天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。
近红外漫反射光谱法 无创血糖测量 蒙特卡洛模拟 皮肤血流灌注 三层皮肤模型 真皮层厚度 差分测量 Near-infrared diffuse reflectance spectroscopy Non-invasive blood glucose measurement Monte Carlo simulation Cutaneous blood perfusion Three-layered skin model Dermal thickness Differential measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2699
1 山西能源学院 电气与控制工程系, 山西 榆次 030600
2 中国有研科技集团有限公司 有研国晶辉新材料有限公司, 北京 100088
提出了一种基于单柱面聚焦透镜的热透镜技术差分测量构型,并采用相移理论和高斯光束ABCD传输定律建立了热透镜信号理论模型,导出了最优构型条件及测量灵敏度理论极限,结果表明该测量构型能够获得与双柱面聚焦透镜测量构型相同的测量灵敏度。采用理论计算及有限元分析相结合的方法分析了构型参数对探测平面光强分布及热透镜信号幅值的影响,理论结果和有限元结果的一致性证明了单柱面聚焦透镜差分测量构型的可行性及理论模型的正确性。
光学测量 热透镜 差分测量 构型优化 有限元 optical measurement thermal lensing differential measurement configuration optimization finite-element method
陆军工程大学 车辆与电气工程系，河北石家庄050003
为了研究磁梯度张量系统（Magnetic Gradient Tensor System， MGTS）的理论探测极限，利用磁偶极子正演公式、张量矩阵特征方程和张量不变量推导了差分磁梯度张量测量范围公式，提出了MGTS理论探测极限估计方法。利用磁梯度张量空间衍生不变关系定位方法估计目标体磁矩，并利用差分计算原理在背景场静态采样中估计MGTS的张量分量测量准确度。利用提出的方法估计现场MGTS的理论探测极限。滑动磁性物体远离MGTS并进行连续采样，记录张量信号实际可观测范围并对估计结果进行验证。结果表明，MGTS的理论探测极限与基线距离d、测量准确度q、目标磁矩强度M、观测点与目标磁矩间夹角θ等有关；d越长，q越高，M越大，MGTS理论可探测距离越远；d越长，观测距离越近，MGTS测量的理论误差越大；探测距离在MGTS平行于磁矩方向时最大，在垂直于磁矩方向时急剧减小。实验表明，平面十字形MGTS针对4个典型磁铁的探测极限估计准确度为±0.4 m。
磁梯度张量 差分测量系统 探测极限 目标定位 magnetic gradient tensor differential measurement system detection limits target positioning 光学 精密工程
2022, 30(11): 1325
红外与激光工程
2021, 50(12): 20210723
深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
火焰的速度测量是燃烧力学和流体诊断中的研究内容之一, 对于燃烧成分分析和推进动力学具有重要研究意义。 激光多普勒速度测量学测量精度高, 但由于测量过程本身的复杂性以及其在低速测量中的误差增大使得该方法的应用受到限制, 因而光热偏转光谱法在面向低中速流体测量时具有较好的实用价值。 光热偏转光谱法测速使用一束泵浦光入射到被测介质中, 由于流体介质中成分吸收光后形成热透镜分布, 当一束探测光入射到介质中时, 由于热透镜移动使探测光产生偏折, 通过测量探测光相对泵浦光的高度和信号偏转对应的飞行时间, 可得到流体的速度。 通过自建泵浦探测光热偏转实验装置, 使用单脉冲能量为20 mJ、 波长为355 nm的泵浦光和功率为2 mW、 波长为632.8 nm的连续探测激光对煤油火焰的不同位置进行了速度测量, 测量装置的空间分辨率为2×10-5 cm3。 对距煤油灯芯高度5, 8和11 mm处的火焰平面进行了速度测量, 得到了火焰对应的水平速度分布, 发现在接近火焰下方的位置, 同一水平面的火焰外部速度高于内部速度; 在接近火焰上方位置, 同一水平面的火焰内部速度高于外部速度; 同一平面的速度分布接近于抛物线形分布。 对距火焰中心±2 mm的三个竖直平面进行速度分布测量, 得到了对应竖直面的速度分布, 发现竖直中轴线上靠近火焰底部的点速度慢于两侧, 上部的速度快于两侧, 同上述水平速度分布测量得到的结论一致。 实验所测得的火焰速度在0.2~1.5 m·s-1之间。 通过使用单脉冲能量分别为20, 40和60 mJ泵浦激光, 分析了介质击穿在速度测量过程中引入的误差。 通过进一步优化系统信噪比, 光热偏转光谱法作为流体速度测量的有力工具将可实现对温度和浓度等参数的测量并用于燃烧诊断。
光热偏转光谱 火焰速度 差分测量 燃烧诊断 Photothermal deflection Flame speed Differential measurement Combustion diagnosis 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3353
1 华侨大学机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
2 福建工程学院机械与汽车工程学院, 福建 福州 350118
并行差动共焦三维成像方法通过将照明光分割为多光束,实现多点并行探测,解决了传统差动共焦成像中逐点扫描导致的成像效率偏低的问题,是一种理想的快速高精度三维成像方法。然而,在并行差动共焦检测过程中,系统光照不均和光学成像系统的场曲都会引起测量误差。分析了宽场成像过程中不可避免的光照不均及光学系统场曲等因素对并行差动共焦轴向测量的影响,提出了一种宽场误差的修正方法,建立了并行差动共焦轴向测量宽场误差修正的理论模型。实验证明,该方法可以有效地抑制系统光照不均对测量结果的影响,并且校正了光学成像系统场曲等引起的轴向测量误差,保证了并行差动共焦纳米量级轴向测量准确度在全视场范围内的普适性。该方法实施过程简便,适用于其他并行共焦检测方法的误差修正。
显微 并行共焦显微镜 三维形貌测量 物方差动测量 误差修正 光照不均 光学学报
2020, 40(20): 2018001
山东理工大学 仪器科学与技术系, 淄博 255049
为了实现机床在加工状态下主轴径向跳动非接触、高精度的测量, 采用光外差法光路的激光多普勒差分检测方法, 进行了理论分析和实验验证。直接耦合和透镜耦合的全光纤光路的应用, 降低了布喇格衍射光路的调节难度, 提高了测量分辨率和抗干扰能力, 减小了噪声; 光纤分光器实现了同一轴线上的差分测量, 抑制了因测量光路本身的振动带来的干扰。得到了相对误差为0.0838%的主轴径向跳动测量结果, 实现了纳米级跳动误差测量。结果表明, 系统的相对误差和测量不确定度均小于0.1%。该研究对主轴径向跳动的实时测量有一定的指导意义。
激光技术 全光纤光路 声光调制 差分测量 不确定度 laser technique fiber optic light path acousto-optic modulation differential measurement uncertainty
1 华侨大学机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
2 福建工程学院机械与汽车工程学院, 福建 福州 350118
分析并行物方差动轴向测量方法在样品表面反射率变化以及照明光不均匀情况下的两种乘法性误差,并提出一种误差修正模型。构建表征乘法性扰动干扰的图像灰度矩阵的数学表达式,通过对数差动消去乘法性扰动干扰误差,以达到误差修正的目的。最后通过两组对比实验,对误差修正模型进行实验验证。对高度为4.739 μm、周期为50 μm的台阶样品进行形貌测量,测量的相对误差由修正前的2.91%降低到修正后的0.78%。在低倍数物镜和光照不均匀测量条件下,对表面反射率不均匀的硬币进行快速三维形貌实验,该方法测量结果与光学表面轮廓仪测得的结果相比,相对偏差为1.62%。两组实验结果表明,本文方法能较好地修正乘法性误差的影响,可提升适应性。本文方法可为智能制造在线检测提供适用性强、高效率、高精度的微观形貌检测。
测量 三维形貌测量 并行物方差动测量 非均匀照明 反射率变化 误差修正
针对实际生产或维修中飞机螺旋桨的不平衡问题, 设计了一种飞机螺旋桨的静平衡检测系统。可以检测出螺旋桨不平衡量的大小和位置。测试系统通过平衡台部分刀口卸荷差动式测量方式, 保留出系统X、Y方向的旋转自由度, 应用传感器检测在其方向上的不平衡力矩。由stm32f103和tm7711组成的信号采集电路传送到上位机中, 在上位机软件中进行运算处理, 显示出最终结果。并经过实验验证了系统的准确性。
飞机螺旋桨 静平衡测试系统 刀口卸荷差动式测量 信号采集 aircraft propeller static balance test system knife port unloading differential measurement signal acquisition
