山东大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266237
提出了一种基于非对称马赫-曾德尔干涉（AMZI）和3D打印立体光刻树脂模块的大量程压力传感器，分析了传感器的特性，推导的公式表明传感器的灵敏度与单臂长度成正比，与衍射阶数成反比。在设计中，高灵敏度通过小的衍射级实现，AMZI压力传感器采用平面光波技术制造，压力块采用树脂（DM11）3D打印，测试灵敏度为0.3047 nm/MPa。
马赫-曾德尔干涉 压力传感器 大范围 高灵敏度 集成光学 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1923001
长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410000
针对一类含有非匹配干扰的高阶非线性未知系统的控制问题，采用一种基于自耦比例-积分(ACPI)控制理论的虚拟递推控制方法,该方法通过引入未知状态和总和扰动的概念，将非匹配非线性系统映射为等价的线性未知系统，并构建了一个在总和扰动反相激励下的受控误差系统，结合ACPI控制理论构造了以速度因子为核心联系因子的ACPI虚拟指令，为了有效避免反步控制中存在的“微分爆炸”问题，将各虚拟指令的微分定义为未知有界扰动。仿真结果表明了ACPI控制系统不仅具有良好的动态品质和稳态性能，而且具有良好的抗扰动鲁棒性，因而在高阶非线性未知系统控制领域具有广泛的应用前景。
非匹配非线性未知系统 ACPI控制理论 虚拟递推控制 自适应速度因子 大范围鲁棒稳定性 unmatched nonlinear unknown system ACPI control theory virtual recursive control adaptive speed factor robust stability over a wide range
中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州 310018
光纤布喇格光栅(FBG)因其响应速度快和准分布式测量等优势广泛应用于氢气测量领域。为进一步扩大氢气浓度测量范围, 提出一种基于介孔型掺铂三氧化钨(Pt/WO3)粉末的FBG氢气传感器, 并级联一个FBG传感头用以温度补偿。实验结果表明: 将氢气浓度从0递增到32%, FBG的中心波长最大飘移量为320 pm, 响应时间约为10 s, 并且在0~14%氢气浓度范围内有较好的线性关系, 灵敏度为11.69 pm/%H2, 可以实现准分布的氢气浓度传感。
氢气传感器 布喇格光纤光栅 温度补偿 大范围氢气浓度 Pt/WO3粉末 hydrogen sensor fiber Bragg grating temperature compensation wide range of hydrogen concentration Pt/WO3 powder
1 天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384
2 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津300384
3 天津理工大学 机械工程学院，天津0084
并联机器人是一种多支链、多关节、强耦合非线性系统，具有高速、高刚度和大负载等明显优势而被广泛应用到工业领域。然而，随着关节数量的增加导致该类机器人运动学解耦和高精度平稳控制的难度较大。为实现大范围平动3-RRRU并联机器人自动化轨迹跟踪和控制的平稳性，针对运动学解耦和速度自适应规划方法展开了系统、深入地研究。首先，应用DH法建立了机器人运动学模型，基于结构约束条件完成运动学解耦计算，并在S型控制策略中加入速度自适应修正机制，依据不同轨迹可自动计算并修正最大速度参数，实现自适应优化；其次，采用激光跟踪仪对机器人轨迹进行动态跟踪，对比分析了S型速度和梯型速度控制策略下的跟踪精度，梯型速度规划下其最大误差高达4.513 mm，是S型控制策略的3倍，且位置误差曲线出现多个尖峰值，说明因速度突变导致运动平稳性较差；最后，测试S型速度规划下采用自适应修正机制前、后机器人的平稳性以及轨迹跟踪精度。实验结果表明：当规划路径难以实现机器人加速到原预设最大速度时，在轨迹末端存在较大的惯性速度，产生位置尖峰误差为2.676 mm，是修正后最大误差的2.4倍，且伴随着明显的冲击效应。引入自适应修正机制后圆轨迹的起点和终点位置误差分别为0.722 mm和0.382 mm，二者相对位置偏差仅为0.34 mm，且末端定位误差相比修正前降低了一个数量级，有效解决了机器人存在惯性冲击效应的难题，大幅提高了机器人整体轨迹跟踪的精度和控制的平稳性。
大范围平动 并联机器人 运动学解耦 自适应控制 精度 large overall translation parallel robot kinematic decoupling adaptive control accuracy
1 华中科技大学 材料科学与工程学院 材料成形与模具技术国家重点实验室, 武汉 430074
2 华中科技大学 体育学院, 武汉 430074
针对大范围视觉系统相机标定难度大、效率低的问题, 提出了一种基于相位移编码圆的相机离焦快速标定方法。该方法首先通过相位移编码圆实现离焦状态下的特征点提取; 利用标靶空间位置信息构建出单目相机的目标函数, 并采用非线性最小二乘法求解相机的内部参数; 通过建立双目系统的目标优化函数解析出相机系统的外部参数。该方法无需移动相机或标靶, 通过拍摄3幅相位移圆图像, 即可完成大范围视觉系统相机离焦状态下的快速标定。经实验验证: 标定焦距偏差在0.5%以内, 逆向投影误差最大为0.33pixel, 解决了大范围视觉系统相机标定难度大、效率低的难题。
光学测量 大范围视觉系统 相机标定 离焦 相位移编码圆 optical measurement large-scale vision system camera calibration defocus phase shift coding circle
北京理工大学 光电学院 “精密光电测试仪器及技术”北京市重点实验室， 北京 100081
针对传统共焦显微技术中轴向扫描范围和扫描速度无法兼顾的问题，提出一种基于虚拟针孔探测的大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法。通过分光瞳原理，将偏心光束法定焦和分光瞳虚拟针孔探测技术相结合，先利用激光光斑在CCD上的位置和样品位置的对应关系实现大范围的粗略定焦，再通过虚拟针孔差动传感实现高精度定焦，从而实现轴向大范围快速定焦。实验表明该方法轴向分辨力可以达到10nm，最大传感范围可达到70um，定焦速度是传统定焦方法的3.6倍。
光学测量 大范围 分光瞳 快速定焦 optical measurement large range divided-aperture fast focus identification
中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300
针对白光扫描干涉术在垂直大范围扫描过程中的测量效率问题，提出了一种基于有效信号提取的白光信号快速处理方法。使用白光LED光源，建立了双峰频谱分布模型，并使用该模型进行了仿真实验，给出了不同算法在特定采样步长下所需的最小采样区间长度确定方法，在不改变测量精度的条件下减少了解算所需的数据量，并使得轮廓解算可以在采样结束前开始。针对垂直大范围扫描过程中的背景值波动问题，给出了一种基于背景集合的白光干涉信号背景分离方法，并通过与几种常见信号处理方法的比较，证明了背景值提取的完整性，有效消除了背景值波动现象对测量精度造成的影响。最后将上述方法应用于自主设计开发的白光轮廓仪，使用傅里叶变换法精确测量了U盘接口表面形貌特征。测量结果表明: 从扫描开始到获得表面高度信息的总时间减少了49.02%。
白光扫描干涉术 垂直大范围扫描 有效采样区间 背景值提取 white light interferometry vertical large-scale scanning effective sampling interval background value extraction 红外与激光工程
2019, 48(10): 1013002
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海赛克力光电缆有限责任公司, 上海 200093
为了满足在极低和较高光功率范围内对光信号的探测, 提出了基于硅光电倍增管(SiPM)的弱光检测系统, 该系统包含自动调节偏压电路、电流. 电压转换电路、小信号放大电路和滤波电路。测量不同偏压下 SiPM的输出与入射光信号之间的关系, 实验结果显示, 偏压对 SiPM的输出有很大影响, 不同偏压下, SiPM的探测能力和探测范围都不相同。此外, 该系统对 25 pW到 1.75 μW的光信号都有响应, 能在极低和较高光功率范围内对光信号进行连续探测。
硅光电倍增管(SiPM) 弱光探测 自动偏压控制 大范围响应 silicon photomultiplier (SiPM) low light detection automatic bias control wide range response
1 山东大学(威海)机电与信息工程学院, 山东 威海 264200
2 山东大学燃气检测技术中心, 山东 威海 264200
3 华晨汽车工程研究院, 辽宁 沈阳 110000
激光诱导击穿光谱(LIBS)信号的稳定性受激发光在目标表面聚焦准确性的影响很大。在海底热液喷口烟囱体探测等应用现场,难以通过对目标样品进行预处理这种常规方法来提高对焦精度,一套快速、高精度对焦系统对LIBS探测有重要意义。将显微自动对焦系统与图像对比度评价方法相结合应用于LIBS探测系统中以提升对焦精度,以双色激光辅助对焦方法扩大寻焦范围并加快对焦速度。实验证明两种方法结合可以实现2400 μm的对焦范围和20 μm的对焦精度,并明显提升对焦速度,有望提高现场探测时的LIBS信号质量和光谱采集效率。
机器视觉 大范围寻焦 对比度评价 激光诱导击穿光谱 图像处理 显微成像 光学学报
2018, 38(12): 1215004
1 天津理工大学电气电子工程学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室, 天津 300384
2 核工业理化工程研究院, 天津 300180
为解决固体激光器工作时光学晶体产生的热沉积问题, 保证其工作性能稳定, 提出了一种基于半导体制冷器(TEC)的高控温精度、大控温范围光学晶体温度控制方案。分析了TEC的工作特性和光学晶体的热效应与传热机理, 将TEC工作过程中自身温度变化引起的电气特性改变与光学晶体温度的变化同时纳入控制环节, 建立了温度-电流双闭环温度控制模型, 设计并完成了一套高控温精度、大控温范围的光学晶体温度控制系统。实验结果表明: 本系统在-15～120 ℃的温度控制范围内, 可以迅速稳定在任一设定的温度点, 其控温精度优于±0.002 ℃; 当设定温度和实际温度之间的偏差在20 ℃以内时, 其收敛稳定时间小于60 s, 可以满足固体激光器中光学晶体对控温范围与精度的要求。
光学晶体 温度控制 双闭环 高精度 大范围 optical crystal temperature control double closed loop high precision wide range
