光谱共焦法厚度测量系统中抖动补偿算法研究

为获得样品多点数据,光谱共焦位移传感系统在移动测量时会产生抖动效应,引起测量数据发生漂移,文中基于已实现的光谱共焦厚度测量系统,研究抖动的影响并探究抖动补偿算法。首先,基于光谱共焦厚度测量模型及抖动存在时探头相对于光轴发生一定倾斜,推导了抖动对厚度测量影响的关系模型,并采用蒙特卡洛法分析了4种样品在不同程度随机抖动下的厚度概率密度函数,将解析结果与蒙特卡洛仿真结果进行比较,验证了厚度概率密度函数表达式的正确性。结果表明:抖动效应导致测量性能下降,尤其在样品厚度较大时;而抖动标准差较大时,较薄的样品具有更好的抗抖动性能;为补偿抖动的影响,提出采用Savitzky-Golay滤波及高斯拟合实现滤波和光谱信号峰值波长的提取,并建立了抖动误差补偿算法;最后,对厚度为(1.0±0.1) mm的样品进行实验测量,测得平均厚度为1.064 0 mm,补偿后的相对标准偏差为0.29%,验证了抖动补偿算法的有效性。文中的研究内容对提高系统测量稳定性及测量精度有一定的指导意义。

基于GRNN的光谱共焦位移测量方法分析与研究

提出一种基于广义回归神经网络(GRNN)拟合光谱共焦系统的光谱响应以准确定位峰值波长。利用采集到的光谱信号作为样本数据,将光谱数据中的信号波长λ作为GRNN模型的输入变量,光谱波长的归一化强度作为输出变量,基于样本的输入变量和输出变量的联合概率密度函数作为验证条件,对光谱信号的预测输出进行Parzen非参数核回归,得到波长对应的归一化强度的最大概率输出值,实现光谱的重新表征。由于GRNN网络将输出变量附近样本点的权重考虑在内,因此一定程度上能够消除光谱信号随机噪声的影响,提高光谱信噪比,减小光谱信号的表征误差,提高峰值波长提取的准确性。实验表明GRNN模型对色散焦移的拟合系数为0.9999,系统分辨率约为2μm,测量误差的均方根误差约为0.01μm,优于传统的最值法、质心法、高斯拟合等算法,能够有效地抑制色散模型波长提取引起的模型波动,提高系统测量的分辨率与稳定性。

GRIN色散物镜光学像差对峰值波长提取的影响

为提高光谱共焦位移传感系统接收信号峰值波长提取精度,基于设计的梯度折射率(Gradient Index,GRIN)色散物镜,系统分析了光学像差对峰值波长提取的影响。首先结合GRIN色散透镜的光学性能,利用光学像差理论,建立了优化后GRIN色散物镜的像差分布函数,获得了各类像差与波长分布之间的关系;然后仿真分析了各类单色像差以及组合像差对峰值波长分布的影响,利用三种拟合算法分别提取存在不同像差下的峰值波长,得到了光学像差引起的GRIN色散物镜峰值波长偏移;最后利用不同的拟合方法对像差影响下的轴向响应信号进行了数据拟合和拟合误差分析。结果表明,球差为1时,引起峰值波长偏移6.28 nm;当球差大于1时,出现双峰,球差越大引起的峰值波长偏移越大;像散对峰值波长偏移的影响小于球差;组合像差对峰值波长的影响最大,出现了三峰旁瓣同时升高。研究结果对建立像差影响的峰值波长提取误差修正和补偿算法,并进一步提高系统测量精度具有参考意义。

基于光谱共焦技术的高精度非接触测头

为了解决光谱共焦非接触测头存在的量程较小、精度差等问题,设计了一种四片式大量程透镜组,并提出了一种基于Adam算法的峰值波长提取算法和一种分段拟合曲线标定方法。透镜组在大约470-730 nm波段内,位移测量范围可达4500μm。利用设计的透镜组搭建了测头系统,通过实验验证了使用Adam算法的位移误差为0.3μm,比质心法减小了68.3%,比传统高斯拟合法减小了26.0%,比抛物线拟合法减小了24.3%,而使用分段拟合方法的位移误差比使用传统多项式标定方法减小了92.4%。实验结果表明,所设计的测头系统可以实现较大量程的高精度非接触位移测量,为进一步研究基于光谱共焦技术的高精度位移传感器提供了理论和实验依据。

基于光谱共焦测量原理的波形弹簧自由高度检测技术分析

为解决波形弹簧人工检测效率低、检测精度差等问题,提出了一种基于光谱共焦测量原理的波形弹簧自由高度检测方法。该方法利用光谱共焦位移传感器与精密机械转台组成旋转扫描测量系统,在自由状态下实现对波形弹簧表面轮廓扫描测量,并针对其轮廓特征提出一种等步距窗口移动的峰值提取算法,完成了波形弹簧所有波峰峰值点的精确提取,最终实现对波形弹簧自由高度的精确评定。与传统人工测量方法相比,本方法的测量效率提高200%以上,测量精度由0.01mm提高到0.003mm,对波形弹簧工艺参数的优化以及制造性能的提升具有重要意义。

光谱共焦传感器关键技术研究进展(特邀)

精密测量技术是先进制造业得以高速发展的基础。光谱共焦传感器具有测量精度高、检测速度快、系统集成度高等技术优势,已成为先进制造领域当前备受关注的精密测量技术之一。首先,介绍光谱共焦测量原理,分析构成光谱共焦传感器的关键器件;然后,针对点光谱共焦传感器,综述构成传感器的色散物镜、宽光谱光源、光谱检测装置,以及光谱处理算法等关键技术方面的研究进展;其次,针对线扫描光谱共焦传感器,综述扫描方式、光路结构、光谱检测装置,以及光谱信息处理方法等关键技术;最后,总结当前光谱共焦传感器的研究重点、难点,以及未来的技术发展方向。

基于反射率修正的柱透镜面形光谱共焦测量研究

为实现柱透镜面形的精确测量,研究了反射率引起的面形测量误差。首先介绍了光谱共焦位移传感系统的工作原理,并在空间坐标系下利用柱透镜的结构参数,推导了系统的光谱响应,建立了柱透镜面形测量模型。然后,对由各点反射率引起的光谱曲线谱峰漂移,以及这种漂移导致的面形测量误差进行了理论研究和仿真分析。。为修正透镜曲面反射率对测量结果的影响,采用S-G滤波及高斯拟合实现滤波和光谱信号峰值波长的提取,建立了反射率误差修正算法,最后通过搭建实验平台,完成了基于反射率修正的柱透镜面形测量。实验结果表明:修正前面形测量结果的平均绝对误差和均方根误差分别为9.18μm和9.79μm;修正后面形平均绝对误差和均方根误差分别为0.71μm和0.75μm,面形测量精度有了很大提高,验证了理论分析的正确性及所提反射率修正算法的有效性。

基于光谱共焦位移传感器的零件几何量精密测量

为提高零件几何量精密测量的准确性,设计一个基于光谱共焦位移传感器的零件几何量精密测量方法。首先提出光谱共焦位移传感器的工作原理,利用其工作原理开展测量工作,然后确定被测物允许的最大倾斜角度,最后通过质心法与抛物线拟合法实现零件几何量精密测量。实验对比结果表明,此次研究的基于光谱共焦位移传感器的零件几何量精密测量方法有效提高了零件几何量精密测量的准确性,并减少了测量时间,实际应用意义较强。