1 首都师范大学物理系, 北京 100089
2 中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所, 北京 100029
介绍了一种自主搭建的测量落体在自由下落过程中旋转角速度的装置,评估了不同落体旋转角速度引入的旋转误差对重力测量的影响。针对具有旋转初速度的落体在真空腔内自由下落的运动模型,该装置采用光杠杆原理,将高精度位置传感器(PSD)作为光跟踪设备,研究并推导出落体由旋转所导致的反射光位移与下落时间的关系。然后,对PSD采集记录的时间位移曲线进行拟合,求解落体单次下落的旋转角速度值。在调整真空腔垂直度后,最大旋转角速度值可减小为16.88 mrad/s,引入的重力测值不确定度为0.57 μGal,即该状态下落体的释放更加平稳。实验表明,该装置不仅可以进一步提升绝对重力仪中落体传动机构的装调精度,还可以对光学干涉绝对重力仪工作过程中的落体姿态进行监测,进一步降低落体旋转所引入的测量不确定度。
测量 计量仪器 光学干涉绝对重力仪 落体旋转误差 光杠杆原理 角速度测量
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学 理学院, 天津 300072
为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度, 本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中, Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈; X扫描器与测头分离, 驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台, 能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振; 同时Z扫描器的载荷实现最小化, 固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差, 设计了一种随动式光杠杆光路; 为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置, 设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明, 该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下, 可搭载尺寸达数厘米且质量超过10 g的较大样品实现13 μm×13 μm范围50 Hz行频的高速成像。
原子力显微镜 高速 快轴 扫描器 光杠杆 Atomic Force Microscope(AFM) high speed fast-axis scanner optical lever
西北工业大学 理学院 陕西省光信息技术重点实验室, 陕西 西安 710129
使用单个光杠杆监测传感器应变时, 传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度, 本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时, 将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后, 使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型, 得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示: 实验测得的ηεeff为0.681 7 με /pm, 精度为0.91%, 与仿真获得的预估值0.672 0 με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。
双光杠杆 应变系数测量 光纤布拉格光栅传感器 复杂结构 double optical levers strain coefficient measurement Fiber Bragg Grating(FBG) sensor complex structure
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
针对微结构的偏转角度测试需求, 设计并搭建了一套基于显微光杠杆技术的角度测量系统。该系统将光杠杆光路与无限共轭显微光路相结合, 所得聚焦光斑直径小于10μm; 采用电流模式电路处理四象限探测器输出信号, 系统理论带宽超过5MHz; 系统对微结构的转角测量分辨力和理论量程分别可达1.2″和±4°。利用该系统测量了原子力显微镜微悬臂梁探针在步进载荷下的偏转情况, 测量结果与铁摩辛柯梁理论计算一致, 验证了系统的可靠性。
光学测量 微结构 光杠杆 偏转角 电流模式 optical measurement microstructure optical lever deflection angle current-mode
1 西南大学 物理科学与技术学院,重庆 400715
2 重庆大学 电气工程学院,重庆 400020
3 重庆师范大学 物理学与信息技术学院,重庆 400047
光杠杆微小位移测量是一种非接触式微位移测量技术,在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。针对现行光杠杆测量微小长度变化的分辨率低、精度低、读数装置设计欠妥等问题,采用一种多级放大方法和基于虚拟技术的实时自动采集技术,设计出了基于纳米精度光杠杆与位敏探测器(PSD)传感器的固体材料线胀系数测量装置。该装置通过光学方法对微位移量进行多级放大,大大提高了微小位移的放大倍数。同时,采用PSD传感器和LabVIEW平台进行数据采集和分析,较好地消除了系统中的人为因素对测量精度的影响。实验系统对黄铜、实验用铁、实验用铝和紫铜的重复测量精度分别为7.5,7.2,7.6和8.1 nm。
测量 光杠杆 纳米微位移测量 位敏探测器 线胀系数
浙江大学,现代光学仪器国家重点实验室,浙江,杭州,310027
本文提出了一种基于光杠杆原理非接触式的纳米级微位移测量系统.该系统通过光学方法对微位移量进行放大,光学放大倍数高,该系统的理论分辨率可达4nm,实际测得静态分辨率小于10nm.信号处理采用基于高精度一维PSD的信号探测电路,并且通过设计有效地抑制了噪声和干扰.实验中使用PZT作为被测物的微小位移驱动器,与电容测微仪JDC-Ⅱ所测数据进行了验证比较,系统所测得的数据证明了其正确性和可行性.并且该系统受温度影响小,结构简单,便于使用MEMS技术集成和微型化.
光杠杆 纳米位移测量 信号处理 PSD
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江,杭州,310027
介绍了一种基于光杠杆原理的光学微位移测量系统.该系统的理论分辨力为4nm,实验测得系统分辨力小于10nm.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,结构简单,便于构成微电子机械系统--MEMS(micro electro mechnical systems),实现系统微型化及自动化.
光杠杆 纳米检测 PSD MEMS
1 华北工学院山西太原 030051
2 广灵三中山西大同 037500
利用光电位置传感器和二维双光杠杆放大,能够测量出二维微小距离的变化.本文介绍二维光电传感器双光杠杆测微原理及方法.
二维微小距离 双光杠杆 光电二维位置传感器 反射光点 two dimensional micro distance position sensor diode double optical lever spot
