚙合測量技術的研究主要在兩個方面，一個是采用微電子與計算機技術，實現測量過程的自動化，并對測量結果進行各種分析與處理；另一個是測量方法蘊涵并掩蓋的信息量，通過改變測量齒輪的結構形式來盡可能多的挖掘出新的齒輪誤差信息，但是這些努力都沒有改變齒輪以嚙測量的本質，通過這項測量技術所獲得的徑向綜合誤差是綜合了齒輪左右齒面多種單項誤差作用的結果，主要反映了被測齒輪的徑向誤差，最后經理論與實踐證明，通過以嚙測量所獲得的結果很難保證齒輪軸向精度指標能否合格，而且齒輪軸向的精度在一定程度上是由齒輪壽命、振動與噪聲決定的，雖然在計量室條件下測量齒輪軸向精度都是比較成熟的技術，但是面向生產現場中大批量齒輪的快速檢測中，想要快速獲取齒輪的軸向精度信息是十分困難的。而齒輪雙面嚙合多維測量原理就是這時候發展起來的，當被測齒輪與測量齒輪作無側隙嚙合滾動時，測量中心距的變化量與齒輪的軸線偏擺量，再處理多路測量信號并獲取齒輪的徑向綜合誤差與軸向誤差信息。其實就是在傳統的雙面嚙合測量法上增加齒輪的自由度，再通過新增的自由度來反映被測齒輪的軸向精度信息。關鍵就在于改變了傳統測量的一維測量的本質，又能在一次快速測量中同時得到被測齒輪的軸向精度信息。而之所以能實現齒輪雙面嚙合多維測量原理，主要是因為在傳統雙嚙儀的基礎上增加了一個二維浮動機構，上面安裝特殊測量齒輪，不但可以徑向移動，而且二維浮動機構還能作微小徑向偏轉與切向偏轉。

2 基于光學方法的齒輪并行測量技術

不管是采用測頭還是標準齒輪，基于接觸法的齒輪測量都屬于串聯測量，也就是先測上一點然后測量下一點，通過測量一系列的點來完成相關測量要求，但是通過齒輪串聯測量方式獲得的齒面信息不夠豐富，且測量效率偏低，這時基于非接觸測量的光學方法應時發展了起來，它可以同時獲得被測量的信息，因此也被稱為并聯測量，其實對并聯測量的研究已有二十年的歷史，但真正發展起來是在近幾年，主要是由于光電技術與IT技術的發展為實現并聯測量提供了堅實的技術基礎。目前光學方法測量齒輪主要有兩種方法，即采用相移法的齒面測量與基于攝影的齒輪參數測量。

2.1 基于相移的三維齒面測量技術

該測量系統一般多采用基于四步相移法的測量技術，實際上就是測量被測齒輪與標準齒輪的差別，屬于一種比較測量，測量一個齒面只需一秒鐘的時間，而且分辨率在一微米，它能獲得面齒上1 000*1 000點的信息，而且使用這種測量方法還可測量斜齒輪，但是要保證測量的精度必須先保證標準齒輪的精度，目前已研制出絕對測量的齒面測量系統。

2.2 基于攝影的齒輪參數測量

通常的測量系統由光學照明系統、CCD攝像頭、圖像采集系統、與計算機以及相應的軟件組成，其工作的原理是由照明系統發出的平行光線而使齒輪產生陰影輪廓，再經透鏡系統聚集后成像于CCD面陣上，CCD將圖像信號變為電荷信號，利用圖像采集卡存入到計算機內存中，然后所采集到的圖像經由軟件的處理、存儲并計算出相應的各個尺寸，利用圖像測量技術進行齒輪非接觸測量，測得齒輪中心、齒頂圓半徑、齒根圓半徑、齒烽、模數、齒頂高系數、齒頂高變動系數、變位系數、壓力角與齒距等參數。這種測量系統的精度取決于標定精度，而標定的方法一般是在視場內放置一標準尺寸的試塊，測量系統處理工件時讀取該試塊的像素值，然后再用工件的像素值除以該試塊的像素值，就可達到自動校正的目的。在實際的測量中，測量精度不但取決于標定精度，還取決于CCD本身的誤差與光學系統的誤差。

2.3 面向網絡的齒輪閉環測量技術

齒輪閉環測量是將齒輪幾何精度的測量結果反饋給機床，并以此為依據來修磨刀具并調整機床，屬于主動測量，其主要是應用于螺旋錐齒輪的檢驗與機床、刀具參數的調整上，以往主要是依據螺旋錐齒輪的配對檢驗機的檢驗結果來進行判斷的，然而這種測量方法測量出來的結果帶有隨機性，完全依靠經驗來判斷，同時測量與機床調整都需要耗費大量的時間，而且難度大、生產成本高、周期長。在螺旋錐齒輪試切時質量不能完全達到要求，這時可以通過齒輪測量閉環系統的相應軟件依據測量結果重新計算并調整機床加工參數，以使再次試切時加工出質量更好的產品。面向網絡的齒輪閉環測量技術是結合傳統齒輪閉環測量技術與網絡技術，目前還正在研究中，研究的主要內容主要是局域范圍內齒輪質量監控系統與全域范圍的齒輪質量監控系統，可同時實現單臺機床產品質量的測量與基于測量的機床調整、區域內產品流程中質量的變化與整體工藝性能的監控等。

3 結語

綜上所述，齒輪在線快速檢測就是雙面嚙合多維測量，是創新雙面嚙合一維測量原理的進一步發展，適用于齒輪的大批量現場快速檢測；齒輪非接觸并聯測量則是在齒輪測量中應用數字圖像處理技術，但受到精度與被測齒輪材質的限制，還在剛起步階段；面向網絡的齒輪閉環測量已不僅僅用于螺旋錐齒輪的檢驗與機床、刀具參數的調整，從根本上得到改變。

參考文獻

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（蚌埠學院 數學與物理系，安徽 蚌埠 233030）

基金項目：基金項目：專業結構調整服務地方發展計劃（2013zytz077）、校級大學物理團隊項目（2013jyxmo5）、蚌埠學院2015年院級科研項目（2015ZR17）、蚌埠學院2012年院級重點教研項目（JYLZ1205）

摘 要：較化學檢測法等傳統環境污染檢測方法，光學測量方法以其無可比擬的優勢廣泛應用于環境污染物的檢測及監測，近幾十年來發展迅速，并具有廣泛的應用前景。隨著激光技術和計算機技術的發展，光學測量方法也隨之變革。例如激光光譜對特定氣體的檢測（LASAIR系統），紫外差分光學吸收光譜儀（DOAS系統）和傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR系統）等，都為這一變革提供有力的佐證。論文介紹光學顯微鏡檢測方法，光學分析方法以及光電檢測技術，重點分析光學顯微鏡檢測方法在環境監測中的應用、光學分析方法在水質檢測領域的應用、光電檢測技術在環境監測中的應用，光學測量方法的最新發展方向。

關鍵詞 ：光學顯微鏡；光電檢測技術；光譜學分析法；DOAS系統；FTIR系統；LASAIR系統

中圖分類號：O439文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0005-04

隨著現代科技的不斷更新與物質生活的高度發達，環境污染物的排放量日益增多，人們在享受著豐富物質生活的同時，也受到了環境污染帶來的沖擊，例如酸雨的侵害，霧霾天氣的影響，全球變暖導致的海平面上升等問題。傳統的檢測方法（如化學法），由于用時長、花費高、操作復雜，需要各個部門相互協作，甚至在檢測時都可能會產生環境污染物，越來越受到抵制。而光學測量方法在環境檢測方面，更能有效地避免這些弊端的產生。

在環境中，對于水質，有關部門主要通過對水質采樣、化驗、分析的方法實現對水質的監控。對于水體富營養化的這種情況，有關部門通過光學顯微鏡直接對水體進行觀查即可。而對于重金屬污染過的水源，往往光學顯微鏡很難直接觀測出來，還要通過物理或化學的方法使重金屬沉積，沉淀或“染色”，才有可能觀察到。但是這種方法用時長，不利于及時了解水污染的情況，而且在使重金屬沉淀的方法中，有可能又會產生新的污染物，樣品處理又帶來了困難。由于光學顯微鏡很難實現對空氣的檢測，所以在環境監測中用處并不大。這時人們聯想到，也可以通過光的其他特性來實現對環境的實時的監控。而光電檢測技術（如外光譜法，激光光譜法等），人們可以直接檢測環境中的污染物，無需費時費力，既能實時地反映出污染物的量和濃度，又不會產生附加污染物，且在環境監測中實用性很強。光電檢測技術利用光的光譜特性，可以在受污染的水中使用，也可以在工廠的排氣煙囪中使用，甚至可以專一地檢測某種氣體，例如，甲烷氣體，二氧化碳氣體，含硫化合物氣體等[1]。

1 光學顯微鏡檢測方法在環境監測中的應用

在現實生活中，我們最易受到水污染帶來的侵害，水體富營養化一直是我們關注的重大問題，而光學顯微鏡在這方面的檢測應用極其廣泛。環境保護部門在水污染地需要將水質進行抽樣、化驗、分析、觀察，這時就要用到光學顯微鏡[2]。

1.1 細菌、霉菌檢測

水體細菌含量是人們辨別水質是否利于飲用的重要標準，如人們會對水中的大腸桿菌群檢測做一個革蘭氏染色鏡檢。

1.2 生物群落檢測

浮游植物是水域的初級生產者，繁殖速度很快。水體富營養化會促進其繁殖能力，從而影響水質的飲用安全。對浮游植物的檢測，離不開光學顯微鏡。光學顯微鏡直接對水質進行觀察監測，每過一段時間，鏡檢跟蹤浮游植物的群落狀況，以判斷水體是否富營養化。

1.3 特殊物質檢測

石棉纖維被動物體吸入肺部后，容易沉著在肺泡內，影響動物體的呼吸，對動物體的健康影響很大。在用光學顯微鏡檢測時，必須用高倍鏡才能觀察到石棉纖維，因此，對光學顯微鏡的分辨率要求比較高。為確定肝癌細胞的使用量，需要用光學顯微鏡鏡檢肝癌細胞的復蘇狀況。

二噁英（Dioxin），是某些有害物燃燒后產生的脂溶性物質，不能被生物分解，具有很強的危害性。利用離體肝癌細胞的EROD與二噁英的復合毒性效應是生物學中的一種檢測方法。環境監測部門也利用這種方法對環境中的石棉塵（石棉纖維）進行監測。

在受污染的水體中，培養魚（一般選擇生長速度快的青魚）的受精卵，在魚卵孵化過程中，使用光學顯微鏡監測受精卵的孵出率，并觀察胚胎發育過程中畸形胎所占比重。

1.4 環境毒性測試

根據所知的生物學，單細胞藻類有很強的繁殖能力。可以在水體中培養藻類，用光學顯微鏡觀察，監測藻類世代的生長情況和藻類種群的變化情況，判斷水體中是否存在急性的毒性物質[3]。

2 光學分析方法在水質檢測領域的應用

物質在吸收光波后，會在某一波段有一個吸收峰，通過分析這個波段，就可以得出該物質的光譜特性，光學分析方法就是在此研究基礎上找到的一種測量方法[4]。反應靈敏度高，檢測速度快的優點是人們在采用這種光學測量方法時首要的考慮因素。某些光學分析方法，人們往往既不需要像傳統檢測方法一樣去使用試劑，又不需要花費太多的精力去維護相關的儀器設備。近幾十年來，光學分析方法隨著科技的腳步，在水質檢測方面也跨上了一個新的臺階[5]。

2.1 比色分析法

比色分析法是指利用物質與物質之間的化學反應，獲得深顏色的溶液后，通過比較前后溶液的顏色深淺度來測量所含物質濃度的方法[6]。比色分析法主要用于水質中，有色重金屬離子的濃度檢測。但是，有些重金屬離子卻是無色的，例如一價銅離子溶液，這時可以根據其易被氧化的化學特性，將一價銅離子溶液氧化成藍色的二價銅離子溶液。比色分析法可分為目視比色分析法和光電比色分析法，兩種方法的測量原理均為朗伯－比爾（Lambert-Beer）定律。但是，目視比色分析法中，人的主觀判斷會影響未知量的測量，因此目視比色分析法準確度不高。而采用分光光度法的光電比色分析法，彌補了主觀判斷造成的失誤，未知量的準確度和靈敏度得到了提高。

通過了解，可以看出，使用比色分析法時，必須建立在顯色反應的基礎上，因此對溶液離子的化學性質要求比較高。人們可以采取目測的手段，也可以采用與離子反射或吸收波長相對應的單色光源進行檢測，還可以使用與高速計算機聯接的攝像頭進行圖像綜合對比分析。利用顯色劑的不同反應，比色分析法可被廣泛地應用在水質監測方面以及測定受污染水質中的各類污染物濃度。

2.2 紫外光譜分析法

紫外光具有波長短，能量大，透過力強的特點，利用這一特點，人們可以通過紫外光譜區進行檢測。有機分子在紫外光譜區的吸收較強（其實就是高能量脈沖殺死了有機活性物質），因此適用于檢測水體有機污染物。紫外光譜分析法，分為單波長法，經過多年探索研究后，發展為雙波長法，循序漸進到如今比較全面的全光譜法。對單波長法進行改進的雙波長法，在測量時，無需參比溶液即可消除混濁度的影響。全光譜法是在光譜分析儀的基礎上研究出的一種對待測溶液比較全面的檢測方法，包含了吸光度在全紫外光譜區所有有機污染物。

2.3 間接測定法

水質中，對重金屬離子的濃度還有一種間接檢測方法熒光分析法[7]。顧名思義，熒光分析法就是獲取重金屬離子的熒光圖像，再通過計算機編程處理，由此間接地測量出重金屬離子的濃度。在這一過程中，需要用到與重金屬離子相匹配的試劑。

2.4 直接測定法

直接測定法省去了間接測定法中匹配試劑的過程，檢測速度有所提高，但是卻要滿足物質本身就發射熒光（如葉綠素、水中有機物等）這一苛刻條件。不管是間接測定法還是直接測定法，都無法忽略光源的重要作用。尤其是在直接測定中，要求光源的發射光波長與物質的吸收光波長一致。激光光源由于其得天獨厚的優點（單色性好、能量集中），受到了研究人員的高度關注，激光誘導熒光技術就是采用激光作為光源的熒光檢測技術。目前，激光光源在直接測定法中幾乎已經取代了傳統光源的檢測地位。

3 光電檢測技術在環境監測中的應用

雖然光學顯微鏡在水體污染的監測中可謂嶄露頭角，但在空氣污染物的監測中卻顯得捉襟見肘。空氣污染物通常指以氣態形式進入大氣層來物質（主要是人為污染，例如含硫化合物，二氧化碳氣體等等），其對人體或生態系統具有很不好的效應，例如酸雨，霧霾等等。隨著光學的發展，光電檢測技術逐步應用到現實生活中，尤其在環境監測中，以其獨特的優勢獲得了人們的青睞。

3.1 光電檢測技術的原理

光電檢測是指利用各類光電傳感器，將被測量的物理信息轉換成光信息，再通過A/D轉換器轉換成電信號，再綜合利用信息傳輸技術和計算機編程處理技術，完成信息獲取。當光照射到物體表面時，使物體發射電子、或電導率發生變化、或產生光電動勢等。這種因光照而引起物體特性發生變化的現象稱為光電效應光電檢測系統以激光、紅外、光纖等現代光電器件為基礎，對載有待測物體信號的光信息進行處理，即通過光電檢測器件接收光信息并轉換為電信號。由輸入電路、放大濾波等電路提取待測物的信息，再經過A/D轉換器輸入計算機運算和處理，最后提取出待測物體的幾何量或物理量等所需信息（如圖1的光電檢測系統）。

3.2 光電檢測系統在環境檢測中的應用

光與物質的相互作用，改變了物質的某些物理特性。利用這種特性，制作的光電檢測系統可以分為兩大類：使用能覆蓋寬光譜區的寬帶光源的監測系統；使用激光或窄光譜光源，因而只能覆蓋窄光譜區的監測系統[8-9]。在寬帶監測系統中，傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR）或紫外差分光學吸收光譜儀（Uv-DOAs，又名DOAs系統）測系統可同時監測未知混合物中的多種化合物。通常這些化合物是包含在寬譜帶內的，寬帶監測系統能“觀察到多種化合物的存在，但分辨率不高，不能將這些化合物從復雜混合物中直接區分開來”。但是，當寬帶監測系統的分辨率低于欲觀察的光譜線中的精細結構時，就不能觀察到真正的吸收峰，且會限制對氣體濃度值的檢測。

激光監測系統由于分辨率高，掃描光譜范圍窄，所以檢測靈敏度相當高，但是激光監測系統發出的波長必須與被檢測化合物吸收譜線的光波長相匹配。由于激光監測系統發出的激光波長是單色的，掃描波段被限制在極窄的范圍內，一般情況下只能對應的檢測出一種化合物。若檢測的是混合物，則需要另加對應的監測裝置。在目前的環境監測中，寬帶監測系統和激光監測系統，這兩種類型的監測裝置都有其應用。例如，FTIR監測系統，它可提供對企業事故中泄漏出的某些有害化合物進行檢測。這時對所有的可能的有害化合物來說，檢測靈敏度就不如檢測范圍重要。但如果要連續實時監測從污染源（如煙囪向大氣層中排放污染物，汽車尾氣排放的污染氣體時）釋放出的有害氣體，則監測裝置抗其他化合物干擾的能力和高檢測靈敏度就是重要因素了，這時，激光監測系統就成為了理想的監測系統。激光雷達像其它激光監測系統一樣，能檢測的樣品不多，但它具有空間分辨力，是迄今為止，唯一能提供空間信息技術的檢測系統，因此，探索污染物的發源地，激光雷達系統是最好的檢測系統。諸如高空大氣層中臭氧的消耗情況，可以使用激光雷達系統進行計算機模擬繪圖。使用激光雷達系統提供大氣層中空氣分子成分分布的垂直剖面圖，可以對大氣傳輸和擴散過程有更透徹的了解。

DOAS系統可以測量多種化合物，如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯[10]。它的工作原理是根據光的反射定律，光源發射的光波經過某些物質后，經吸收的光波與光源光波一起被反射鏡反射回來，利用計算機高速運算的能力分析光波的差異性，故而稱作差分光學吸收光譜技術。調取吸收光譜數據庫中已知數據，與吸收光譜數據相比較，從而分析物質中存在的化合物種類。

LASAIR系統是激光技術與計算機技術相結合的高新技術[11-12]，利用激光的單色性和計算機的高速運算能力，提高了檢測效率。可調二極管激光吸收光譜分析儀發射出的激光光波長，足以滿足吸收峰在中紅外區（320um的范圍內）的物質檢測，適合大多數的工業環境監測。可調二極管激光吸收光譜儀，已在全球范圍內有毒有害氣體的檢測上發揮了重要作用。LASAIR能測量的氣體分子包括NOx、HF、HCI、HI、NH3、C2H2、COx、H2S、CH4。但是，由于每種氣體對光波的吸收峰值不盡相同，必須要使用發射對應吸收峰值波長的激光光源。

4 結束語

隨著時代而發展的光纖通訊和光電子信息技術被應用于環境監測中，尤其是具有體積小、壽命長和光電轉換效率高的近紅外二極管激光器[13-14]，目前已經迅速商品化，成為了檢測空氣污染物質的最合適光源。而調諧二極管激光吸收技術利用分子的吸收光譜單一分立吸收線這一原理，可以采樣到被檢測氣體的每種光學信息。當激光通過被檢測氣體時，光電磁波會被吸收和散射而衰減。利用被測量物質分子的吸收能力遠遠高于物質分子對光的散射能力，我們可以忽略掉物質分子散射的這一衰弱影響。經過近30年的發展，調諧二極管激光吸收技術日益成熟，被廣泛的應用在空氣污染物質的檢測和監測中。隨著光譜學分析技術和激光技術的完美結合，特別是在近些年來，制作半導體材料和器件的工藝長足進步的情形下，激光光譜學分析技術在環境監測方面的應用越來越成熟。

紅外半導體激光器可以在常溫下工作，取代了傳統光源的地位[15]。研究結果表明，紅外半導體激光器的發射波長與很多環境污染氣體的吸收波長相同。由于紅外半導體激光器具有譜線窄、單頻、功率大、工作可靠的優點，也為制作高質量，高水準的氣體檢測儀打下了堅實重要的基礎。根據其對環境的抗干擾能力強，經常不需要標定，可直接安裝在管道上檢測等實用性的特點，被大量使用在工業生產過程中檢測污染氣體方面。

從光學顯微鏡早期在環境監測中的應用（主要在水質檢測方面），到后來應用光學分析方法監測環境，直到現在人們又通過光的其他特性發明了各式各樣的監測儀器，如：激光監測儀（DOAS系統），傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR監測系統）。可以說，光學測量方法是隨著光學的發展而發展變化的。隨著量子力學的發展，人們對光的認識不僅僅只是停留在了光譜層面上，而且也通過實驗驗證了人們對光的本質的假設。人們相信，現在我們所知的光學只是其冰山一角，光學測量方法也會隨著光學的發展而日新月異。

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篇4

關鍵詞:激光;振動測量;技術

中圖分類號:TN256文獻標識碼:A文章編號: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

關于物體的微小振動和微小位移精確測量的相關研究是隨著精細加工工藝和微機械技術的飛速發展及大量應用而得到人們的廣泛重視的。光學測量技術所具有的優點是結構簡單、精度高、耐高壓、耐腐蝕、能在易燃易爆的環境下可靠運行、抗電磁干擾、動態范圍大,并且光學測量技術是一種重要的非接觸式無損測量技術,基于其上述優點,光學測量技術占據了計量測試技術領域的主導地位。

目前振動測量在材料探傷、機械系統的故障診斷、噪聲消除、結構件的動態特性分析及振動的有限元計算結果驗證等方面都得到了廣泛的應用,所以激光振動測量技術有著廣闊的應用與發展前景。

1 激光振動測量技術的測量原理及現狀

目前,常用的激光振動測量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效應法、光纖與微機電(MEMS)法和干涉法等。由于這些技術的使用,使得激光振動測量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分別介紹幾種常用的光學振動測量方法:

1.1 激光三角測振法

激光三角法[1-2]是利用幾何光學成像原理,將激光器發出的光經發射透鏡匯聚于被測物體表面形成入射光點,該光點通過接收透鏡匯聚于光電探測器上,形成像點,使用對位置敏感的傳感器就可接收到這一信息。當入射光點與該光學結構產生相對入射光軸方向的振動或位移時,引起像光點在感光面上發生位移,從而引起光電探測器輸出電信號的變化,根據電信號的變化量可求出像點唯一的變化量,通過信號處理可得到被測目標位移或振動信號。

該方法對于振動的測量是非接觸形式的。激光三角測振法具有結構簡單,發展比較成熟等優點,適用于工業現場安裝使用。但是該方法的不利之處一方面是光電探測器的靈敏度和尺寸限制了該方法的分辨率和測量范圍,另一方面是發射透鏡的焦距限制了該方法的工作距離,不適于遠距離處的微小振動測量。

1.2 光強測振法

光強測振法[1-2]是利用被測目標相對投射光束,或反射光束相對探測光路的位置變化導致探測光強的變化來探測振動。

該方法對于振動的測量既可以是接觸式的,也可以是非接觸式的。光強測振法具有信號處理方便、結構簡單、成本較低等優點,可以廣泛應用于各種場合。而且光強法與光纖的緊密結合,使得光強測振法的應用領域得到進一步拓展。該方法的不利之處在于光強易受外界環境和光源干擾的影響,使得測量結果精度不高,所以一般采用多波長、多光束等方法來改進光強測振法的不利之處,提高光強測振法的抗干擾能力。

1.3 全息測振法

全息法[1-2]是將相干光束的一部分作為參考光波,其余部分投射到物體上并被其反射作為物光波,兩光波相遇產生干涉,所形成的干涉場反映了被測物體的振動情況,該干涉場由照相底片記錄經過適當顯影形成全息圖。全息干涉測振可以對整個振動面上的點位置進行測量,通過比較不同時刻的全息干涉圖,就能夠描繪出被測振動面上各點的振動情況。

該方法對于振動的測量是非接觸形式的全場同時測量。全息測振法具有可以進行面測量,同時獲得多點數據的優點。該方法的不利之處在于須用銀鹽干板作記錄介質,全息圖需要進行照相及沖洗等處理,操作過程復雜,處理條紋圖極其費時,無法實現實時測量,實際應用較困難。

1.4 激光多普勒效應測振法

多普勒測量[4-7]中的多普勒信號通常都是從被測物體的散射光中獲得的,信噪比低,且包含有運動速度、光源、接收器之間的角度因素,由于這些因素會引入較大的測量誤差。對振動特性的計算方法為信號中的每一個差拍波對應一個位移當量值,被測振幅的獲得是經過對相鄰兩個翻轉點之間的差拍波的個數進行計數而得到的。

該方法的測量不需要干涉儀組件,可精密裝配。激光多普勒效應測振法具有被測速度矢量與多普勒頻移呈線性關系,對于任何復雜的物體運動都適合研究的優點。因此,激光多普勒技術是一種高精度動態測量方法。該方法的不利之處在于得不到小于當量值的位移,測量分辨率很低。激光光柵多普勒效應的微振動測量系統的提出改變了以上不足。

1.5 光纖與MEMS測振法

光纖與MEMS技術相結合的振動傳感器[1-2,8]在振動傳感領域中一軍突起。在微光機電傳感器中,光纖可作為傳光介質,為傳感器提供光連接,傳感器內部的電信號經由發光二極管轉變為光信號,再輸送到外部設備,這樣可以使測量結果大大免受外界電磁干擾。光纖也可用來構造光路,成為集成傳感器的一部分,作為懸臂梁感受外界振動,通過測量經過光纖的光強變化來實現振動傳感。

光纖與MEMS技術相結合的振動傳感器的優點是可免疫外界電磁干擾,可應用于避免使用電信號的場合,結構布置靈活,適合應用于復雜結構環境和復雜結構空間下的振動傳感測量,適用于微型化和集成化產品。

1.6 干涉測振法

干涉測振法是將光束正入射于物體表面,其反射回來的檢測光與參考光相遇形成干涉場,此后再對干涉場進行處理便得到所要測量的振動信息。

該方法對于振動的測量是非接觸精密測量。干涉測振法具有應用范圍廣、重復性極高、可以對微小振動進行高精度測量的優點。但是該方法的不利之處一方面是由于干涉測振法具有高靈敏性,環境擾動對其影響非常突出,當光程質量不理想時,測量將無法進行。另一方面是在實際應用中很難保證入射光垂直于被測物體表面,以及目標物體表面的不平整性,使得由目標物返回的檢測光與參考光將不能很好的重合,尤其當兩束光偏差太大就不能形成干涉,這將使測量無法進行。因此,人們先后發明了光波頻率調制補償法、機械式位相調制補償法以及將機械補償和光調制相結合的方法來解決這一問題。

1.7 激光散斑測振法

激光散斑振動測量技術[1-3]是利用激光的高相干性,當激光照射到物體粗糙光學表面時將產生散斑場,該散斑場是被測物體表面信息的載體,記錄下該散斑場并利用數字圖像處理技術,就能以干涉條紋的形式得出被測信息的等高線,通過條紋判斷便能得出振動物體的位移。

該方法一般采用多幀干涉圖取平均的方法來減少環境擾動的影響,但并不能從根本上解決擾動問題。散斑干涉法適用于對頻率已知的振動信號進行測量,從而實現對物體振動特性的分析,該方法的不利之處是精度和測量應用范圍有限。

2 激光振動測量的展望

激光振動測量技術發展前景非常廣闊,對于激光振動測量技術的研究工作也是研究人員為之做出不懈努力的工作方向。關于激光振動測量的展望有如下幾個方面:

2.1 改善測量環境

隨著我國科技水平的不斷發展與提高,人類對于振動測量精度的需求已經達到了納米量級。目前的分辨率已經不能實現人們對于某些研究領域項目的精度要求,對于納米精度目標的實現是人類在科研領域的新突破。環境是影響系統實現納米精度的一方面問題,像空氣溫濕度的變化、環境的振動和聲學擾動等都會影響測量精度。因此,可以采用隔離措施和建立確保穩定環境溫度的恒溫室的方法來實現納米測量精度。

2.2 結合多技術于測量

現代的激光振動測量系統廣泛采用的是光、機、電與計算機技術相結合的方式來進行高精度、實時動態測量,大系統的概念、模糊理論、人機工程學的概念、自適應原則、調頻技術、調制技術、反饋原理這一系列相關理論都廣泛的應用在現代測量儀器的設計中,促使測量與控制技術成為一個完整的有機整體。鑒于以上廣博知識,更需要多知識、高技術人才團結、協作完成由知識理論到儀器設計的實現。

2.3 進行科研創新

新的測量原理和方法是指導創新研究成果的理論依據,傳統的振動測量方法已經不適用于納米級振動測量的研究,要解決納米級振動測量需要尋求新的測量原理和方法。將微觀物理和量子物理的最新研究成果應用于測量系統中以及對現有技術進行創新性應用是可行的。

2.4 多領域應用

隨著科技的發展以及性價比高、質量優良的激光振動測量儀問世,激光振動測量技術不僅可以應用于機械制造的檢測中,還可以應用于生物醫學、材料檢測、航空航天等領域。

3 結束語

當今社會激光振動測量技術與人類的生產、生活是息息相關的,此項技術促使人類的生產、生活質量向著更好、更完善的方向發展。隨著激光振動測量方法的成熟與完善,高精度、高效率、低成本的測量方案必將實現并走向成熟。

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篇5

關鍵詞：低溫真空低溫光學實驗裝置有限元ZYGO干涉儀梯形支撐

1引言

隨著空間技術和軍事技術的發展需要，探測儀器的分辨率要求越來越高。在深冷的條件下，當需要探測的目標信號十分虛弱時，探測儀器的背景輻射主要來自儀器本身的光學系統和支撐結構，探測儀器靈敏度嚴重受到系統本身輻射的影響，為減少這一熱噪聲，冷卻光學系統是必需采用的方法。只有把光學系統冷卻及其相關部件冷卻到一定程度，才能有效地減少背景光子的通量，發揮背景極限探測器的作用，大大提高探測器靈敏度。在低溫狀態下工作的光學系統需要解決一系列問題，這些問題涉及材料特性、光學元件單元及系統整體性能變化、光學元件變形、低溫污染等等，這就形成了一門新興學科——低溫光學。

自上世紀七十年代開始，美國首先對低溫光學技術進行研究，最初主要用于各種觀察、測量系統，例如低溫紅外望遠鏡、空載干涉儀器等。從機載、球載到星載，大多數系統都成功有效地完成了對外空的各種探測任務。歐洲一些國家也對低溫光學系統的觀察儀器進行了研究。國內起步于上世紀八十年代末，由于國內航天及其國防事業的發展要求有高靈敏度的探測器，而這些儀器將不可避免地用到低溫光學系統。

我國的未來光學遙感系統采用了十幾個光學元件，這些系統要求冷卻到150K，并且對光學元件的控溫范圍要求非常嚴格，因此就需要研制一套低溫真空實驗裝置對相關的光學元件進行低溫實驗。

2系統實驗裝置的建立

該光學系統的最主要部件之一是動鏡裝置部分。基于反射鏡的溫度要冷卻到150K并對反射鏡的變形進行研究的目的，就需要建立一套高真空和低溫應用的實驗系統，該系統還要滿足進行其它光學元件的低溫實驗需要。系統實驗裝置由真空機組、低溫真空腔體、防振系統、測量裝置等主要部分組成。

2.1低溫真空腔體設計

低溫真空光學實驗裝置系統示意圖如圖1所示，1-機械泵2-預閥3-分子泵4-高閥5-銅帶6-低溫真空腔7-直線電機8-電源9-被測量光學系統10-ZYGO干涉儀11-光學窗口12-監控計算機13-溫控電路14-鉑電阻15-電熱器16-液氮箱17-活性炭18-氮氣19液氮20低閥。低溫真空腔體是實驗系統的核心部分，其示意圖見如圖2，1—抽氣管2-液氮桶3-上腔體4-銅帶5-引線出口6-支撐平臺7-下腔體8-電機支撐9-梯形支撐10-光學窗口11-O形圈12-動鏡支撐框架13-O形圈14-活性炭15-出氣管16-進液管。腔體總高461mm，外殼直徑284mm。內有圓柱形液氮容器，可以儲存液體約4升。其中的光學元件支撐框架是專門為動鏡設計的，其高度177mm。整個腔體可以測試直徑小于250mm,高度小于200mm的各類反射鏡和光學元件。

液氮桶下面用銅帶接光學元件裝置，當液氮桶灌注液氮后，冷量通過銅帶傳導給光學元件裝置。下腔體的石英玻璃光學窗口直徑為64mm.光學元件支撐結構由支撐平臺和固定夾板組成。用固定夾板是為了防止光學元件框架移動，并保證光線垂直射到動鏡表面上。由于動鏡需要電機驅動，而電機的發熱量為3-5W，而這部分熱量輻射對動鏡有很大影響，因此就用導熱率較高的紫銅支撐把一部分熱量盡可能的傳遞給系統外部。由于光學元件裝置部分需要冷卻因此就需要盡量避免它與外界和腔體傳遞熱量，因此就考慮用梯形支撐，由于梯形支撐壁很薄，就起到了很好的隔熱作用。

2.2真空抽氣系統和活性炭處理

真空抽氣系統由機械泵和分子泵組成。由于ZYGO干涉儀器對震動非常敏感，在光學測試的同時，關掉機械泵和分子泵。在關掉機械泵和分子泵的期間，還要維持真空腔體內的真空，故考慮在腔體內加活性炭以維持腔體內的真空度。為了去處活性炭中的水汽和其它氣體，需要對其進行烘烤預處理。活性炭在加工的時候已經固定于上組件中，所以把整個上組件放在DZF-6210真空干燥箱中，在溫度為100°C，烘烤約48小時使得真空度穩定在0.1Pa，然后再做真空低溫實驗。

2.3ZYGO激光平面干涉儀器

非平面的光學元件可以用He-Ne儀器進行光學測量，而平面型光學元件只能用ZYGO干涉儀如圖3進行測量，由于ZYGO干涉儀器對震動非常敏感，因此就需要防震措施。如圖3為ZYGO激光平面干涉儀及其防震裝置。

圖1低溫真空光學實驗裝置系統示意圖

圖2低溫真空腔體結構示意簡圖

3關鍵部件的分析與設計

3.1光學窗口的有限分析

干涉測量的光線要通過窗口，所以就要考慮窗口的厚度對測量誤差的影響，應盡可能使光學窗口厚度最小，同時還要能承受外部一個大氣壓的作用。在外部一個大氣壓，內部幾乎為真空的條件下，綜合考慮窗口折射帶來誤差的影響和其強度的大小，要求石英玻璃窗口的最大變形小于一個波長λ（λ=0.53μm）。

通過ANSYS軟件建立動鏡的有限元模型，并施加邊界條件，改變動鏡的厚度，進行變厚度有限元分析。如圖4-圖6是其中比較有代表性的三個分析結果。從有限元分析結果可以得到不同厚度玻璃窗口最大變形比較。光學窗口厚8mm時其最大變形0.989μm遠超過一個波長，當其厚度從10mm變到12mm,起最大變形都小于一個波長，但是變化值并不大。窗口厚度變大，其折射帶來的誤差就大，為了保證其強度，綜合這兩個因素選擇10mm厚，徑厚比為6.4∶1的玻璃窗口。

3.2梯形支撐的設計

梯形支撐是連接真空腔體和支撐平臺的關鍵部件，如圖7為其示意圖,圖中為熱端溫度，為冷端溫度。它一方面要求滿足盡量減少導熱，起到“絕熱”的作用，另一方面又要求其強度能滿足實驗的要求。

圖7梯形支撐模型示意圖

根據[1]知道，梯形支撐的熱傳導量為：

（1）

式中：——從支撐熱端溫度到冷端溫度之間支撐材料的平均熱導率；其表達式為：

（2）

——支撐的橫截面積；

L——支撐的高度。

考慮到起其強度[5]，有：

（3）

式中：——作用于構件的設計載荷；

——安全系數；

——支撐材料的屈服強度。

由公式（1）、（2）和（3）可得：

（4）

由公式4可以看出傳熱量與材料屈服強度與材料導熱系數之比成反比。欲使傳熱量越小，就應該選擇越大的材料，即材料的屈服強度盡量大，材料的導熱系數盡量小。由文獻[2]和[3]并且考慮到加工成本經濟性，選擇不銹鋼作為梯形支撐的材料。并計算選取梯形支撐的壁厚1mm。參閱金屬材料數據庫可得到不銹鋼的低溫導熱系數，對溫度區間20K∽300K進行擬合可以得到不銹鋼的導熱系數擬合公式如圖8所示。即

（5）

圖8不銹鋼導熱系數擬合

在設計載荷為500N,安全系數取1.5,不銹鋼的屈服強度為210MPa,支撐高度為0.046m,高溫端為300K,低溫端取150K。由公式（4）計算得漏熱量為0.042W,可以忽略不計。

4小結

現代技術的發展對觀測和成像設備的工作波段和空間分辨率都有很高的要求，低溫真空技術越來越受到關注。本文研究了小型低溫光學實驗裝置的相關技術。重點討論了真空低溫腔的結構、光學窗口影響及其有限元分析和梯形支撐的設計，并給出了實驗裝置的系統示意圖，對相關技術進行了探討，為近一步的低溫光學研究打下了基礎，并在以后的工作中不斷完善。

參考文獻

[1]楊世銘陶文銓《傳熱學》（第三版）高等教育出版社1998

[2]馬慶芳芳榮生項立成郭舜《實用熱物理性質手冊》中國農業出版社1986

[3]宋鍵朗楊奮為袁文彬等《材料手冊——金屬》上海航天局第八零七研究所1992

篇6

關鍵詞：氣體閃爍體 光學方法 能譜測量 Geant4

中圖分類號：TL816 文獻標識碼：A 文章編號：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

為了解決現有的帶電粒子束能量測量方法及裝置結構復雜、使用時受輻射場強度限制等技術問題[1]，測量帶電粒子能譜的光學方法將徑跡探測器直觀的、能應用于脈沖輻射場的特點與現代成像組件實時方便的圖像信息采集和處理的優勢結合起來，發展了一種新的基于閃爍圖像直接讀出的探測器，并用于粒子能量測量。

帶電粒子束入射到氣體閃爍體中，粒子沿徑跡沉積能量并激發氣體閃爍體發光，采用CCD相機獲取氣體閃爍發光圖像，入射帶電粒子能量與收集到的閃爍發光圖像一一對應，根據圖像反演可求解得到入射粒子束的能譜。這種成像測量的方法本質是依據帶電粒子束徑跡長度確定能量，粒子徑跡分布只取決于氣體閃爍體和粒子本身，而不受源脈沖狀態的限制。光學成像的測量方法既可應用于脈沖輻射場，又可實現對強流穩態輻射場帶電粒子束能譜的測量。

該文概述了氣體閃爍體的發光機理、閃爍圖像光學方法測量原理，并對如何求解帶電粒子能譜的方法進行了介紹。

1 氣體閃爍發光原理

氣體作為閃爍體的發光材料，具有以下突出優點[2]：發光衰減時間快、通過氣壓調節便于控制阻止本領、發光強度與粒子能量沉積在很廣的能量范圍內線性很好，閃爍圖像強度能夠準確反映粒子的能量沉積分布、氣體密度比固體（液體）材料的密度低3～4量級，同樣能量差的質子束的徑跡長度在氣體中區分明顯便于實現精細的能量分辨。此外，制備簡單、性能可靠、氣體價格便宜、使用方便、擴展性強，可以做成多種合適的形狀以用于具體需求。

帶電粒子能量通過2種方式轉移到氣體原子：電離和激發。電離過程：入射粒子與氣體原子的核外電子之間存在庫侖力作用，傳遞給電子的能量足以克服原子束縛而成為自由電子，氣體分子分離成為一個自由電子和一個正離子。激發過程：入射粒子與氣體原子的核外電子之間的庫侖力作用，傳遞給電子的能量使它從低能級狀態躍遷到較高能級狀態，激發態原子不穩定，隨后原子從激發態躍遷回到基態而退激，退激時釋放出來的能量以光的形式發射出來，釋放出的光子具有特定能量特征。在電離過程中，產生的自由電子如果具有足夠能量會產生更多的電子-離子對或者引起原子激發。總體過程可表示為：

R+Ae+A++R'

R+AA*+R'

e+A+A* （1）

其中，R為入射帶電粒子，A為閃爍氣體原子，它電離和激發產生電子e和離子A+，A*為激發態的原子。激發態的原子通過發出光子釋放能量（輻射過程），如下：

A*A+hνa （2）

或者轉變為熱（非輻射過程）。氣體原子發出的光hνa具有特定的能量特征，在光譜中表現為線狀譜。

在氣體較稠密狀態下（n～1019 cm-3），三體碰撞的概率增加而形成激發態的分子或二聚物：

A*+2AA2*+A （3）

處于激發態的氣體分子的退激是另一N形式，發出的光子在光譜中表現為連續譜分布。

A2*2A+hνm （4）

線狀譜hνa和連續譜hνm構成了閃爍光譜的主要成分，一個典型的氣體閃爍體閃爍發光的光譜圖如圖1所示。

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【關鍵詞】激光跟蹤儀 現場測量 大型結構件 裝配

1 引言

在航空航天、船舶工業領域中，飛機、導彈、衛星、火箭、艦艇等大型船器產品，其推進、制導、控制等功能、性能要求的實現，完全依賴于優異的結構特點與要素控制，因此對船器結構的外形尺寸、結構重量、裝配關系、配合狀態、姿態實現等提出了較高的要求。同樣在風電、水力、汽車領域中，結構件外形尺寸、裝配質量決定著其產品的使用性能。一般而言，在功能結構件的研制過程中，需對生產制造精度（形狀公差）、現場裝配過程中的空間位置精度（方向公差、位置公差、跳動公差）進行嚴格的測量、控制、調整，從而有效保證產品的研制質量。

目前，光學測量技術是現場結構參數測量應用最便捷、最廣泛的方法之一。激光跟蹤儀、經緯儀、攝影測量是光學測量技術中最具有代表性的測量設備，因其優越的測量性能、簡單有效的使用方法得到了廣泛應用發展。其中，激光跟蹤儀是近年來才逐漸發展起來的新型測量儀器，它集激光干涉測距技術、光電檢測技術、精密機械技術、計算機及控制技術、現代數值計算理論等于一體，可對空間運動目標進行跟蹤并實時測量運動目標的空間三維坐標，具有安裝快捷、操作簡便、實時掃描測量、測量精度及效率高等優點[1，2]。目前，LEICA、API、FARO等廠商研制的激光跟蹤儀在精密測量場合中應用最為廣泛。

2 激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀主要由激光跟蹤頭、靶標反射球、控制計算機和測量軟件構成。激光跟蹤頭是激光跟蹤測量系統中的重要組成部分，主要功能是隨著靶標反射球位置的移動，改變測量光束的方向，使測量光束始終對準靶標反射球。激光跟蹤頭內部通常設置有一套激光干涉系統、兩套角度編碼器、電機以及光電接收器件等。靶標反射球按反射類型大致分為平面反射球、實心球及空心球三種；按外徑尺寸有0.5英寸、0.875英寸、1.5英寸及3英寸等幾種[3，4]。其中直徑1.5英寸的空心球應用最為廣泛。

激光跟蹤儀是典型的球坐標測量系統，對空間目標點三維坐標的測量是通過激光跟蹤儀坐標原點到目標點的徑向長度和空間方位角（水平角和垂直角）來確定。如圖1所示，激光跟蹤儀坐標原點為O點，被測空間目標點為P點，測量過程中激光干涉儀測量O點到P點的徑向長度r，兩個高精度角度編碼器分別測量O點到P點的水平角α和垂直角β，P點的三維坐標（x，y，z）可由α、β和r計算得到[5]。

3激光跟蹤儀在現場結構參數測量中的應用

由于高精度和良好的連續跟蹤、自動測量、斷光續接等功能，使激光跟蹤儀成為較為理想的大尺寸測量儀器，廣泛應用于航空航天、動力、能源、精密制造與裝配領域。

3.1 航空航天領域應用

有文獻[2]從“轉站”帶來的效率低等問題考慮，用激光跟蹤儀水平測量方法，對飛機全機數據進行了批次性測量，并通過數據與普通光學儀器對比，反映出機翼安裝情況一致、數值偏差量不大的結論。激光跟蹤儀應用在某型號無人機外翼安裝角的數據測量上，對1～8架飛機外翼安裝角的數據進行了測量及分析，得到數據結果偏差趨勢與結構對稱性結論[6]。空客（Airbus）利用API的T3激光跟蹤儀代替全站儀與經緯儀，對飛機機身零部件空間坐標位置進行了精確測量，提高了機身結構件的配合質量。有文獻[7]對針對飛機水平測量、三維形貌測量設計出相應的測量方案，對激光跟蹤系統的關鍵技術進行了詳盡的闡述，并就系統誤差來源及數據處理進行了分析和探討。

在航天領域中，利用激光跟蹤儀的動態測量特性可測量衛星太陽電池帆板展開運動、天線展開運動、空間機器人關節臂的運動姿態及軌跡的測量等，根據測量數據對運動特性進行計算與分析，以考核實際特性與設計理論特性的符合程度；也可利用激光跟蹤儀測量航天器推進、姿控、有效載荷儀器設備安裝精度[8]。

3.2 動力、能源領域應用

將激光跟蹤測量技術應用到風洞調試中，既提高了測量的精度，又加快了調試速度[9]。對于曲面變化不規則的水輪機大型葉片，利用激光跟蹤儀進而精確測量各個截面葉片外輪廓、葉片頭部外形、參考脊線、葉片軸線等。除對結構外形尺寸進行檢驗之外，利用重構出來的三維模型與提取的相關技術參數可對風機葉片的動力性能、強度等相關數據進行分析和驗證[10，11]。

3.3 精密制造、裝配領域應用

采用激光跟蹤儀，對結構復雜、體積大、定位點多的工裝進行現場尺寸測量，為產品研制質量提供可靠保證[12]。將激光跟蹤測量系統應用在大型機床的檢測方法中，能精確、高效地對機床導軌直線精度、磨齒機伺服軸重復定位精度、機床主軸的回轉精度及跳動等參數進行檢測，有效提高了機床生產制造精度，并有力保證了設備維護、安裝使用性能[13，14]。在對材質為玻璃纖維增強環氧樹脂、外形尺寸為3×4×40m的風力發電機的扇葉進行測量時，利用激光跟蹤儀檢測滿足了風機葉片平整度亞毫米級精度的要求[15]。利用激光跟蹤儀對天基X射線望遠鏡坐標系與星敏感器的安裝進行測量，有效提高了星敏感器的工作精度[16]。

4 激光跟蹤測試技術發展方向

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【關鍵詞】礦山測量；測量技術；發展

引 言

近年來，隨著電子技術和激光技術的發展，光電結合型的測繪儀器對傳統的測繪儀器方法產生了深厚的影響。在礦山井下測量工作中采用先進的現代化的技術，結合測量的實際工作和具體特點，從而更有效的保障了測量結果的準確性和定位的精準性。

一、礦山測量新儀器、新技術的應用

（一）GPS技術在測量中的應用。GPS是借助分布在空中的多個GPS衛星確定地面點位置的一種新型定位系統，具有全天候、高精度、定位速度快、布點靈光、操作方便等特點。在礦山測量中，GPS取代了傳統的地面測繪工作，是一種高精度、現代化的測量手段，在礦山井下測量中，利用GPS地面定點功能，以此為控制點，進行聯系測量，有效的保障了井下生產的安全性。

（二）全站儀在礦山井下測量中的應用。全站儀是目前應用前景最為廣闊的測繪儀器，是電子技術與光學技術發展結合的光點測量儀器，也是集光、機、電為一體的高性能儀器，是集測量所需數據為一體的測量儀器系統。全站儀是一種可以通過鍵盤可以輸入操作指令、數據和設置參數進行角度測量、距離測量和數據處理的測繪儀器。具有方便、快捷、實用等功能。

慣性測量系統。慣性測量系統在測繪領域主要應用目標包括：1.控制測量，對已有控制點的鍵合、加密、航測控制等。2.管線監測、定位、地殼形變、地表沉陷觀測。3.井下定位，各種工程和建筑測量。4.地震、重力測量。5.井筒和罐道梁的垂直性檢測等。慣性測量系統能夠全天候工作，不受大氣影響，受自然條件影響小，減少了井下礦山測量中存在的誤差，保障了井下礦山測量的準確性。

其它測量新儀器新技術在礦山測量中的應用。除了上述的礦山測量新儀器和新技術以外，其他的現代測繪儀器如：激光指向儀、遙感技術等，在礦上測量中都得到了應用，隨著現代化技術的發展，新的儀器和新的技術也將會在礦山測量中得到應用，更好的服務于礦山資源開采。

二、礦井測量中的儀器使用和推廣

測量儀器新儀器和新技術的推廣和應用同樣也需要測量人員在使用方法和工作原理上不斷認識和全面的了解，盡可能的避免儀器使用出現數據顯示不正常、測量誤差等錯誤。在全站儀的投入使用階段，在礦井測量的過程中也出現了一些問題，如：井上進行隱蔽點測量時，棱鏡與支桿不和諧；測點之間距離長，光線暗；儀器井下采集的測點數據，在井上與計算機相連，相互配套的成圖軟件不穩定等問題，都會對新儀器和新技術的使用和推廣造成一定的影響，而伴隨著技術的改革和發展，測量人員專業水平的提高，這些問題都得到了顯著的改善。針對儀器推廣使用過程中存在的一些問題也采取了相應的解決措施。如：當棱鏡與支桿不和諧時，自制可伸縮自由支桿，可以自由變更棱鏡的高度；變更測量點時距離長、光線暗，使聲音和手語不能見效時，測量人員便按照預先制定的燈語進行聯系和調度；當井下數據采集完畢后，在辦公室進行結果計算時，把儀器和計算機相連，利用MAPGIS現有功能，人性的交互式界面，實現實測成圖。

在礦井測量中使用和推廣新儀器和新技術能夠有效的提高測量的精準度，并且提高作業效率，在一定程度上為礦山井下作業的安全性和效益性提供了有力的保障。

三、結束語

隨著技術的發展和進步，對測量儀器的要求越來越高，操作方便、功能強、精度高、速度快等特點成為了測量儀器發展的主要趨勢。在科技的帶動和技術人員不斷的探索過程中，未來儀器也開始逐步的向自動化、智能化、人性化方面發展，為礦山井下測量提供更加精度的數據，進一步的保障礦山作業的安全、高效、穩定。

參考文獻：

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[4]趙愛民.淺析測繪新技術在礦山測量中的應用[J].職業時空，2014.

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關鍵詞： 衍射光柵；干涉；位移測量；Lighttools軟件

中圖分類號：TN16 文獻標識碼：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

衍射光柵作為計量光柵的一種，在精密測量、超精密加工和納米技術等領域有著廣泛的應用。與其它納米測量方法相比，如STM法、SPM法、電容電感測微法和激光干涉儀法等，光柵納米測量方法具有以下優勢：（1）高精度，低成本，由于精密的光刻技術和電子細分技術，以及莫爾條紋所具有的對局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測量精度；（2）同時具備大量程、高分辨率的特點，尤其在大量程方面，光柵傳感器的測量精度僅次于激光測量，而成本卻比其低得多；（3）較強的抗干擾能力，其對環境的適應性比激光干涉儀更強。因此，研制基于衍射光柵的二維納米測量系統具有重要的現實意義。

1 系統組成

二維光柵納米位移測量系統主要是基于光柵衍射與相干光干涉原理組成的幾何光學測量系統，整個系統由幾何光路部分和信號處理部分組成，其構如圖1所示。由半導體激光器發出的光束經過起偏器P1垂直入射到二維光柵表面，反射的正交衍射光通過偏振分光光路形成相位相差90°的干涉信號，然后進入光電轉換模塊使得光學信號轉換為正弦和脈沖電信號，然后由計數細分電路對信號進行計數細分處理，最后把數據處理的果經過誤差補償后進行記錄和顯示。

2 光路構設計

整個系統的光路構如圖2所示，為了提高信號的輸出頻率，光路采用二次衍射設計。

由半導體激光器發出的光束經過偏振分光鏡PBS2后分成振動方向相互垂直的偏振光的s光和p光。若s光被PBS2反射，經過四分之一波片Q3后變為圓偏振光，該圓偏振光經過反射鏡R反射后再次通過四分之一波片Q3，該光束變為p光直接通過PBS2，經過Q4后變為圓偏振光在光柵表面衍射，適當調整光柵與讀數頭之間的距離，-1級衍射光垂直入射到平面反射鏡M2上后沿原路返回，通過光柵表面再次衍射后，+1級衍射光沿原路進入PBS2，此時經過Q4的再次旋光變為s光，s光被PBS2的偏振分光面全部反射后，經Q2和M1返回后變為p光，該光束完全通過PBS2偏振面出射，進入偏振光檢測部分。同理對于激光器出射光經PBS2透射的p光經過Q2和M1返為s光，被PBS2的偏振分光面全部反射，通過Q4后變為圓偏振光被衍射光柵表面衍射，+1級衍射光被M2反射后再次衍射，再次衍射后的-1級衍射光沿原路通過Q4進入PBS2，變為P光全部通過PBS2的偏振分光面，經過反射鏡R和四分之波片Q3后，變為s光再次進入PBS2，經過PBS2的偏振分光面后被全部反射進入偏振光檢測部分。

3 位移測量原理

二維衍射光柵系統可以同時對兩個方向上的位移進行測量，其基本原理是利用衍射光柵的多普勒效應。當LD激光器發出一束頻率為f0，波長為λ的光垂直入射到光柵表面，由衍射光柵的性質可知，光柵在某一方向上運動時，在此方向上形成的衍射光束會發生一定的相移。如圖3所示，根據多普勒效應，X方向上的±1級衍射光的頻率為

式中c為光速，v為光柵在X方向上的運動速度，θ為衍射光束的衍射角。若采用圖2的二次衍射光路設計，則由M2反射出的光入射到光柵表面又發生一次多普勒頻移，此時，X方向的±1級衍射光的頻率為

因此，光柵在平面內移動時，X方向上的光電探測器所接收的干涉條紋信號可以表示為

由式（7）、（8）可以看出，當光柵移動四分之一柵距時，光柵偏振干涉輸出信號明暗變換一次，對應輸出光電轉換信號一個周期（2π）。只要把四象限光電探測器置于適當的位置，使光電陣列接收到四個相差π/2的光強信號，通過對這四個信號的計數與細分處理即可計算出實際的位移量。

4 光學系統仿真

在二維衍射光柵測量系統中，光柵的定位誤差是影響系統干涉信號的主要系統誤差。如圖4所示，光學鏡頭與光柵之間存在五個自由度，分別為X方向上的偏擺、Y方向上的轉動、Z方向上的俯仰、Y方向上的側移與Z方向上的平移。因此利用Lighttools軟件進行仿真，以分析光柵在五個自由度上對干涉信號的影響。

圖5即為采用Lighttools軟件依照圖2所完成的3D模型。

該3D模型設定光柵采用1,200線/mm的二維平面光柵作為標尺，光束波長為635nm，探測器接受面為1×1mm，根據圖4以光柵分別偏擺俯仰和轉動0.05°以及在Y和Z軸向上各平移5個光柵常數來測定系統干涉光點落在光電探測器上的位置狀況，得出數據如表1所示。

由圖表可以看出，俯仰和偏擺對系統干涉信號的影響較大，在進行實際對位安裝時應注意X軸向偏擺與Z軸向俯仰對干涉信號的影響，以產生高質量的干涉信號。

5 論

二維光柵納米位移測量系統是一種高精度，大量程且成本較低的精密測量系統。其精度主要取決于系統干涉信號的質量，上文采用Lighttools軟件設計的光路模型分析了光柵在五個自由度上對干涉信號的影響，發現俯仰和偏擺對系統干涉信號影響較大，為后續的光路校準優化和誤差補償提供了理論依據。

參考文獻

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篇10

我們本來每個人要做共八個實驗，后來由于時間關系做了七個實驗，我做的七個實驗分別是：光纖通訊，光學多道與氫氘，法拉第效應，液晶物性，非線性電路與混沌，高溫超導，塞滿效應，下面我對每個實驗及心得體會做些簡單介紹：

一、光纖通訊：本實驗主要是通過對光纖的一些特性的探究（包括對光纖耦合效率的測量，光纖數值孔徑的測量以及對塑料光纖光纖損耗的測量與計算），了解光纖光學的基礎知識。探究相位調制型溫度傳感器的干涉條紋隨溫度的變化的移動情況，模擬語電話光通信，

了解光纖語音通信的基本原理和系統構成。老師講的也很清楚，本試驗在操作上并不是很困難，很易于實現，易于成功。

二、光學多道與氫氘：本實驗利用光學多道分析儀，從巴爾末公式出發研究氫氘光譜，了解其譜線特點， 并學習光學多道儀的使用方法及基本的光譜學技術通過此次實驗得出了氫原子和氘原子在巴爾末系下的光譜波長，并利用測得的波長值計算出了氫氘的里德伯常量，得到了氫氘光譜的各光譜項及巴耳末系躍遷能級圖，計算得出了質子和電子的質量之比。個人覺得這個實驗有點太智能化，建議鍛煉操作的部分能有所加強。對于一些儀器的原理在實驗中沒有體現。如果有所體現會比較容易使學生深入理解。數據處理有些麻煩。不過這也正是好好提高自己的分析數據、處理數據能力的好時候、更是理論聯系實際的橋梁。

三、法拉第效應：本實驗中，我們首先對磁場進行了均勻性測定，進一步測量了磁場和勵磁電流之間的關系，利用磁場和勵磁電流之間的線性關系，用電流表征磁場的大小；再利用磁光調制器和示波器，采用倍頻法找出ZF6、MR3－2樣品在不同強度的旋光角θ和磁場強度B的關系，并計算費爾德常數；最后利用MR3樣品和石英晶體區分自然旋光和磁致旋光，驗證磁致旋光的非互易性。

四﹑液晶物性：本實驗主要是通過對液晶盒的扭曲角，電光響應曲線和響應時間的測量，以及對液晶光柵的觀察分析，了解液晶在外電場的作用下的變化，以及引起的液晶盒光學性質的變化，并掌握對液晶電光效應測量的方法。本實驗中我們研究了液晶的基本物理性質

和電光效應等。發現液晶的雙折射現象會對旋光角的大小產生的影響，在實驗中通過測量液晶盒兩面錨泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小為125度；測量了液晶的響應時間。觀察液晶光柵的衍射現象，在“常黑模式”和“常白模式”下分別測量了液晶升壓和降壓過程的電光響應曲線，求得了閾值電壓、飽和電壓和閾值銳度。并且比較了升壓降壓過程中閾值銳度的差別。我們一開始做的很慢，不過老師講得很清楚，后來我們很快就做出來了，

五、非線性電路與混沌：本實驗通過測量非線性電阻的I-U特性曲線，了解非線性電阻特性，，從而搭建出典型的非線性電路—蔡氏振蕩電路，通過改變其狀態參數，觀察到混沌的產生，周期運動，倍周期與分岔，點吸引子，雙吸引子，環吸引子，周期窗口的物理圖像，并研究其費根鮑姆常數。最后，實驗將兩個蔡氏電路通過一個單相耦合系統連接并最終研究其混東同步現象。實驗過程還可以，數據處理有點難，后來慢慢思考，最終還是處理好了，

六、高溫超導：本實驗利用液氮創造低溫環境，測量了高溫超導材料樣品的超導轉變臨界溫度為90.。88K，并在實驗同時對溫差電偶溫度計以及硅半導體溫度計進行了溫度定標，測得在實驗的溫度范圍內，在磁懸浮實驗上，我們分別測量了無磁場條件下相變（零場冷）的高溫超導體樣品的以及有磁場條件下相變（場冷）的高溫超導體樣品的磁懸浮力與距離的關系，認為此超導體在強磁場下進入了混合態，而在場冷條件下的實驗證實了我們的假設。這次實驗我們所作實驗中最早結束的一個實驗，不過在示波器中調波形時花了點時間，最終還是很快就做完了。

七、塞滿效應：這個實驗是我最后一次做的實驗，也是最晚結束的一個實驗，因為我們去做實驗的時候實驗室沒電了，于是我們等

把電路修好后開始做實驗了，于是做到晚上11點才結束了，本實驗運用光柵攝譜儀和阿貝比長儀，采用攝譜法觀測Hg譜線的分裂情況，并以此對外加磁感應強度進行估測。本次實驗運用光柵攝譜法觀察到了在外磁場下Hg譜線的分裂情況，直接驗證了塞曼效應；還以Fe譜線作為標準譜，用內插法測得了各譜線的波長，并以此故測了外加磁感應強度B，基本實現了定量驗證和分析，本實驗數據處理比較容易，老師講得也很清楚。