“精密测量物理”重大研究计划结题综述

国家自然科学基金“精密测量物理”重大研究计划于2013年立项,执行期限为2014年1月至2021年12月,国家自然科学基金委员会于2023年3月对“精密测量物理”重大研究计划进行了结束评估,评估结果为“优秀”。本文介绍了“精密测量物理”重大研究计划的立项背景、总体科学目标、总体布局、实施思路及总体完成情况,并概述了该领域下一步发展的建议。

齿轮线激光三维测量仪的研制

快速获取齿轮全部齿面的三维误差信息,是表征复杂齿面质量的关键和前提。本文基于激光三角测量原理,建立了齿轮线激光三维测量模型,研制出齿轮线激光三维测量仪,可用于生产现场快速获取被测齿轮的三维齿面误差信息并进行质量评定。仪器采用立式结构,主要由基座、精密主轴、圆光栅传感器、控制系统、软件系统等部分组成。精密主轴采用密珠轴系实现高精度回转,保证了被测齿轮的高精度定位与回转。在精密主轴周向布置两个高精度线激光传感器,并根据被测齿轮参数调整其位姿状态;圆光栅实时获取精密主轴的回转角度,并触发采集器实时采集并记录被测齿轮左右齿面的几何信息。开发了齿轮线激光三维测量与评价软件,可实现齿轮齿廓偏差、齿距偏差、拓扑偏差等项目的测量与评定,能够满足5级精度齿轮的检测要求。

S型皮托管对向和非对向测量方法准确度实验研究

S型皮托管的对向和非对向测量方法准确度在不同工况下有较大差异。通过风洞实流实验对风速、流速攻角和结构参数对S型皮托管对向和非对向测量方法准确度的影响进行了研究。结果表明:风速由5 m/s变化至30 m/s时,在不同流速攻角下S型皮托管对向和非对向测量准确度最大差异超过10%;对向和非对向测量中静压孔的压力变化是皮托管在较大流速攻角下造成测量误差的主因;外径较小、总静压孔距较大、测量端弯曲角度在15°至30°间、取压孔内径更小的S型皮托管在对向和非对向测量中都有更高的测量准确度;俯仰角取正值时对向测量准确度全面优于非对向测量,在俯仰角和偏航角同为45°时测量准确度差异达到最大值,大于70%。

基于线激光的压缩机曲轴圆度和平面度测量

目前人工使用千分表测量空调压缩机曲轴圆度和平面度时存在易伤工件表面、效率低和不能精确评定等问题。针对上述问题,设计了一套基于线激光位移传感器的空调压缩机曲轴圆度和平面度非接触式测量系统。首先,通过测量标准量棒,提出一种系统误差的标定方法;其次,基于线激光采样数据,开发了一种曲轴横截面圆度测点的提取算法,并将系统误差用于测点补偿,实现曲轴圆度测量;接着根据曲轴平面测点间的斜率分离出轮廓线,通过均匀下采样方法获取精简点云数据并采用最小二乘法实现曲轴平面度测量;最后,基于上述方法开展了曲轴圆度和平面度的测量实验。实验结果表明:该测量系统的圆度测量精度<4μm,平面度测量精度<2μm,圆度重复度测量误差<0.8μm,平面度重复度测量误差<0.3μm,满足曲轴圆度和平面度快速准确的测量需求。

水下地形测量方法探讨

目前,水下地形测量主要基于GPS进行,对海洋环境下的PPK和PPP解算精度和稳定性的验证工作较少。以江苏近海海域为研究区,通过在研究区域布设临时验潮站,开展不同验潮模式和无验潮模式情形下水下地形测量,对获得的数据对比分析,基于数据较差情况,分析不同模式下水下地形测量的适用性。结果表明:可为后期水下地形测量提供可行性技术支撑,在不同区域水下地形测量方法的选取上不但可以提高外业工作效率和数据可靠性,而且能大大节约生产成本和缩短项目作业工期。

长距离顶管自动测量控制技术研究

长距离顶管是顶管工程的前沿技术,为了确定顶管机的准确位置,按照传统人工测量方法则必须每一次都要从头到尾(即从始发井内)进行测量,但随着施工的不断进行,管道越来越长,进行测量的时间也会随之增加,人工测量无法满足施工的要求。采用传统的测量方法,只能在停止掘进的情况下进行,且占用时间多,在掘进的过程中机器处于“失明”状态。因此在机器掘进的过程中发生的任何偏差,只能待顶进一段距离后暂停顶进,再进行人工测量,并确定机器的位置后才能进行纠正,不能采取及时的纠正措施。在直线顶管,尤其是长距离顶管施工中,在机头出洞时,其中要求每顶进30cm,测量频率不少于1次,在正常顶进过程中,每顶进1m,测量频率不少于1次,人工测量速度难以满足到要求。在高频率测量过程中,管道内环境与井内环境相差较大,机头环境与管道内环境差异较大,使得人为错误发生概率较高,偶然误差较大。为了解决顶管施工测量中存在的问题,减少测量时间,提高测量效率,减少测量误差,必须采用自动测量的技术。

次/超同步间谐波影响下PMU基波频率测量误差机理分析及抑制

高比例新能源和高比例电力电子设备在电网中产生了大量的次/超同步间谐波,导致同步相量测量装置(PMU)的基波频率测量出现较大偏差,影响各类频率相关应用的效果。因此,文中提出了一种次/超同步间谐波影响下基波频率测量误差机理分析及其抑制方法。首先,建立了频率测量算法的频域特性模型,基于此推导了单个间谐波和对称次/超同步间谐波影响下的基波频率振荡数学模型,揭示了间谐波干扰下的基波频率测量误差机理。其次,根据频率的振荡行为,建立了多分量叠加的拟合模型,提出了基于傅里叶变换和最小二乘法的短时窗频率振荡分量抑制方法,大幅降低了基波频率偏差。最后,仿真和现场录波数据测试表明,所提方法极大降低了频率测量误差。

市政路桥工程测量技术要点与控制方法研究

市政路桥工程的测量技术在工程设计和施工过程中起着至关重要的作用。本研究着重关注市政路桥工程测量技术的要点和控制方法,以确保工程的准确性、安全性和可持续性。研究涵盖了地形测量、建筑结构测量、道路测量以及材料量测量等关键要点,以及数据采集、实时监测、误差分析、数据质量验证等测量精度控制方法。此外,本研究还关注施工安全测量、环保考虑和灾害风险评估,以满足日益严格的环境法规和可持续发展要求。通过深入研究这些关键领域,可以为市政路桥工程的测量技术提供更好的指导和方法。

非同轴并行彩色共聚焦测量系统表面倾斜角度误差分析及校正

针对非同轴式并行彩色共聚焦测量系统在被测物表面倾斜时存在的测量误差,提出了一种误差补偿方法。该方法使用两块标准量块搭建的台阶作为被测物进行实验,首先使样品横向运动,对采集的表面高度数据进行直线拟合获得倾斜表面的线性公式,再利用获得倾斜表面直线的斜率与倾斜角度之间的关系,得到表面倾斜角度,并通过三角函数关系计算出每个数据点的误差,最终通过补偿的方式消除因表面倾斜产生的数据误差。为了保证彩色相机能够捕获到反射回的光谱信号,不断调试被测物倾斜角度,设置被测物表面倾斜角度在[-4°,4°],在该范围内进行被测物表面在不同倾斜角度时的误差补偿实验,以倾斜角度为4°为例,补偿后的台阶高度测量平均值为101.92μm,相对误差为3.00%,系统的测量精度可达微米级。

一种新型无接触式长度测量装置的研究

本文研究了一种无接触式长度测量装置,主要包括线性移动单元、激光测距单元和光学定位单元。通过将相关单元组件配合,实现了对待测样品的无接触式测量,解决了接触式测量标准量尺在待测样品具有不规则外形或需测量特定区域的尺寸数值等状况下的测量精度较低的问题。该装置操作简单,且无需额外配置长光栅设备测量所需的封闭检测空间,提高了检测效率。

热电偶测量温度的误差分析

0引言在现有的测温系统中,最常用的温度测量方法是热电偶测温法。热电偶的结构虽然简单,但在使用中如没有实践经验或粗心大意仍然会出现各种问题。为了提高测量准确度,减少测量误差,延长热电偶使用寿命,要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能,而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。作者根据工作实践,并参阅有关资料对热电偶的测量误差进行分析探讨。

基于服装个性化智能定制的三维人体测量系统物-像结构算法的研究

目前,我国基于服装个性化智能量身定制的理念日趋完善。但是,在消费者目标尺寸自动获取方面仍然缺乏实用的设备和技术,成为了大多数企业个性化智能定制发展的一个瓶颈,其根本原因是缺少实用性强的个性化智能定制系统。人体动态测量与其他工业产品精密测量相比具有自身独有的特殊性和困难。在探讨了现有的光学类基于个性化智能定制系统的现状的前提下,针对目前存在的激光三维人体扫描测量系统普遍存在硬件设备庞大、结构复杂的问题,对文中提出的基于个性化智能定制系统进行了原理设计,建立了系统的物-像结构算法的数学模型。该算法采用了扫描单元旋转的测量方式,使系统能够在垂直方向上获得较大的测量范围,目的是使系统采用较小的硬件获取满意的三维人体空间坐标,有利于节省竖直空间、减小体积。该算法已成功应用于基于服装个性化智能定制系统。为了验证本算法的精度,设计了与法国力克系统的三维人台对比扫描实验,实验数据验证了本系统结构算法的精度、工程实用性和可靠性。

多项式拟合技术在天线增益测量中的应用研究

文中简述了多项式拟合的基本原理公式,提出利用多项式拟合技术确定天线增益频段特性和大型口径天线不同仰角增益的方法。在比较法增益测量中,标准喇叭的增益常为已知的离散校准值,利用高频、低频和两个中间频点的增益值拟合了标准喇叭增益的解析式,非拟合点的增益计算结果同已知的标准喇叭增益校准值吻合很好,证明了该方法的有效性。最后,简述了多项式拟合技术在S波段8.54 m气象雷达天线增益测量及大型射电望远镜天线不同仰角增益测量中的应用。

一种应用于大尺寸测量系统的坐标系自动标定方法

针对现有方法在标定过程中过于繁琐的问题,提出了一种应用于大尺寸测量系统的坐标系全自动标定方法。该方法通过固定两个在测量单元局部坐标系已知坐标的测量节点作为标记靶,测量单元之间相互测量彼此的标记靶获得标记靶上的测量点在不同坐标系下的坐标值,利用这些坐标值建立三维几何约束,从而自动标定不同坐标系之间的坐标转换关系。借助于精密激光定位系统平台进行实验验证,结果表明,所提方法可以实现测量单元局部坐标系之间的自动标定,降低了坐标系标定过程中的人工成本。在距离测量单元布站区域约2 m,大小为5 000 mm×5 000 mm×500 mm的测量空间中长度测量的精度在0.46 mm/m以内,测试点三维坐标测量的标准偏差在0.026 mm以内,可以满足绝大部分工业测量的需求。该方法极大的提高了系统的标定效率,有望为具有自动标定功能的大尺寸测量设备的产品化提供新的理论基础。

基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置

为满足时变几何量的瞬时动态测试需求,研制了一种基于激光干涉仪同步测量的动态校准装置。该装置采用直线运动导轨和运动发生器、长度标准器激光干涉仪,以基于GNSS驯服时钟的同步触发器实现同步测量并确保时间准确稳定,并使用动态校准软件实现控制一体化。经综合分析激光干涉仪的最大允许误差、直线运动导轨的直线度、环境因素、触发信号间时延及激光干涉仪测量时延等因素,该装置的长度示值的测量不确定度为Q[1.8μm,3×10^(-7)L](k=2)。与同型号激光干涉仪的比对实验和激光跟踪仪瞬时长度测试实验,证明了不确定度评定的合理性以及该装置在瞬时动态准确度测试中的可行性。

基于交变磁场的平面二维时栅位移传感机理及测量模型

针对传统的平面二维位移传感器在超精密光刻、大面积传感器制造中存在的技术瓶颈,提出一种基于空间交变磁场的平面二维位移测量方法。在定尺平面布置均匀等间距的正弦/余弦激励绕组,施加时间正交激励电流,构建空间二维交变磁场,建立空间二维位移和时间基准的映射关系。通过“维度判断+位移解耦”的组合测量模型实现平面二维位移测量,利用动尺维度判断感应绕组阵列输出信号经二值化后的组合逻辑来判断维度;利用动尺两维差动布置的位移感应绕组阵列拾取交变磁场,得到空间位移行波信号,通过比相实现二维位移解耦。通过电磁仿真,对平面二维时栅位移测量模型进行误差分析。研制样机并搭建了实验平台,实验结果表明,传感器在120 mm×120 mm的有效测量范围内,X方向测量误差最大不超过±9.4μm,Y方向测量误差最大不超过±9.7μm,两维度位移测量分辨力为0.15μm。利用毫米级尺寸的激励和感应绕组实现平面二维微米级测量精度,从原理上突破了传统平面二维位移传感器对超精密光刻的制约,降低了传感器加工难度,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

基于Z-5B型无人直升机的航空物探(磁/放)测量技术研究及应用

近年来,无人机航空物探已在我国铀资源、金属与非金属矿产资源勘查等多个领域得到了广泛应用,并发挥了重要作用。为提升航空物探自动化作业能力,降低安全风险,开展了基于Z-5B型无人直升机的航空物探(磁/放)测量技术研究工作,攻克了无人直升机航磁航放测量系统集成改装、沿地形起伏飞行作业、无人直升机航磁补偿和无人直升机航放系统校准等关键技术。在松辽盆地北部地区开展了面积性测量试验飞行工作,各项技术指标满足规范要求,试验结果表明:该系统在航速54 km·h^(-1),飞行高度100 m时具有较好的探测能力,可清晰查明地表放射性场分布和磁场特征,圈定异常范围,且具备缓起伏地形条件下仿地飞行的作业能力,可满足现阶段小面积测量作业任务需求,具备生产作业能力。

宽频段振动干扰不敏感的白光干涉测量

传统白光干涉测量方法对振动干扰非常敏感,振动干扰会引起扫描步长误差,进而降低白光干涉的测量精度。为抑制振动干扰的影响,提出一种三点反正弦的白光干涉测量算法。三点反正弦法将干涉图序列中每相邻三幅分为一组,利用扫描过程中干涉条纹连续移动的特点,从每组干涉图的有效条纹区域计算出相移偏差,进而得到每幅干涉图的实际扫描步长。基于计算的实际扫描步长,构建了非等步长的调制度与相位最小二乘计算方法,并重构表面高度。由于计算步长仅利用三幅干涉图,三点反正弦法频段响应宽,能够探测快变、大幅的扫描步长误差。仿真和实验证实,在振动干扰下三点反正弦法能获得高达0.5%的测量准确性(台阶高度为10μm),并适合多种类构型表面形貌的测量。理论分析和实验表明,三点反正弦法能够抑制多种形式扫描步长误差的影响,适用于宽频段振动干扰下的白光干涉测量。

面向激光跟踪测量的大范围高精度姿态测量

针对我国高端制造业对高精度空间六自由度测量系统的迫切需求,提出一种面向激光跟踪测量的基于单目视觉的大范围全自动高精度姿态测量方法。阐述了面向激光跟踪测量的姿态测量系统构成、合作靶标硬件设计,并建立了姿态测量数学模型;其次,分析了自适应清晰成像的姿态测量模块特性,基于光学畸变模型与张正友标定法建立了实时相机成像模型,动态校正特征点像素坐标模型,提升了特征点的提取精度;之后,结合合作靶标几何特性、EPnP算法、Soft-POSIT算法提出一种改进的姿态测量方法,建立了姿态测量系统的自动监测纠错机制,实现测量范围内任意动态位姿的自动测量。最后,利用二维精密转台搭载合作靶标对激光跟踪测量的姿态测量系统进行精度测试。实验结果表明:在3~10 m,方位角/俯仰角为±30°、滚动角为±180°内,适配有14个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.049°;适配有10个特征点的合作靶标,姿态测量精度优于0.065°。此方法普适性强,对合作靶标特征点布局约束较小,可以满足高端制造业激光跟踪测量的精密测量需求。

基于低空视觉的直升机旋翼轴心轨迹测量法

为满足直升机飞行状态旋翼轴心轨迹测量需求,提出了一种基于低空双目视觉的轴心轨迹测量方法。首先,针对高速旋转体的小量测量,基于立体视觉测量原理设计构建了以无人机为低空移动平台的旋翼轴心轨迹视觉测量系统。其次,针对动-动测量环境条件,提出了地面标定与空中动态实时标定联合的测量系统标定方法。然后,基于空间几何关系,论述了旋翼轴心静态估计与动态轨迹测量方法;最后,进行了测量系统地面精度验证试验与直升机地面开车状态的旋翼轴心轨迹测量试验。试验结果表明,该方法准确可靠,点间距离精度优于1‰,可实现轴心轨迹的非接触精确测量,还可推广应用于其他动态小量测量任务。