第九章 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

1、第九章第九章光學(xué)檢測(cè)技術(shù) 引言引言光學(xué)方法的主要優(yōu)勢(shì)：光學(xué)方法的主要優(yōu)勢(shì)：u 非接觸性非接觸性u(píng) 高靈敏度高靈敏度u 高精密性高精密性u(píng) 光學(xué)圖像的二維計(jì)量性光學(xué)圖像的二維計(jì)量性主要內(nèi)容主要內(nèi)容u 衍射法衍射法u 掃描法掃描法u 全息法全息法u 散斑法散斑法u 莫爾法莫爾法u 激光測(cè)距激光測(cè)距 u 多普勒測(cè)速多普勒測(cè)速光傳感與光檢測(cè)技術(shù)9.1 激光衍射法激光衍射法特點(diǎn)：特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快速、精密、廉價(jià)、性能可靠。簡(jiǎn)單、快速、精密、廉價(jià)、性能可靠。9.1.1 激光衍射傳感的基本原理激光衍射傳感的基本原理衍射計(jì)量的基本原理：衍射計(jì)量的基本原理：檢測(cè)單縫的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射，即夫檢測(cè)單縫的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射，即夫朗和費(fèi)衍射

2、。朗和費(fèi)衍射。遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條件遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條件：檢測(cè)面上衍射光強(qiáng)分布檢測(cè)面上衍射光強(qiáng)分布：激光衍射傳感器檢測(cè)的激光衍射傳感器檢測(cè)的基本原理：基本原理：暗條紋位置：暗條紋位置：2RW220sinII sinWsinWnsinWnnWRnx引申：測(cè)量物體的尺寸變化引申：測(cè)量物體的尺寸變化最后縫寬和起始縫寬最后縫寬和起始縫寬x變動(dòng)后衍射條紋中心變動(dòng)后衍射條紋中心位置和起始衍射條紋位置和起始衍射條紋中心位置（中心位置（n不變）不變）激光衍射測(cè)量的基本思想：激光衍射測(cè)量的基本思想：把難于測(cè)量的微小尺寸把難于測(cè)量的微小尺寸W或或，通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射轉(zhuǎn)為，通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)衍射轉(zhuǎn)為大尺寸大尺寸xn的測(cè)量，即利用衍射條紋的精確測(cè)量達(dá)

3、到的測(cè)量，即利用衍射條紋的精確測(cè)量達(dá)到精密傳感。精密傳感。對(duì)衍射條紋的測(cè)量對(duì)衍射條紋的測(cè)量 記錄固定的衍射強(qiáng)度記錄固定的衍射強(qiáng)度 記錄衍射分布特征尺寸記錄衍射分布特征尺寸衍射分布極衍射分布極點(diǎn)之間的距離點(diǎn)之間的距離 9.1.2 激光衍射技術(shù)激光衍射技術(shù)（一）間隙計(jì)量法（一）間隙計(jì)量法應(yīng)變的感應(yīng)器應(yīng)變的感應(yīng)器尺寸比較測(cè)量尺寸比較測(cè)量工件形狀輪廓測(cè)量工件形狀輪廓測(cè)量衍射條紋間隔衍射條紋間隔 間隙間隙兩種計(jì)量方法兩種計(jì)量方法v（1）絕對(duì)法：測(cè)量位移前后）絕對(duì)法：測(cè)量位移前后n級(jí)條紋距中央零級(jí)條紋中心位級(jí)條紋距中央零級(jí)條紋中心位置置xn及及xn就可求出位移量就可求出位移量。v（2）計(jì)數(shù)法：測(cè)得條紋計(jì)數(shù)

4、值）計(jì)數(shù)法：測(cè)得條紋計(jì)數(shù)值N（n-n ），就可求出試件），就可求出試件的位移或應(yīng)變值的位移或應(yīng)變值。11sinnnWWnRxxnn兩個(gè)例子兩個(gè)例子（二）愛里圓斑法（二）愛里圓斑法第一暗環(huán)直徑第一暗環(huán)直徑作用：精確測(cè)定微小內(nèi)孔的尺作用：精確測(cè)定微小內(nèi)孔的尺寸寸基本原理：基于圓孔遠(yuǎn)場(chǎng)衍射基本原理：基于圓孔遠(yuǎn)場(chǎng)衍射1.22df a9.2 激光掃描法激光掃描法v一種動(dòng)態(tài)光傳感技術(shù)一種動(dòng)態(tài)光傳感技術(shù)v適宜對(duì)彈性體、柔性體、高溫物體作精密測(cè)量適宜對(duì)彈性體、柔性體、高溫物體作精密測(cè)量9.2.1 9.2.1 激光光點(diǎn)掃描技術(shù)激光光點(diǎn)掃描技術(shù) 利用激光束的掃描運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)定物體的尺寸。利用激光束的掃描運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)定物體

5、的尺寸。 特點(diǎn)特點(diǎn)：非接觸、動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)距離（：非接觸、動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)距離（1m）12Dt為保證測(cè)量精度，三點(diǎn)要求為保證測(cè)量精度，三點(diǎn)要求 （1 1）激光束垂直照射被測(cè)表面）激光束垂直照射被測(cè)表面 （2 2）光束對(duì)物面作勻速直線掃描運(yùn)動(dòng)）光束對(duì)物面作勻速直線掃描運(yùn)動(dòng) （3 3）精確測(cè)定掃描時(shí)間）精確測(cè)定掃描時(shí)間（a）轉(zhuǎn)鏡掃描）轉(zhuǎn)鏡掃描 光束在物面上的運(yùn)動(dòng)速光束在物面上的運(yùn)動(dòng)速度是非均勻的，而且光度是非均勻的，而且光束不垂直物面。因此這束不垂直物面。因此這種掃描方式不能滿足基種掃描方式不能滿足基本要求（本要求（1）和（）和（2）。）。tan2yR（b）反射鏡準(zhǔn)直掃描）反射鏡準(zhǔn)直掃描 為保證基本條件（為保證

6、基本條件（1）和（和（2）通常采用）通常采用f-透透鏡與轉(zhuǎn)鏡組合的反射鏡鏡與轉(zhuǎn)鏡組合的反射鏡準(zhǔn)直掃描裝置。準(zhǔn)直掃描裝置。f-物鏡物鏡是專用于光掃描系統(tǒng)的是專用于光掃描系統(tǒng)的物鏡，是一種負(fù)畸變物物鏡，是一種負(fù)畸變物鏡?？杀ＷC鏡?？杀ＷCy與與的線性的線性關(guān)系：關(guān)系：2yf光點(diǎn)掃描技術(shù)：光點(diǎn)掃描技術(shù)：采用時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)測(cè)定工件尺寸。工件采用時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)測(cè)定工件尺寸。工件邊緣衍射效應(yīng)，測(cè)量誤差大，精度在邊緣衍射效應(yīng)，測(cè)量誤差大，精度在0.01mm0.01mm左右；左右；位相掃描技術(shù)位相掃描技術(shù) 光調(diào)制掃描法光調(diào)制掃描法 外差掃描法：測(cè)量微小變形，適用于振動(dòng)條件下的高精外差掃描法：測(cè)量微小變形，適用于振動(dòng)

7、條件下的高精度測(cè)量，精度達(dá)度測(cè)量，精度達(dá)0.1m0.1m。9.2.2 9.2.2 位相調(diào)制掃描技術(shù)位相調(diào)制掃描技術(shù)一束細(xì)的激光束掃描有振動(dòng)的物體表面一束細(xì)的激光束掃描有振動(dòng)的物體表面反射光的位相對(duì)應(yīng)于物體表面的形狀反射光的位相對(duì)應(yīng)于物體表面的形狀設(shè)法組合參考光（掃描入射光）與反射的相位調(diào)制光設(shè)法組合參考光（掃描入射光）與反射的相位調(diào)制光 用外差技術(shù)檢測(cè)用外差技術(shù)檢測(cè) z ( x(t) )外差掃描法外差掃描法 應(yīng)用：應(yīng)用：表面的瑕疵弊病檢查、表面異物探測(cè)、形表面的瑕疵弊病檢查、表面異物探測(cè)、形狀規(guī)則度檢查；狀規(guī)則度檢查；1 1 反射光檢測(cè)法反射光檢測(cè)法9.2.3 9.2.3 表面特征抽取的掃描技

8、術(shù)表面特征抽取的掃描技術(shù)檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置 （a）飛點(diǎn)成像式：）飛點(diǎn)成像式：在在y方向上用線光束照明，方向上用線光束照明，反射光用旋轉(zhuǎn)多面體沿反射光用旋轉(zhuǎn)多面體沿y方向掃描接收。在被測(cè)方向掃描接收。在被測(cè)表面的像面上設(shè)置針孔表面的像面上設(shè)置針孔以檢測(cè)反射光的變化，以檢測(cè)反射光的變化，從而評(píng)定表面有否損傷從而評(píng)定表面有否損傷與劃痕。與劃痕。 （b）飛點(diǎn)掃描式：）飛點(diǎn)掃描式：直接直接用激光束掃描表面，掃用激光束掃描表面，掃面方向（面方向（y方向）與被檢方向）與被檢表面行進(jìn)方向垂直。反表面行進(jìn)方向垂直。反射光由列陣光電檢測(cè)器射光由列陣光電檢測(cè)器件檢測(cè)。件檢測(cè)。2 2 散射光檢測(cè)法散射光檢測(cè)法基本原理基

9、本原理：漫反射表面的光潔：漫反射表面的光潔度與散射光的散射角之間有一度與散射光的散射角之間有一固定關(guān)系。固定關(guān)系。方法方法：激光束垂直照射待測(cè)表：激光束垂直照射待測(cè)表面，檢測(cè)垂直的反射光強(qiáng)和某面，檢測(cè)垂直的反射光強(qiáng)和某一角度下色散射光強(qiáng)，兩個(gè)光一角度下色散射光強(qiáng)，兩個(gè)光強(qiáng)之比確定強(qiáng)之比確定表面光潔度表面光潔度?；?。基于邊界衍射波理論，衍射波的頻邊界衍射波理論，衍射波的頻譜分布反映的邊界圖形的特征，譜分布反映的邊界圖形的特征，可以判定可以判定表面瑕疵表面瑕疵情況。情況。9.3 全息法全息法 1948年，年，Gabor提出的，提出的，1960年激光出現(xiàn)后獲得發(fā)展。年激光出現(xiàn)后獲得發(fā)展。與普通照相

10、的比較：與普通照相的比較： 普通照相：普通照相：透鏡成像，感光膠片上只記錄物體的透鏡成像，感光膠片上只記錄物體的光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布，平面像，膠片破碎后只能沖洗照片的一部分；平面像，膠片破碎后只能沖洗照片的一部分； 全息照相：全息照相：不用透鏡，借助參考光與來(lái)自物體的反射光（散不用透鏡，借助參考光與來(lái)自物體的反射光（散射光）在全息干板上產(chǎn)生干涉，記錄物光的射光）在全息干板上產(chǎn)生干涉，記錄物光的振幅和相位振幅和相位，可再，可再現(xiàn)立體像，干板打碎后用一碎片仍可再現(xiàn)全部立體像，只是清現(xiàn)立體像，干板打碎后用一碎片仍可再現(xiàn)全部立體像，只是清晰度有所下降。晰度有所下降。9.3.1 9.3.1 激光全息術(shù)激光全

11、息術(shù)為什么一小塊全息圖能包含物體的整個(gè)三維為什么一小塊全息圖能包含物體的整個(gè)三維幾何信息？幾何信息？ 基本出發(fā)點(diǎn)：物體都是點(diǎn)的集合體?；境霭l(fā)點(diǎn)：物體都是點(diǎn)的集合體。研究一個(gè)物點(diǎn)研究一個(gè)物點(diǎn)的記錄和再現(xiàn)過(guò)程。的記錄和再現(xiàn)過(guò)程。記錄記錄 一組一組同心同心圓的圓的干涉干涉條紋條紋再現(xiàn)再現(xiàn)假如點(diǎn)物放在假如點(diǎn)物放在O點(diǎn)，則點(diǎn)，則O點(diǎn)散射波在點(diǎn)散射波在a，b，c，f點(diǎn)的相位分布和把再現(xiàn)光照射在全息圖上時(shí)，全息圖點(diǎn)的相位分布和把再現(xiàn)光照射在全息圖上時(shí)，全息圖上點(diǎn)上點(diǎn)a，b，c，f的散射波的相位分布是完全相的散射波的相位分布是完全相同的。同的。相干性很高的光源：相干性很高的光源：激光激光被攝物均勻照射：被攝

12、物均勻照射：擴(kuò)束鏡擴(kuò)束鏡獲得明顯的干涉條紋：獲得明顯的干涉條紋：參考光與物光的分束參考光與物光的分束比：比：2:110:1記錄介質(zhì)要求有較高的分辨本領(lǐng)：記錄介質(zhì)要求有較高的分辨本領(lǐng)：溴化銀照溴化銀照相乳膠相乳膠曝光期間要求實(shí)驗(yàn)裝置有曝光期間要求實(shí)驗(yàn)裝置有很高的機(jī)械穩(wěn)定性很高的機(jī)械穩(wěn)定性全息術(shù)要求全息術(shù)要求（a）透明物透射光作為物光；）透明物透射光作為物光；（b）非透明物反射光作為物光）非透明物反射光作為物光9.3.2 9.3.2 全息干涉技術(shù)全息干涉技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用：高精度傳感測(cè)量物體的位移或形變。：高精度傳感測(cè)量物體的位移或形變?；驹恚夯驹恚?將將相隔一段時(shí)間相隔一段時(shí)間拍攝的物體波分別

13、記錄在同一張拍攝的物體波分別記錄在同一張全息圖上，再現(xiàn)此全息圖時(shí)，再現(xiàn)的二光波就發(fā)生全息圖上，再現(xiàn)此全息圖時(shí)，再現(xiàn)的二光波就發(fā)生干涉。通過(guò)干涉條紋的檢測(cè)，就可獲得被測(cè)物體在干涉。通過(guò)干涉條紋的檢測(cè)，就可獲得被測(cè)物體在拍攝時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的變化。拍攝時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的變化。拍攝方法：拍攝方法： 靜態(tài)二次曝光法、動(dòng)態(tài)時(shí)間平均法、實(shí)時(shí)法靜態(tài)二次曝光法、動(dòng)態(tài)時(shí)間平均法、實(shí)時(shí)法v再現(xiàn)像中光強(qiáng)分布再現(xiàn)像中光強(qiáng)分布受到物體位移后產(chǎn)生的位相差的調(diào)制，形成干涉條紋受到物體位移后產(chǎn)生的位相差的調(diào)制，形成干涉條紋靜態(tài)二次曝光法靜態(tài)二次曝光法v全息圖上記錄的是許多像的總效果。再現(xiàn)時(shí)再現(xiàn)像全息圖上記錄的是許多像的總效果。再

14、現(xiàn)時(shí)再現(xiàn)像是各個(gè)再現(xiàn)波前的復(fù)振幅之和。是各個(gè)再現(xiàn)波前的復(fù)振幅之和。v產(chǎn)生的干涉條紋將反映振動(dòng)物體的極限位置。產(chǎn)生的干涉條紋將反映振動(dòng)物體的極限位置。v動(dòng)態(tài)時(shí)間平均法動(dòng)態(tài)時(shí)間平均法，又稱長(zhǎng)，又稱長(zhǎng)時(shí)間一次曝光法。用來(lái)研時(shí)間一次曝光法。用來(lái)研究物體振動(dòng)。究物體振動(dòng)。v記錄的曝光時(shí)間要大于物記錄的曝光時(shí)間要大于物體的振動(dòng)周期。體的振動(dòng)周期。v曝光一次，曝光時(shí)間曝光一次，曝光時(shí)間短。短。v再現(xiàn)時(shí)，再現(xiàn)像疊加再現(xiàn)時(shí)，再現(xiàn)像疊加在原物體上。在原物體上。v如果物體稍有位移或如果物體稍有位移或形變，即能觀察到干形變，即能觀察到干涉條紋。涉條紋。v適合于測(cè)試適合于測(cè)試透明物體透明物體中的一些現(xiàn)象。中的一些現(xiàn)象。

15、實(shí)時(shí)法實(shí)時(shí)法9.3.3 9.3.3 全息等高線技術(shù)全息等高線技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用：物體表面三維形貌測(cè)量。：物體表面三維形貌測(cè)量。主要包括：主要包括： 線投影等高技術(shù)線投影等高技術(shù) 雙頻全息技術(shù)雙頻全息技術(shù) 變折射率全息技術(shù)變折射率全息技術(shù) 視頻和散斑技術(shù)視頻和散斑技術(shù)線投影等高技術(shù)線投影等高技術(shù)v等高線是一系列等間隔等高線是一系列等間隔的平行平面與被檢測(cè)表的平行平面與被檢測(cè)表面的交線。面的交線。v線投影等高技術(shù)是用光線投影等高技術(shù)是用光學(xué)方法產(chǎn)生一組等間隔學(xué)方法產(chǎn)生一組等間隔的平行平面來(lái)照明物體，的平行平面來(lái)照明物體，當(dāng)沿著垂直于照明平面當(dāng)沿著垂直于照明平面的方向去觀察物體，就的方向去觀察物體，就不難

16、看到待測(cè)物體的等不難看到待測(cè)物體的等高線圖。高線圖。干涉線投影技術(shù)干涉線投影技術(shù)2sin2h 9.4 散斑法散斑法（1）散斑現(xiàn)象）散斑現(xiàn)象: 當(dāng)一束激光射到某粗糙表面上時(shí)當(dāng)一束激光射到某粗糙表面上時(shí),觀察被照區(qū)域有許多明暗觀察被照區(qū)域有許多明暗相間、雜亂無(wú)章的亮斑和暗斑，這種現(xiàn)象稱為散斑。相間、雜亂無(wú)章的亮斑和暗斑，這種現(xiàn)象稱為散斑。成因：成因： 粗糙表面（或散射介質(zhì)）的散射光粗糙表面（或散射介質(zhì)）的散射光干涉干涉所形成的。所形成的。9.4.1散斑概念及統(tǒng)計(jì)性質(zhì)散斑概念及統(tǒng)計(jì)性質(zhì)v起初：散斑點(diǎn)起初：散斑點(diǎn)條紋的反差受到影響條紋的反差受到影響噪聲噪聲v發(fā)展：?jiǎn)蝹€(gè)斑點(diǎn)的大小和位置隨機(jī)分布發(fā)展：?jiǎn)蝹€(gè)

17、斑點(diǎn)的大小和位置隨機(jī)分布 所有斑點(diǎn)的綜合符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律所有斑點(diǎn)的綜合符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律 漫反射表面漫反射表面散斑場(chǎng)散斑場(chǎng) 物體表面上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)物體表面上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)散斑場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)散斑場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)v啟發(fā)：散斑運(yùn)動(dòng)啟發(fā)：散斑運(yùn)動(dòng)物體表面的運(yùn)動(dòng)信息物體表面的運(yùn)動(dòng)信息位位移、應(yīng)變、應(yīng)力移、應(yīng)變、應(yīng)力形成散斑的條件：形成散斑的條件：粗糙表面和相干光照射粗糙表面和相干光照射v客觀（直接）散斑：客觀（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干由粗糙表面的散射光干涉面直接形成。涉面直接形成。v主觀（成像）散斑：主觀（成像）散斑：在成像光組像面上在成像光組像面上P點(diǎn)點(diǎn)形成散斑。形成散斑。（2）散斑大小）散斑大小v空間結(jié)構(gòu)：空間結(jié)構(gòu)： 隨

18、機(jī)分布的顆粒形狀，用二相鄰亮斑間距隨機(jī)分布的顆粒形狀，用二相鄰亮斑間距的統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)定義散斑的平均尺寸。的統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)定義散斑的平均尺寸。v對(duì)圓形照亮區(qū)域，散斑的橫向平均直徑為對(duì)圓形照亮區(qū)域，散斑的橫向平均直徑為v結(jié)論：結(jié)論： 散斑橫向平均直徑與照明區(qū)域大小有關(guān)，散斑橫向平均直徑與照明區(qū)域大小有關(guān)，大的照明區(qū)域?qū)?yīng)大的大的照明區(qū)域?qū)?yīng)大的u值，散斑變小，反值，散斑變小，反之變大。之變大。0.6sinTu（3）散斑的光強(qiáng)分布）散斑的光強(qiáng)分布v散射波的位相是無(wú)規(guī)則地分布在散射波的位相是無(wú)規(guī)則地分布在02范圍內(nèi)，且范圍內(nèi)，且同偏振，散斑強(qiáng)度概率分布為同偏振，散斑強(qiáng)度概率分布為v結(jié)論：結(jié)論： 最可能出

19、現(xiàn)的強(qiáng)度是接最可能出現(xiàn)的強(qiáng)度是接近于近于0的，即黑散斑比其它的，即黑散斑比其它強(qiáng)度的散斑要多。強(qiáng)度的散斑要多。9.4.2 散斑計(jì)量技術(shù)散斑計(jì)量技術(shù)v（1）散斑照相法）散斑照相法v物體表面運(yùn)動(dòng)與散斑場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)有物體表面運(yùn)動(dòng)與散斑場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)有確定關(guān)系。確定關(guān)系。v第一次拍攝：底片上記錄了物面第一次拍攝：底片上記錄了物面的散斑圖。的散斑圖。v第二次拍攝：物體變形后進(jìn)行，第二次拍攝：物體變形后進(jìn)行，同一底片上記錄了兩個(gè)散斑圖。同一底片上記錄了兩個(gè)散斑圖。v物鏡孔徑角物鏡孔徑角u沒有變，兩個(gè)散斑沒有變，兩個(gè)散斑圖是相同的。位置因物體表面的圖是相同的。位置因物體表面的移動(dòng)而產(chǎn)生了相應(yīng)的移動(dòng)。移動(dòng)而產(chǎn)生了相應(yīng)的

20、移動(dòng)。v測(cè)量出兩個(gè)散斑圖的移動(dòng)量，也測(cè)量出兩個(gè)散斑圖的移動(dòng)量，也就知道了物體表面的移動(dòng)量。就知道了物體表面的移動(dòng)量。（2）散斑干涉法）散斑干涉法v 將另外一束均勻激光束作為參考光束與將另外一束均勻激光束作為參考光束與散斑圖組合在一起，或?qū)蓚€(gè)散斑圖組合在散斑圖組合在一起，或?qū)蓚€(gè)散斑圖組合在一起，使之產(chǎn)生干涉作用，獲得第三個(gè)散斑一起，使之產(chǎn)生干涉作用，獲得第三個(gè)散斑干涉圖，分析處理這第三個(gè)散斑干涉圖可獲干涉圖，分析處理這第三個(gè)散斑干涉圖可獲得待測(cè)物面的位移。得待測(cè)物面的位移。9.4.3 電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：v采用采用CCD記錄物面散斑場(chǎng)的光強(qiáng)信息，記錄物面散斑場(chǎng)

21、的光強(qiáng)信息，實(shí)時(shí)顯示干涉條紋，快速方便；實(shí)時(shí)顯示干涉條紋，快速方便；v可以在明室下操作，這給工作人員帶可以在明室下操作，這給工作人員帶來(lái)了方便；來(lái)了方便；v使用圖像采集卡高幀速采集散斑場(chǎng)信使用圖像采集卡高幀速采集散斑場(chǎng)信息，對(duì)工作環(huán)境的防震要求大大降低。息，對(duì)工作環(huán)境的防震要求大大降低。v條紋圖以數(shù)字形式存儲(chǔ)，便于條紋后條紋圖以數(shù)字形式存儲(chǔ)，便于條紋后處理，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)分析條紋。處理，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)分析條紋。無(wú)損傷，非接觸無(wú)損傷，非接觸光路簡(jiǎn)單，操作方便光路簡(jiǎn)單，操作方便抗震性好抗震性好計(jì)算方便，精度可靠計(jì)算方便，精度可靠（Electronic speckle pattern int

22、erferometry，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ESPI）應(yīng)用：應(yīng)用：測(cè)取物體的位移、應(yīng)變，無(wú)損檢測(cè)測(cè)取物體的位移、應(yīng)變，無(wú)損檢測(cè) （1）測(cè)量離面位移的電子散斑干涉系統(tǒng)）測(cè)量離面位移的電子散斑干涉系統(tǒng) R點(diǎn)與成像透鏡的光束共點(diǎn)與成像透鏡的光束共軛，參考光束好像從軛，參考光束好像從O點(diǎn)點(diǎn)射出一樣，這樣，參考光射出一樣，這樣，參考光束就與物光束一致，產(chǎn)生束就與物光束一致，產(chǎn)生干涉作用。電視攝像機(jī)記干涉作用。電視攝像機(jī)記錄并存儲(chǔ)散斑圖樣。錄并存儲(chǔ)散斑圖樣。（2）測(cè)量面內(nèi)位移的電子散斑干涉系統(tǒng)）測(cè)量面內(nèi)位移的電子散斑干涉系統(tǒng) 兩束相干平面波激光兩束相干平面波激光束以相同入射角束以相同入射角i在法在法線兩側(cè)平行入射到

23、粗線兩側(cè)平行入射到粗糙物面上。被物面散糙物面上。被物面散射的光通過(guò)物鏡成像射的光通過(guò)物鏡成像在電視攝像機(jī)攝像管在電視攝像機(jī)攝像管平面上。攝像管平面平面上。攝像管平面垂直于物面法線，記垂直于物面法線，記錄并存儲(chǔ)散斑圖。錄并存儲(chǔ)散斑圖。光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)9.5 莫爾技術(shù)莫爾技術(shù)2022-3-2951光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)2022-3-2952光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)播放中播放中單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示2022-3-2953光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示播放中播放中2022-3-2954光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)莫爾

24、條紋是莫爾條紋是兩條兩條線或線或兩個(gè)兩個(gè)物體之間以恒物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果。定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果。概念概念2022-3-2955光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)2022-3-2956光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)遮光陰影理論遮光陰影理論 光柵間距遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，衍射效應(yīng)不明顯；光柵間距遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，衍射效應(yīng)不明顯； 衍射干涉理論衍射干涉理論 光柵間距小，衍射效應(yīng)明顯。光柵間距小，衍射效應(yīng)明顯。 2022-3-2957光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)亮帶：透光面積大亮帶：透光面積大黑帶：互相遮擋黑帶：互相遮擋 (a) 光柵光柵I(b) 光柵光柵II(c)

25、 兩個(gè)光柵兩個(gè)光柵疊加的結(jié)果疊加的結(jié)果2022-3-2958光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)dmABCD光柵光柵I 光柵光柵II 莫爾條紋莫爾條紋 d2022-3-2959光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)dmABCDdabc（9-1） cos222ddddddm2022-3-2960光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù) 所有級(jí)次代數(shù)和所有級(jí)次代數(shù)和Mi+Ni相同的衍射光束稱為相同的衍射光束稱為(Mi+Ni)級(jí)群光束，它們有相同的傳播方向。級(jí)群光束，它們有相同的傳播方向。G1G2-10( , )( ,1)( ,2)(0,-1)(0,0)(0,1)(1,-2)(1,-1)(1,0)-1級(jí)群

26、光束級(jí)群光束0級(jí)群光束級(jí)群光束1級(jí)群光束級(jí)群光束1-1 0-1 -1 2022-3-2961光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)2022-3-2962光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)被測(cè)物體位移被測(cè)物體位移= =柵距柵距脈沖數(shù)脈沖數(shù)數(shù)字顯示數(shù)字顯示 整形整形 放大放大 電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器 光電元件光電元件 整流整流 微分微分 光源光源 透鏡透鏡 透鏡透鏡 主光柵主光柵 指示光柵指示光柵2022-3-2963光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)基本原理基本原理 通過(guò)光柵及光柵在物體表面的投影疊加形通過(guò)光柵及光柵在物體表面的投影疊加形成莫爾條紋，同級(jí)莫爾條紋就是物體表面距主成莫爾條紋，同級(jí)莫

27、爾條紋就是物體表面距主光柵深度相同的等高線分布，實(shí)現(xiàn)三維物體的光柵深度相同的等高線分布，實(shí)現(xiàn)三維物體的形貌測(cè)量。形貌測(cè)量。2022-3-2964光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)N級(jí)等高線深度：級(jí)等高線深度： dlP12N光柵光柵 dNPlhN（9-2） hNd：觀察者到光源之間距離：觀察者到光源之間距離。P：光柵常數(shù)；：光柵常數(shù)；l：光源與光柵之間距離；：光源與光柵之間距離；65光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)接收器接收器光源光源C1G1L1C2G2L2NPflfbNPfllhN（9-3） blh1h2b：L1到到L2之間的距離。之間的距離。 l：透鏡：透鏡L1和和L2到物體表面的距離

28、；到物體表面的距離；f：透鏡：透鏡L1和和L2的焦距；的焦距；P：光柵：光柵G1和和G2的光柵的光柵間距間距；2022-3-2966N級(jí)等高線深度：級(jí)等高線深度： 光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)莫爾條紋的應(yīng)用：莫爾條紋的應(yīng)用：莫爾計(jì)數(shù)技術(shù)和莫爾形貌技術(shù)莫爾計(jì)數(shù)技術(shù)和莫爾形貌技術(shù)3莫爾條紋的原理：莫爾條紋的原理：遮光陰影理論和衍射干涉理論遮光陰影理論和衍射干涉理論21莫爾條紋現(xiàn)象莫爾條紋現(xiàn)象2022-3-2967光傳感與光檢測(cè)技術(shù)光傳感與光檢測(cè)技術(shù)9.6 激光測(cè)距激光測(cè)距 引言引言 應(yīng)用：應(yīng)用：激光雷達(dá)、精確制導(dǎo)、目標(biāo)指示、火控系激光雷達(dá)、精確制導(dǎo)、目標(biāo)指示、火控系 統(tǒng)、飛機(jī)防撞系統(tǒng)、大地

29、勘測(cè)、天體測(cè)量統(tǒng)、飛機(jī)防撞系統(tǒng)、大地勘測(cè)、天體測(cè)量?jī)深悾簝深悾?脈沖測(cè)距法：脈沖測(cè)距法：軍事用途等非合作目標(biāo)（反射能軍事用途等非合作目標(biāo)（反射能力差，必須使用能量高度集中地窄脈沖來(lái)測(cè)距）力差，必須使用能量高度集中地窄脈沖來(lái)測(cè)距） 連續(xù)波測(cè)距連續(xù)波測(cè)距（調(diào)頻法、相位法）：合作目標(biāo)（調(diào)頻法、相位法）：合作目標(biāo)9.6.1 脈沖測(cè)距原理脈沖測(cè)距原理v原理原理:v關(guān)鍵：關(guān)鍵：準(zhǔn)確測(cè)量渡越時(shí)間準(zhǔn)確測(cè)量渡越時(shí)間T，即精確確定發(fā)射和，即精確確定發(fā)射和接收時(shí)刻接收時(shí)刻t1和和t2。1 2RcT測(cè)距機(jī)測(cè)距機(jī)v光電系統(tǒng)：光電系統(tǒng)：光轉(zhuǎn)換、放大整形電路光轉(zhuǎn)換、放大整形電路v計(jì)數(shù)部分：計(jì)數(shù)部分：電子門、時(shí)鐘發(fā)生器、計(jì)數(shù)

30、器電子門、時(shí)鐘發(fā)生器、計(jì)數(shù)器v所測(cè)脈沖渡越時(shí)間所測(cè)脈沖渡越時(shí)間計(jì)時(shí)脈沖數(shù)計(jì)時(shí)脈沖數(shù) 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期接收脈沖和時(shí)鐘是異步的，接收脈沖和時(shí)鐘是異步的，有一個(gè)周期的測(cè)量誤差。有一個(gè)周期的測(cè)量誤差。v目標(biāo)距離為：目標(biāo)距離為：v分辨率為：分辨率為：時(shí)鐘頻率越高，距離分辨率越好。時(shí)鐘頻率越高，距離分辨率越好。000TN TT000001122cRc N TTNf02Rcf 如何在較低的時(shí)鐘頻率下獲得高精度的距離測(cè)量？如何在較低的時(shí)鐘頻率下獲得高精度的距離測(cè)量？ 內(nèi)差時(shí)間擴(kuò)展測(cè)距法內(nèi)差時(shí)間擴(kuò)展測(cè)距法v所測(cè)脈沖渡越時(shí)間：所測(cè)脈沖渡越時(shí)間：v通過(guò)一個(gè)通過(guò)一個(gè)RC電路對(duì)電路對(duì)T1、T2進(jìn)行放大。進(jìn)行放大。 在在

31、T1時(shí)間對(duì)電容充時(shí)間對(duì)電容充電，經(jīng)一較大電阻電，經(jīng)一較大電阻使之緩慢放電，并使之緩慢放電，并保證放電時(shí)間正比保證放電時(shí)間正比于充電時(shí)間。于充電時(shí)間。0012TN TTTu目前脈沖法非合作目標(biāo)測(cè)距在大氣層內(nèi)的最大測(cè)距目前脈沖法非合作目標(biāo)測(cè)距在大氣層內(nèi)的最大測(cè)距距離約距離約30km，精度達(dá)幾十厘米。，精度達(dá)幾十厘米。主要影響因素主要影響因素：大氣吸收，霧、雨、雪、煙塵等散：大氣吸收，霧、雨、雪、煙塵等散射限制了作用距離。射限制了作用距離。激光測(cè)距在激光測(cè)距在衛(wèi)星定位、天體測(cè)量衛(wèi)星定位、天體測(cè)量中有重要應(yīng)用。中有重要應(yīng)用。9.6.2 9.6.2 連續(xù)波測(cè)距連續(xù)波測(cè)距 適用于合作目標(biāo)測(cè)距。適用于合作目

32、標(biāo)測(cè)距。1 1 調(diào)頻法測(cè)距調(diào)頻法測(cè)距原理：原理：利用利用線性調(diào)頻的微波信號(hào)線性調(diào)頻的微波信號(hào)對(duì)連續(xù)輸出的激光對(duì)連續(xù)輸出的激光作光強(qiáng)度調(diào)制；目標(biāo)回波收到后，通過(guò)比較發(fā)、收作光強(qiáng)度調(diào)制；目標(biāo)回波收到后，通過(guò)比較發(fā)、收信號(hào)調(diào)制波型的信號(hào)調(diào)制波型的頻率差頻率差來(lái)確定目標(biāo)距離。來(lái)確定目標(biāo)距離。0tffkt2ptrfffkR c02rffk tR c2pRcfk線性調(diào)頻的微波信號(hào)其發(fā)射頻率為：線性調(diào)頻的微波信號(hào)其發(fā)射頻率為：001mTtmT 距離距離R處的目標(biāo)反射回的光信號(hào)的頻率為：處的目標(biāo)反射回的光信號(hào)的頻率為：發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的頻率差為：發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的頻率差為：最大測(cè)距范圍：最大測(cè)距范圍：02

33、mRcT發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的往返距離：發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的往返距離：用長(zhǎng)度為用長(zhǎng)度為的尺子去度量的尺子去度量D2 2 相位法測(cè)距相位法測(cè)距原理：原理：利用利用單頻電信號(hào)單頻電信號(hào)對(duì)激光作光強(qiáng)度調(diào)制，通過(guò)對(duì)激光作光強(qiáng)度調(diào)制，通過(guò)檢測(cè)回波與發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)回波與發(fā)射信號(hào)的相位差相位差來(lái)確定目標(biāo)距離。來(lái)確定目標(biāo)距離。2cDf11122NNN121N 1111Dc fNNNN 關(guān)鍵：關(guān)鍵：測(cè)量發(fā)射波與反射波的相位差。測(cè)量發(fā)射波與反射波的相位差。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：只能得到相位差的尾數(shù)只能得到相位差的尾數(shù)必須將尺子增大必須將尺子增大，D 。由于鑒相器相對(duì)精度達(dá)由于鑒相器相對(duì)精度達(dá)0.1%0.1%，導(dǎo)致絕對(duì)精度低。，導(dǎo)致絕對(duì)精度低。解決方法解決方法：“粗尺粗尺”和和“細(xì)尺細(xì)尺”聯(lián)合測(cè)量。聯(lián)合測(cè)量。例：為了測(cè)量例：為了測(cè)量625.45m625.45m的距離的距離用用1000m1000m粗尺測(cè)：粗尺測(cè)：625m625m用用10m10m細(xì)尺測(cè)：細(xì)尺測(cè)：5.45m5.45m得到距離為得到距離為625.45m625.45m。9.7 9.7 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù) 引言引言 應(yīng)用：應(yīng)用：流體力學(xué)測(cè)量，如流速分布、湍流、燃燒、流體力學(xué)測(cè)量，如流速分布、湍流、燃燒、 爆炸爆炸優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 不干擾流場(chǎng)不干擾流場(chǎng) 無(wú)損傷無(wú)損傷9