光电技术与机械测量拓展领域

光学测量是一门光电技术与机械测量结合的高科技技术。光学测量主要应用在现代工业检测以及工业界的产品开发、模具设计、手扳制作、原版雕刻、RP快速成型、电路检测等领域。并且为了使机加工的产品能达到设计精度和质量要求,非接触检测技术的应用也广泛应用在机械制造行业中,例如可以运用高性能计算机及软件技术、光学、光学成像技术使其达到预期效果。除此之外,光学测量在一些前沿科研领域如材料特性研究,海洋资源开发,航空航天领域,环境检测,流体力学领域也有比较广泛的应用。

材料特性研究

光学测量在材料特性研究中有着不容轻视的作用。超导材料因其独特的物理特性如零电阻效应、迈斯纳效应、约瑟夫森效应等在能源、交通和微电子等领域具有广泛的应用前景,然而在超导材料的大部分应用中,超导材料通常处在极低温、电、磁复杂环境,其热失配及自身所承载的电磁力往往导致超导材料发生变形。

超导材料模型

而已有的研究表明超导体的三个基本参数即临界温度,临界电流密度和临界磁场均与力学变形有关,而目前常用的材料内部损伤观测技术如 X 射线、CT 扫描等均难以在此极端环境下有效开展。因此,在极低温、电磁复杂环境下寻找新的超导材料内部损伤的观测方法即磁光技术将有望解决超导材料临界电流随应变退化这一困扰学术界多年的关键科学问题。

海洋资源开发

开发利用海洋资源的过程中,对波浪进行监测,获得第一手的波浪资料,在航海安全、海洋工程设计与施工、海洋与海岸水动力的基础研究、波浪 结构 地基耦合作用研究、海洋灾害监测预警以及国家海洋发展战略中具有举足轻重的地位。而光学波浪测量仪利用图像处理对波高进行测量,通过使用摄像机对波浪表面进行拍摄,得到波浪的运动画面,对图像进行处理得到波浪的波高、周期等特征要素。随着图像处理技术的不断进步,光学影像在测量波浪中应用很广泛,包括测量波高、测量波浪量、进行水陆交界识别等。

光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术, 主要用于对物体空间外形和结构进行扫描, 以得到物体的三维轮廓, 获得物体表面点的三维空间坐标。在航空航天领域,航空三维激光扫描系统中的激光雷达发射接收系统将激光沿待测目标一个特定方向进行扫描,接收系统接收反射或散射回来的光信号,再将其数字化并记录下来。因此系统的扫描角度,飞机位置和姿态角及其他参数都可以记录得到。若将三维激光扫描仪和航空摄像机装载在飞机上, 利用激光测距原理和航空摄影测量原理, 快速获取大面积地球表面三维数据的技术。通过基于全球定位系统(GPS) 和惯性测量装置 (IMU) 的机载定位定向系统(POS) 联接,就构成当今世界上摄影测量与遥感领域最先进的 LIDAR 对地观测系统。

经过处理的航空三维激光扫描系统的三维扫描图

“海水中多种有机污染物的现场光学分析技术”是光学测量在污染物检测方面的应用的一个体现。基本原理是根据海水中不同的有机污染物用特定波长的光来激发后 ,发出某一特定频段的荧光来判定污染物的种类 ,并根据所发现的荧光的强度来测量污染物的浓度。该技术最大特点就是能够实现多种有机污染物的现场、实时、连续测量 ,改传统的实验室测量为现场测量 ,使测量更加快速、直接 ;改单一测量为综合测量 ,可以同时测量多种污染物 ,功能更加齐全 ,使用范围更加广泛。该项技术一旦研制成功并投入使用 ,将在很大程度上解决我国目前只能依靠实验室方法分析海水中污染物的测试手段单一、设备老化的现状 ,节约人力、物力资源

流体力学研究

PIV 粒子成像测速仪是用于流体力学研究的精密测量仪器 ,可广泛应用于水利流体机械的研究。其基本原理为测量流场中示踪粒子在一定时间间隔内的位移,从而获得流场速度的定量信息。PIV 系统主要由 5 部分构成 :光源 、摄像头 、同步控制系统 、图像采集和矢量计算 。整个系统的时序控制由同步器实现,同步器依次触发激光器在确定的时间发出激光脉冲 ,脉冲光束经过光臂传输到测量位置 ,由一组透镜展开成光片照亮流场中分布的粒子 。在激光照亮流场的同时 , 摄像头进入工作状态 ,使得被照亮的流场成像 。CCD 得到的图像经由接口板传输到计算机的系统内存 。得到的图像在计算机中可以存储 ,也可以直接进行速度矢量计算 。计算得到的速度矢量分布在软件中进行显示处理 。随着计算机技术和图像处理技术的发展以及计算机及其接口技术的进一步发展 ,PIV技术不仅能测试流场的瞬时流动特性,还可以完成与时间相关的流动特性(如时均速度 、湍流度 、 雷诺应力等)的测试.这样,PIV技术可以集流场的时间和空间的相关统计量分析为一体,这对现代流体力学研究的发展将产生深远影响。

二维粒子图像测速仪

三维PIV系统

而这两个系统的区别是二维粒子图像测速仪只需一个跨帧CCD相机,三维PIV系统需要两个跨帧CCD相机。

时间分辨PIV系统

相较于前两个系统,时间分辨PIV系统的不同部件则是高重频Nd∶YLF或Nd:YAG激光器以及高帧频CMOS相机。

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