根据相关国标设计了一种便携式逆反射系数测试仪，用于测量交通标志、机动车车身标识和高能见度警示服等材料的逆反射系数。分析、比较了逆反射系数测量原理，基于相对测量法研制了逆反射系数测试仪。该逆反射系数测试仪以白色发散光作为光源，可以在近距离下模拟逆反射标识的实际工作状况，完成逆反射系数的测量。介绍了逆反射系数测试仪中光学系统、光电转换电路和STM32F103C8T6单片机控制系统的设计方法，建立了基于最小行车安全距离的逆反射系数测试角度的选择模型，完成了逆反射系数测试仪不确定度的评估。最后，利用研制的便携式逆反射系数测试仪进行了实验测试。 结果显示：在测试条件为（0.1~199.9） cd·lx-1·m-2时，其示值误差的最大值为4.40%；当测试条件大于199.9 cd·lx-1·m-2时，示值误差的最大值为1.31%，符合GB 26377-2010对示值误差的要求。设计的逆反射系数测试仪具有小型化和智能化的优点，对现场检测交通安全标识、机动车车身标识等具有实际意义。
逆反射标识 逆反射系数测试 逆反射系数测试系统 相对法 retroreflector coefficient of retroreflection measure coefficient of retroreflection measurement system relative method 光学 精密工程
2017, 25(12): 3096
哈尔滨工业大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001
固液界面的表面电荷会影响微纳流体系统的流体阻力, 因此如何测量固液界面的表面电荷密度以及分析表面电荷的产生机理对于研究表面电荷对流体阻力的影响具有较大的意义。提出了一种基于接触式AFM的固液界面表面电荷密度测量方法。基于该方法测量了浸在去离子水和0.01 mol/L的NaCl溶液中的高硼硅玻璃和二氧化硅样本的表面电荷密度, 并研究了溶液pH值对表面电荷的影响。研究结果表明高硼硅玻璃和二氧化硅由于表面硅烷基的电离带负电。溶液pH值和离子浓度的增加都会增加浸在去离子水和0.01 mol/L的NaCl溶液中高硼硅玻璃和二氧化硅的表面电荷密度的绝对值。
表面电荷密度 固液界面 静电力力 探针原子力显微镜 surface charge density solid-liquid interfaces silica colloidal probe AFM 强激光与粒子束
2015, 27(2): 024151
1 哈尔滨工业大学机电学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学能源学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
为提高光纤传感系统的复用能力，常将多个谱型重叠的传感器串联，由此引发的串扰效应会导致测量误差的产生，从而需要对串扰效应进行深入分析。将蒙特卡罗法引入到由多个谱型重叠传感器串联组成系统的研究中，该方法能考虑到光谱阴影、任意阶多次反射的串扰效应，计算出系统总反射率谱等信息。为验证方法的可靠性，使用蒙特卡罗法对由两个谱型重叠的传感器串联所组成系统的总反射率谱进行了仿真，并与其数学解析解比较，结果显示两者吻合度高，在选择光线数为5×106时，计算误差量级在10-3左右，证实了该方法的准确性。在此基础上，采用蒙特卡罗法对无解析解的多个传感器串联所组成系统的总反射率谱进行了仿真计算。
光纤光学 串扰 蒙特卡罗法 光纤传感器 光谱
哈尔滨工业大学 机械电子工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
为了满足微电子制造技术中不断提高的刻线边缘粗糙度测量与控制精度的要求,对使用原子力显微镜(AFM)测量刻线边缘粗糙度的影响因素进行了研究。基于图像处理技术从单晶硅刻线样本的AFM测量图像中提取出线边缘粗糙度,并确定出其量化表征的参数。然后,根据线边缘粗糙度测量与表征的特点,对各种影响因素,包括探针针尖尺寸与形状的非理想性、AFM扫描图像的噪声、扫描采样间隔、压电晶体驱动精度、悬臂梁振动以及线边缘检测算法中的自由参数等进行了理论和实验分析,并分别提出了抑制及修正的方法。研究表明,在分析各种可能导致测量误差的影响因素的基础上,消除或减小其影响,可以提高刻线边缘粗糙度测量的准确度,为实现纳米尺度刻线形貌测量的精度要求提供理论与方法上的支持。
纳米测量 线边缘粗糙度 原子力显微镜 测量误差分析 nanometrology Line Edge Roughness (LER) Atomic Force Microscope (AFM) measurement error analysis
哈尔滨工业大学,机械电子工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001
研究了用于扫描探针显微镜,特别是原子力显微镜(AFM)中的扫描器高精度定位问题.压电陶瓷驱动器通常用于这种扫描器中,在无补偿的开环控制期间,它在输入电压和输出位移之间表现出明显的迟滞和蠕变.迟滞和蠕变降低了扫描器的定位精度并使扫描图像出现了畸变.给出了迟滞和蠕变模型及参数的在线辨识方法.在AFM的扫描控制中,使用基于该模型的逆控制算法补偿了压电陶瓷的迟滞和蠕变.在分析中,Preisach迟滞模型和对数蠕变模型被用于描述压电陶瓷驱动器的非线性.由于该方法不需要在控制过程中进行参数设置,因此很容易使用.此外由于是开环控制方法,可以具有更好的分辨率.闭环操作能够给出较好的迟滞和蠕变补偿,但由于在高带宽情况下传感器动态范围的限制,对于小扫描区域或样本特征,它减小了成像的分辨率.三角波轨迹跟踪的仿真结果说明轨迹误差在传感器噪声量级上,证明了这个方法的有效性.
原子力显微镜 压电陶瓷 迟滞 蠕变
哈尔滨工业大学机电学院机电控制及自动化系,黑龙江,哈尔滨,150001
高斯光束照射到以角速度( 旋转的圆柱体表面时,反射空间将出现的动态散斑随着被测表面的运动连续变化,这是一个随机过程.研究了当旋转圆柱体表面满足弱散射体条件时,在菲涅尔衍射场形成的动态散斑的统计特性;给出了几种特定情况下描述动态散斑时间-空间相关性质的参数--动态散斑的空间相关长度,动态散斑的相关时间,动态散斑的平移距离和相关距离.这些参数表明动态散斑的统计特性与圆柱体曲率半径、入射光束、表面微观形貌、物体旋转角速度、光学几何结构因素有关;依据参数分析了动态散斑运动形式,动态散斑纯沸腾运动取决于观察面到散射屏出射平面的距离,投射到散射屏出射平面上的照明光波波面的曲率半径和散射体的曲率半径.
动态散斑 统计特性 高斯光束 旋转柱面
激光经过被测表面反射和散射后,通过自由空间传播至观察面上形成散斑图像,其统计分布依赖于被测表面的微观形貌.分析此散斑图像的二阶统计特性,导出了强度变化的相关函数和表面粗糙度参数之间的关系.以表面粗糙平均值Ra分别为0.1μm,0.2μm, 0.4μm和0.8μm的平磨标准金属样块形成的散斑图像为例,根据强度变化相关函数的离散化定义,计算得到该相关函数值.结果表明,表面越粗糙,散斑越分散,强度变化的相关函数波动越大.因此,该参数可以反映不同的粗糙面,用其作为表征表面粗糙度的特征参数,扩大了测量范围.该方法实验系统简单,对于实际测量环境要求不高,对震动不是非常敏感,适于在线测量.
表面粗糙度测量 散斑图像 强度相关函数
