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1、第九章 激光在精密测量中的应用,一、 干涉测长的基本原理,1. 激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,如图,用干涉条纹来反映被测量的信息。两束光的光程差可以表示为,2.被测长度与干涉条纹变化的次数和干涉仪所用光源波长之间的关系是,3.从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析,9.1激光干涉测长,二、 激光干涉测长系统的组成,1. 除了迈克尔逊干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源，可移动平台，光电显微镜，光电计数器和显示记录装置。,2.迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。,3.干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、
2、分振幅法和分偏振法。,分振幅平行平板分光器和立方棱镜分光器,偏振分光器(由晶轴正交的偏光棱镜组成如沃拉斯顿棱镜)。,4.干涉仪中常用的反射器件:平面反射器、角锥棱镜反射器、直角棱镜反射器、猫眼反射器.,5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局。,6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。,机械法移相原理图,7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差 /2的干涉条纹的光强信号，该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差/2的脉冲信号。,判向计数原理框图,三、 激光外差干涉测长技术,1.外差干涉仪
3、：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。利用该技术的干涉仪就为外差干涉仪,或交流干涉仪.,2.产生干涉仪载波信号的方法有两种即:,3.双频激光干涉仪的光路如图，其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2,光外差干涉,准外差干涉,4.测量反射镜运动产生的多普勒频移为,5.测量镜的位移量的计算,四、 激光干涉测长应用举例,1.激光测角的原理与小角度干涉仪类似,都是采用三角测量原理。被测的转角为：,双频激光干涉仪测量空气折射率,1:偏振分光棱镜；2: 分
4、光器；3: 波片；4: 真空室；5: 抽气口；6:角锥棱镜；7: 检偏器；8: 光电接收器；9: 补偿环,2.激光测折射率也利用双频激光干涉技术,一、激光衍射测量原理,1.光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射,2.单缝衍射测量,单缝衍射测量的原理：激光单缝衍射测量的基本原理是单缝夫琅和费衍射，原理如图。条纹的光强可表示为：,衍射测量原理图,单缝衍射测量的基本公式:,9.2激光衍射测长,单缝衍射测量的分辨力、精度和量程:,当被测物体尺寸改变时，相当于狭缝尺寸改 变，衍射条纹的位置也随之改变,可得,3. 圆孔衍射测量,如图为
5、圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为,圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图,中心亮斑直径为,二、激光衍射测量的方法,1. 间隙测量法,其基于单缝衍射的原理。,间隙测量法的应用,用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b-b,可采用绝对法,求出变化前后的两个缝宽b和b，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为,2. 反射衍射测量法,反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。,反射衍射法原理图,在P点处出现第k级暗条纹的光程差应满足 ： 在该图的几何关系下缝宽可以表示为,3. 分离间隙法,利用参考物与被测物不在同一平面内情况下所形成的衍射条纹进行精密测量的方法称
6、为分离间隙法。测量原理如图。,图6-13 分离间隙法原理图,测量出正负不同级次k1和k2上的暗条纹的位置 和 即可由下式计算出狭缝宽度和间隔,4. 互补测量法,激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅定理。,巴比涅互补衍射屏,5. 爱里斑测量法,基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量法。通常用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确定被测孔的直径。,下图是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。,喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图,三、 激光衍射测量的应用,1. 薄膜材料表面涂层厚度测量,薄膜材料表面涂层厚度测量是使用分离间隙法，原理如图。,薄膜材料表面涂层厚度测量,2. 薄带宽度测量
7、,钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带(一般宽度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互补测量法进行测量。在测量时要求薄带相对激光束的光轴有准确的定位，否则将引起测量误差。下图是薄带宽度测量原理图。,薄带宽度测量原理图,一、 激光脉冲测距,1.激光脉冲测距原理,原理:通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返回的激光脉冲控制计时器关门，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时间完成测距的。其计算公式为：,2.激光脉冲测距仪的结构,测距仪的简化结构如图。,激光脉冲测距仪的简化结构,3. 测距仪对光脉冲的要求,光脉冲应具有足够的强度。,光脉冲的方向性要好。,光脉冲的单色性要好。,9.3 激光测距,光脉
8、冲的宽度要窄。,4. 激光巨脉冲的产生,脉冲计数原理方框图,5. 距离显示,脉冲测距中脉冲在测程上往返时间极短，所以通常是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时。上图就是这种设备的方框图。,二、 激光相位测距,1. 激光相位测距原理,原理:通过测定连续的调制激光在待测距离d上往返的相位差来间接测量传播时间。,激光测距仪原理方框图,光波每传播波长的一段距离，位相就变化2。所以距离d、光波往返位相差和光波波长之间的关系为：,当距离d大于测尺长Ls时，仅用一把光波测尺是无法测定距离的。但是，当d小于Ls时，,2. 分散的直接测尺频率和集中的间接测尺频率,一定的测尺长度Ls，相应于一定的测尺频率s，
9、它们之间的关系是:,分散的直接测尺频率方式选定的测尺频率s是直接和测尺长度Ls是相对应的。例如选用两把测尺Lsb10m、Lsl1000m，则相应选用的测尺频率为,集中的间接测尺频率方式是采用一组数值接近的调制频率，间接获得各个测尺的一种方法。假定我们用两个频率为s1和s2的光波分别测量同一距离d，则有：,令：,误差1m,误差1cm,则有：,式中Ls可以认定一个新的测尺长度， 其相应的测尺频率为:,式中的正是用s1和s2的差额s s1 s2的光波测量距离d时所得到的位相尾数，由上式知正好等于用频率为s1和s2的光波测量d时得到的位相尾数之差1 2。,3. 相位差的测量,差频测相原理如图中的电路部
10、分。设主振信号为,该信号发射到外光路经过一定距离的传播后相位变化了 ，该信号被光电接收放大后变为,设本振信号为,输送到参考混频器与 和 混频，在混频器的输出端分别得到差频参考信号和测距信号分别为：,经过差频后的低频信号输入相位差计进行比较就可以检测出相位差。,一、激光准直仪,1. 激光准直仪的原理和结构,激光束横截面上的光强分布是“高斯分布”，光束的能量大部分集中在有效半径为 的截面内。由于中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构成一条理想的准直基准线。,TEM00光束远场发散角2 的公式为：,为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准，因此准直仪的基本组成有如下几个部
11、分。,激光准直仪的基本组成方框图,9.4 激光准直及多自由度的测量,2. 发射光学系统,激光准直仪的发射光学系统是一个倒置的望远镜，如图。,如果 ， 分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为 ，则有,激光准直仪光学系统结构示意图,根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知,一个直径为D的圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的一半)为,由于衍射效应,出射光束发散角还与物镜孔径有关.,3. 光电目标靶,激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光电探测器，如图。,四象限光电探测器原理图,下图是激光准直仪测量机床导轨不直度的示意图。,4. 激光准直测量的应用举例：不直度
12、的测量,机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图,二、激光衍射准直仪,1.利用激光的单色性，让激光束通过一定图案的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激光衍射准直仪。,激光衍射准直仪的原理结构图,2.波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片,三、激光多自由度测量,1.四自由度测量系统,中心孔式；分光式；反射式,四自由度测量系统的典型结构,2. 五自由度和六自由度测量系统,五自由度和六自由度的测量，,美国密西根大学研究了一种光学测量系统，可同时测量机床五维几何误差。,五自由度测量原理示意图,日本Nihon大学和Sophia大学研究了一种用于同时测量机床工作台六
13、自由度误差的光学测量系统。,同时测量机床六自由度偏差的原理图,.5 激光多普勒测速,1. 运动微粒上接收到的光源入射光的频率,2. 静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率,如图，静止光源O发出一束频率为的单色光，该单色光入射到与被测流体一起运动(速度为 )的微粒Q上，微粒Q接收到的光的频率是,一、运动微粒散射光的频率,S处接收到的散射光的频率应为,S处接收到的微粒Q散射光 的频率,二、差频法测速,1.参考光束型多普勒测速,如图为参考光束型测速方法的光路原理图。,设 和 分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值 则,合成光强I应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成,光电倍增管实际感受到的合成光强
14、可表示为,光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为,多普勒频移为,若入射光在真空中的波长为i，则有,2. 双散射光束型多普勒测速,双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。,双散射光束型多普勒测速光学系统,1. 血液流速的测量,三、 激光多普勒测速技术的应用,下图是激光多普勒显微镜光路图,用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图,如图是光纤多普勒测速仪原理图,2. 管道内水流的测量,下图是测量圆管或矩形管内水流速度分布的多普勒测量系统原理图，采用的是最典型的双散射型测量光路。,测量管道内水流速度分布的
15、激光多普勒测速系统原理图,.6 环形激光测量角度和角加速度,1. Sagnac效应和角速度测量,环形干涉仪的sagnac效应如图,干涉仪不动时，顺时针和反时针传播一周所需时间相同，即,环形干涉仪的Sagnac 效应,一、环形激光精密测角,当干涉仪转动时（转速 ），对于随着干涉仪转动的观察者来说，两束光（顺时针和反时针）传播的时间分别为,二者之差为,2. 环形激光器,激光共振腔的共振频率为,在环行腔的情况下传播一圈的光程为L，即,由于逆向传播的两束激光的光程不同，具有不同的振荡频率，应该满足,环形干涉仪激光器系统示意图,基于上述拍频公式，如果从t1时刻到t2时刻，环形激光器转过角，在这一段时间间隔内累计的拍频条纹数可以用转角来表示,3. 环形激光精密测角,二、光纤陀螺,1.光纤陀螺也是基于Sagnac效应。以长度为L的光纤绕成直径D为的由N个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：,光纤陀螺仪示意图,光程差则可以表示为,9.7 激光环境测量,