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2025年 46卷 9期
刊出日期：2025-09-28
几何量计量
 
       几何量计量
1241 温度传感器阵列对野外测距精度影响的定量研究
宋淑妤 缪东晶 蔡晋辉 王德利 刘晓东 唐小聪 李建双
温度是影响野外激光测距精度的关键参数。为了准确定量评估温度参数对测距的影响，给野外精密测距提供准确的测量不确定度分析依据。依托架设于野外基线场沿线的传感器网络，将全线60个传感器的平均温度作为参考值，采用传感器均匀增量加密温度补偿法，将传感器的数量从1个逐步增加到33个的平均温度代表全线温度对温度数据进行分析。结果表明：随着传感器数量的逐步增加，测距误差的均值减少了98.2%，标准偏差降低了93.7%。同时，温度测量不确定度从0.89℃减少到0.05℃，减少了94.4%；测距测量不确定度从1091μm减少到64μm，减少了94.2%。在选择温度相对稳定的时段进行作业的基础上，适当提高传感器的采集密度，可以为野外测距提高温度数据的准确性和稳定性，从而降低测距误差。此外，这种方法还为经济布设温度传感器提供了重要的数据支撑。
2025 Vol. 46 (9): 1241-1249 [摘要] ( SSI ļʱ
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1250 基于BP神经网络的数据分布类型判别方法
黄强先 赵志浩 王徐康 李红莉 姚寒兵 张连生 程荣俊
在不确定度评定时，准确判断数据的分布类型至关重要，因此提出了一种利用BP神经网络训练模型来判别数据分布类型的方法，并将其应用于平面水平度测量不确定度评定的过程中。为了从多个维度全面分析数据的分布特征，所提方法将原始数据转化为7个特征指标，再引入反向传播（BP）神经网络自动学习和提取这些指标之间的复杂非线性关系。通过训练，获得了一个能够准确判别数据分布类型的网络模型，经参数配置优化，该模型展现出优越性能，不仅训练速度快，而且判别准确率高达99.52%。与传统方法相比，该模型在各类分布判别中均表现优异。最后，通过对三路电容传感器测量平面水平度的测量评定实例，通过该模型判别并评定得到了该平面倾角的最佳估计值为7.041''，标准差为0.055''，比传统方法判别并评定的结果具有更小的标准差和更小的置信区间，进一步验证了该模型在蒙特卡洛测量不确定度评定过程中的实用性。
2025 Vol. 46 (9): 1250-1255 [摘要] ( SSI ļʱ
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1256 显微标尺桌面型多参数测量系统研究
高宏堂 朱彦龙 程银宝 孙双花 沈雪萍 张旭东 薛靓 汤江文
为适应显微标尺多样化的检测需求，降低检测成本，设计了具备多种瞄准功能的光电显微镜，搭建显微标尺桌面型测量系统。为提高测量精度，基于低成本的线性滚珠导轨，研究实现干涉比长的平滑运动方法，研究小行程干涉比长余弦误差的减小方法，提出光电信号和光电图像融合的测量方法，研究显微图像的处理方法，通过计量比对分析了系统测量精度，光电信号测量方法测量1 mm显微标尺刻线间距的测量结果与参考值的最大差异为44 nm，标准不确定度为69 nm，归一化偏差绝对值小于1，利用光电图像测量方法测量线宽和线间距，测量结果与参考值具有一致性，完成了光电信号测量方法无法完成的测量，具备二维测量特性，研究结果表明，显微标尺桌面型测量系统以较低的成本发挥了两种方法的优势。
2025 Vol. 46 (9): 1256-1264 [摘要] ( SSI ļʱ
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1265 一种可直接溯源的台阶仪校准方法研究
赵华庆 李加福 罗明哲 杜华 胡佳成
现有台阶仪校准方法为先用微纳米台阶高度标准样板测量示值误差，再用计量型扫描探针显微镜校准微纳米台阶高度标准样板。这一溯源链有标准样板和扫描探针显微镜两个环节，校准过程较为复杂。针对这一问题，研究了一种可直接溯源的台阶仪校准方法。校准平台通过压电陶瓷产生位移，带动台阶仪探针的运动，并通过内嵌激光干涉仪的方法实时测量位移量，达到将台阶仪探针位移直接溯源到激光波长的目的，解决现有校准方法复杂的问题。通过校准实验，可以得到台阶仪的重复性为1.48nm，示值误差为2.78nm，线性度为0.067%，验证了该校准平台的准确性，并对校准平台的不确定度进行了分析，其标准不确定度为0.94nm。
2025 Vol. 46 (9): 1265-1271 [摘要] ( SSI ļʱ
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1272 齿轮样板负载特征对回转系统角位置误差的影响研究
邹典 黄垚 林虎 朱维斌 王姗姗 汤莉 齐玉祥
齿轮样板作为负载，可通过影响齿轮测量中心回转系统的角位置误差源而引入角位置误差，从而导致样板测量误差。基于齿轮样板基本特征的分析，提取负载质量、质心位置和转动惯量描述一般齿轮样板负载特征，系统化设计工装与实验模拟齿轮样板在回转系统上的加载状态，并完成回转系统带载角位置误差采集实验；借助快速傅里叶变换进行数据分析，验证了该实验良好的时域和频域重复性；分析对角位置误差影响显著的傅里叶阶次并拟合误差曲线，得到质心位置和负载质量单一特征变化引起的显著阶次拟合误差峰峰值变化在0.1″量级，并显示出一定的规律性。
2025 Vol. 46 (9): 1272-1278 [摘要] ( SSI ļʱ
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1279 光学非球面面形检测与误差建模补偿
王广谱 黄强先 刘慧洁 程荣俊 张祖杨 李红莉 张连生
为了准确测量光学非球面透镜的面形，建立了基于三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine, CMM）的接触式非球面透镜面形检测系统。同时，针对接触式非球面透镜面形检测，对光轴方向与顶点确定、测球误差的模型建立与补偿等进行研究。采用微纳米三坐标测量机搭配三维谐振测头实现对非球面透镜的面形检测,为解决检测过程中光轴方向与顶点位置难以准确确定的问题，采用Levenberg-Marquardt (LM)算法对光轴方向与顶点位置进行校正；其次，针对接触式检测中的测球球径的影响问题，建立误差修正模型以补偿检测过程中的测球误差。并通过实际检测公称面形误差RMS为250 nm的非球面透镜面形来验证所提方法的有效性。实验结果表明，经过光轴方向与顶点校正并补偿测球误差后，非球面透镜面形误差三次重复测量的结果分别为186 nm、184 nm、178 nm，重复性和一致性较好。所提方法克服了传统接触式测量方法中光轴方向与顶点难以确定和测球误差影响的问题，有效提高了非球面透镜面形测量的精度。
2025 Vol. 46 (9): 1279-1285 [摘要] ( SSI ļʱ
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1286 基于光杠杆法的高灵敏度汽车电池气密性在线检测系统
王勇俊 方皖 程真英 沈益 李瑞君
针对现有汽车电池气密性检测精度低、效率低且成本高的问题，研制基于光杠杆法的高灵敏度、低成本汽车电池气密性在线检测系统。为满足检测需求，探索电池内部压强大小、焊缝处漏气口的方向、检测高度等参数与焊缝处压强分布的关系。设计并优化弹性机构参数，建立检测系统的灵敏度模型，并设计光学检测系统。通过纳米定位台和带有直径75 μm漏气孔的电池，对系统的性能进行测试。实验结果表明，该系统的分辨力为1 μm，当电池内部压强分别为2、3、4个大气压时，漏气口引起弹性机构的变化分别为5.3 ± 0.8 μm、18.5 ± 1.2 μm、37.8 ± 1.3 μm，检测时间为10 s。该测量系统具有高灵敏度、低成本且检测效率高的特点，可用于汽车电池气密性的在线检测，有利于推动新能源汽车汽车产业的发展。
2025 Vol. 46 (9): 1286-1293 [摘要] ( SSI ļʱ
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1294 一维纳米栅格（100nm、200nm）国家计量比对中传递标准测量方法研究
王芳 施玉书 皮磊 张树
在国家市场监督管理总局的组织下，中国计量科学研究院作为主导实验室开展了一维栅格的国家计量比对，参加实验室包含省市计量机构、高校等共计8家单位，传递标准为2块100 nm和200 nm一维纳米栅格标准器。为了提升国内纳米栅格计量能力以及测量量值与测量结果的准确一致程度，基于此次栅格计量比对，采用中国计量科学研究院的毫米级纳米几何结构样板校准装置，开展了纳米栅格测量方法研究，包括图像获取、图像处理与不确定度评定，以期有效地减少测量过程中引入的人为误差。
2025 Vol. 46 (9): 1294-1299 [摘要] ( SSI ļʱ
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1300 一种正弦表面粗糙度样板的模型化测量与表征方法
梁志国 甘晓川 梁家奕l
针对正弦表面粗糙度样板的参数标定，提出了一种模型化测量方法，以多周期总体最小二乘拟合方法给出总体幅度、周期、失真度等总体性指标参量，并进行偏差失真的规律总结分析，以及偏差失真的峰值定位；以单周波正弦最小二乘拟合方法给出局部幅度、周期、失真度等局部指标参量，并以滑动模型方式给出局部指标参量的变化情况，用于均匀度分析和统计特性分析。在正弦表面粗糙度样板上的一组真实实验结果，验证了本文所述方法的正确性和可行性，可用于正弦表面粗糙度样板的参量定标和质量改进评价。
2025 Vol. 46 (9): 1300-1306 [摘要] ( SSI ļʱ
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1307 基于参数优选的光缆弧垂高精度预测方法研究
蒋陵 王驭扬 张灿 管翰林 魏鹏超 焦良葆 温秀兰
针对电力通信光缆线路在复杂环境下难以实现弧垂实时精确测量的问题，提出了一种基于参数优选的光缆弧垂预测方法。首先，采用倾角-弧垂计算模型拟合光缆弧垂曲线。其次，使用麻雀搜索算法优化的BP神经网络对弧垂误差进行估计以实现非线性修正。最后，结合理论值和修正值，实现电力通信光缆弧垂的精确测量。同时，为提升BP神经网络的性能，利用Choquet积分评估环境参数和光缆参数对弧垂的影响，筛选出重要的特征参数作为BP神经网络的输入。实验结果表明，本文提出的方法预测的光缆弧垂误差在3%以内，有效提高了预测精度，能够在实际工程测量中推广应用。
2025 Vol. 46 (9): 1307-1314 [摘要] ( SSI ļʱ
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1315 基于读数头优化布局的圆光栅测角误差辨识方法
何韬 夏仰球 李强 杜坤 余泓宇
高精度转台的测角精度极大程度上依赖于圆光栅的系统精度，而圆光栅系统精度进一步依赖于系统的误差辨识及补偿。为进一步提高转台的测角精度，本文基于多读数头优化布局对圆光栅测角误差辨识技术进行了研究。首先对圆光栅测角误差进行了分析，建立了圆光栅测角误差数学表达模型；其次分析了基于等分平均法及傅里叶法的圆光栅测角误差自校准辨识方法，构建了基于傅里叶法的多读数头误差辨识模型，提出了基于双读数头及三读数头优化布局的自校准方案；最后进行了圆光栅误差辨识实验，搭建了多组读数头布局的实验平台进行了误差读数头自校准实验。实验结果表明双读数头傅里叶法和三读数头傅里叶法误差标定结果均为-2.7″~0.5″，误差差值范围为0″~0.015″，其中主要包含六阶傅里叶分量，三读数头傅里叶法能够辨识除40n阶以外的误差分量，误差辨识效果优于六读数头均布傅里叶法。实验结果验证了本文提出的读数头优化布局的有效性。
2025 Vol. 46 (9): 1315-1323 [摘要] ( SSI ļʱ
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1324 高能光源吸收器轮廓度误差评定方法研究
韩圆颖 董岚 王铜 卢尚 闫路平 张露彦 刘晓阳 闫皓月 门玲鸰 王小龙 李波 梁静 马娜 何振强 柯志勇
本文对高能同步辐射光源储存环光子吸收器的轮廓度误差评定方法进行了研究，选取一种合适的数据配准方法来实现轮廓度误差的高精度求解。利用采样点归一化方法和模型匹配方法对56个光子吸收器在三坐标测量机下的实测数据进行处理，实现设计基准与测量基准的统一，消除位置误差，得到轮廓度误差值，并对两种方法的可靠性进行了分析。结果表明模型匹配方法的轮廓度误差评定精度明显优于采样点归一化方法，且吸收器加工精度越差，两种方法下的轮廓度值差距越大；当吸收器加工精度较高时，即实测和理论点集间拟合偏差在0.1 mm之内，两种方法下的轮廓度值差值在0.02 mm之内。
2025 Vol. 46 (9): 1324-1330 [摘要] ( SSI ļʱ
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1331 一种环形锻件外形尺寸激光测量点云简化算法研究
张玉存 齐鹏博 付献斌
环锻件的外部尺寸对保证其加工质量起着至关重要的作用。但三维激光扫描仪生成的环锻件点云模型数据量大，点云网格质量较低，可能导致环锻件在加工过程中出现形状和尺寸误差。为解决这一问题，本研究提出了一种基于 Calabi 流参数化和改进 QEM（二次误差度量）的网格简化算法，首先，通过分段线性度量上的Calabi流将三角网格转化为平面域，运用近似牛顿法迭代Calabi能量函数的Hessian矩阵，得到平面的目标度量，并根据目标度量获得每个顶点的参数化坐标；其次，通过得到的参数化坐标扩展顶点维度，计算得到参数化坐标优化的二次误差度量函数；最后，将优化后的二次误差度量函数与网格质量因子相结合，计算新的误差度量函数，利用新的误差度量函数进行点云简化操作。通过实验验证，所提算法能够有效保留高曲率区域的细节特征，且简化后的点云模型能够保持良好的边界特征，尺寸误差很小，能够满足工业制造的精度要求。
2025 Vol. 46 (9): 1331-1336 [摘要] ( SSI ļʱ
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1337 基于自适应切层的非封闭结构光三维体积测量
廖司鼎 黄和平 代作晓 张世圆 吴红艳 陈辉
使用常规切片法进行三维点云体积测量时，点云投影至切平面的高度（切层厚度）固定会导致体积测量结果不准确。因此提出一种基于自适应切层厚度的非封闭三维体积测量方法。首先通过Ransac平面拟合将三维点云从相机坐标系转换为世界坐标系，确定切片位置后，通过迭代内边界法，搜索初始切层厚度下的切片点云内边界并计算其面积。随后引入面积比值作为自适应阈值条件，对切层厚度线性梯度增长，得到此处切片的最大切层厚度与最终内边界面积，实现切层厚度的自适应。最后累加各切片间台体体积得到非封闭三维点云总体积。采用2种类别的13组数据对比所提算法与基线算法的体积测量准确度，结果表明所提算法的测量准确度优于基线算法，相对误差最低为0.09%，最高为1.73%。
2025 Vol. 46 (9): 1337-1347 [摘要] ( SSI ļʱ
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1348 基于Harris特征与NDT-ICP算法的接触网腕臂建模
张志春 王志坤 陈祎琳 韦民洋
点云配准是三维建模工作中至关重要的一环，为提高接触网腕臂三维建模的效率与精度，本文提出了一种基于Harris特征与NDT-ICP匹配相结合的点云配准算法。传统的正态分布变换（Normal Distribution Transform, NDT）和迭代最近点（Iterative Closest Points, ICP）结合的配准算法对点云的初始位置要求严格且精度不足。针对这些问题，提出了一种在传统NDT-ICP配准前先提取接触网腕臂Harris特征点的新配准方法。通过利用Harris特征点的尺度不变性和旋转不变性来优化点云数据结构并提高配准速度。同时通过计算关键点间的距离信息，并基于位置相似性建立关键点对的对应关系，进一步提升配准精度。通过与传统NDT-ICP算法相比，新方法在配准精度提高了近99.98%，配准效率提高了近53.79%，证明了其可行性和有效性都优于传统方法。
2025 Vol. 46 (9): 1348-1355 [摘要] ( SSI ļʱ
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1356 光电挠度仪动态校准方法的研究
常玄 康瑶 李连福 李建双 占春连 缪东晶 尹琳
为实现对光电挠度仪的动态校准以确保动挠度测量的准确性，研究了一种基于显示器的非接触式动态校准方法。分析了通过显示器生成动态光斑替代传统使用LED作为光电挠度仪靶标并模拟动态位移的适用性，阐述了校准装置的结构组成、校准方法和原理，并在此基础上开展了实验，从动挠度测量的最大值、振动频率以及X方向与Y方向挠度之间的映射关系对测量结果进行分析。实验结果表明，在10 m位置处光电挠度仪测量的最大挠度与标准最大挠度的相对偏差最大不超过3%；在50 m位置处光电挠度仪测量的最大挠度与标准最大挠度的相对偏差最大不超过4%，经傅里叶变换分析，测得的最大幅度对应的频率与实际振动频率一致，使用该方法对使用该方法可准确方便地实现对光电挠度仪的动态校准。
2025 Vol. 46 (9): 1356-1363 [摘要] ( SSI ļʱ
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1364 高斯光束单模光纤耦合效率影响因素的定量分析
王艺轩 郭斌 刁晓飞 胡晓峰 罗哉
为了定量分析高斯光-单模光纤耦合效率的影响因素，本研究基于高斯光束和单模光纤的耦合原理设计了一套光纤耦合光学系统方案，通过理论推导得到了单模光纤耦合效率的数学表达式，利用ZEMAX光学设计软件对所设计的光学耦合系统方案进行了详细的仿真分析，定量评估了透镜焦距、光束与透镜间的夹角、以及光纤端面与透镜焦点间的相对位置偏差等关键参数对耦合效率的影响。通过实验验证了仿真数据的准确性，研究发现，在透镜理想焦距为11mm的条件下，在理想焦距的0.28至1.67倍变化范围内，光纤耦合效率能够保持在一个较优的水平。角度误差对耦合效率的影响极为显著，而轴向误差的容忍度则比径向误差大一个数量级，为高斯光束与单模光纤耦合效率的优化提供了理论依据和实验支持。
2025 Vol. 46 (9): 1364-1370 [摘要] ( SSI ļʱ
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1371 标准渐开线的单圆弧最佳拟合方法
王家平 石照耀 杨国梁 林虎
为了优化标准渐开线齿廓的拟合精度，提出并研究了一种基于最小二乘法的单圆弧最佳拟合方法。首先，基于标准渐开线二维方程，推导出以拟合圆正交距离和渐开线正交距离两种表征拟合偏差的计算公式，提出了两种最佳拟合判定准则：无约束平方和最小准则和波峰波谷近似相等平方和最小准则。最后，通过实验分析了3点快速拟合法、无约束平方和最小拟合法和波峰波谷近似相等平方和最小拟合法的拟合效果，并比较了各方法的拟合偏差。实验结果表明：3点快速拟合法的拟合偏差峰峰值为23.0μm，整体拟合精度较低；基于无约束平方和最小准则的拟合圆峰峰值为19.9μm，精度有所提高；基于波峰波谷近似相等平方和最小准则的拟合圆峰峰值最小，为18.3μm，且整体拟合偏差正负分布均衡。基于波峰波谷近似相等平方和最小准则的拟合法在拟合精度和拟合偏差分布均衡性方面表现最佳，适合高精度拟合应用场景，尤其在需要严格控制正负偏差一致性时具有显著优势。
2025 Vol. 46 (9): 1371-1376 [摘要] ( SSI ļʱ
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1377 基于改进DCGAN网络的钢材表面缺陷图像数据增强方法
时培明 申世春 叶蕾 许学方 阚俊明 韩东颖
针对传统深度卷积生成对抗网络（DCGAN）在生成钢材表面缺陷图像中存在质量差和网络训练不稳定等问题，提出了一种改进DCGAN钢材表面缺陷图像数据增强模型。首先，将残差模块和自注意力机制添加到DCGAN网络中，提高网络对缺陷图像的特征提取能力；其次，引入谱归一化和带梯度惩罚项的Wasserstein距离损失函数，提高网络训练的稳定性。最后，将所提模型在NEU-DET数据集上进行试验。试验结果表明，所提出的模型能够稳定的生成质量较高的钢材表面缺陷图像，相较于原始DCGAN网络，本文模型生成图像在AlexNet网络上识别准确率提高了6.8%，FID值降低了61.3%，IS值提高了20.8%，且质量优于GAN、DCGAN、CGAN和WGAN四种主流模型所生成的图像，能够作为一种有效的策略解决钢材表面缺陷图像小样本问题。
2025 Vol. 46 (9): 1377-1384 [摘要] ( SSI ļʱ
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1385 基于MOMP-YOLOv8的交通标志检测算法研究
王海瑞 贺存龙 朱贵富
目前交通标志检测对于智能驾驶系统具有重要的意义，针对交通标志的图像背景较复杂和小目标占比较大的问题，提出了一种基于MOMP-YOLOv8的交通标志检测改进算法。首先，在颈部网络引入混合局部通道注意力(Mixed local channel attention,MLCA)模块，其通过结合使用局部信息和全局信息以提高网络检测精度，增强特征提取网络的表达能力；其次，在主干网络使用全维动态卷积(Omni-Dimensional Dynamic Convolution,ODConv)，以提升模型的目标特征提取能力；然后提出一种多层次的自适应空间特征融合(Multilayer Adaptively Spatial Feature Fusion,MASFF)检测头，并在检测层增加一个160160的小目标检测头来提高对小目标的检测能力；最后通过对PIOU(Powerful Intersection over Union)的使用改进损失函数，进一步提升模型收敛速度与检测性能。通过在 CCTSDB 2021交通标志检测数据集进行实验验证，结果表明，改进算法相较于基线 YOLOv8n 算法检测精确率、召回率、mAP 值分别领先了 0.9%、1.8%和1.4%，总体检测性能优于其他主流目标检测算法。
2025 Vol. 46 (9): 1385-1394 [摘要] ( SSI ļʱ
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1395 基于人工智能的齿轮测量数据数字化提取技术
卢粲 张勇 杨国梁 林虎
数据的获取和应用是数字化转型的基础，深入探讨了从齿轮测量报告图像文件中提取测量数据的挑战。此类文件数据无法直接编辑和复制，只能人工识别和记录，效率低且易出错，难以满足数据可访问、可互操作和可重用的要求。为此基于人工智能技术，提出了GearOCR数据识别提取模型，通过前处理优化、数据集扩充优化、网络模型和校验规则的优化，成功将封闭式图像中的齿轮测量数据内容提取为机器可读取的数据。经过对50份数据报告进行测试，GearOCR模型总体识别准确率达到100%，显著提高了数据提取的效率和准确性，为后续大数据的机器交互和应用提供技术支撑。
2025 Vol. 46 (9): 1395-1402 [摘要] ( SSI ļʱ
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