第九章 光學(xué)檢測技術(shù)

1、第九章第九章光學(xué)檢測技術(shù) 引言引言光學(xué)方法的主要優(yōu)勢：光學(xué)方法的主要優(yōu)勢：u 非接觸性非接觸性u 高靈敏度高靈敏度u 高精密性高精密性u 光學(xué)圖像的二維計量性光學(xué)圖像的二維計量性主要內(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 激光測距激光測距 u 多普勒測速多普勒測速光傳感與光檢測技術(shù)9.1 激光衍射法激光衍射法特點：特點：簡單、快速、精密、廉價、性能可靠。簡單、快速、精密、廉價、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量的基本原理：衍射計量的基本原理：檢測單縫的遠場衍射，即夫檢測單縫的遠場衍射，即夫朗和費衍射

2、。朗和費衍射。遠場衍射條件遠場衍射條件：檢測面上衍射光強分布檢測面上衍射光強分布：激光衍射傳感器檢測的激光衍射傳感器檢測的基本原理：基本原理：暗條紋位置：暗條紋位置：2RW220sinII sinWsinWnsinWnnWRnx引申：測量物體的尺寸變化引申：測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變動后衍射條紋中心變動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）激光衍射測量的基本思想：激光衍射測量的基本思想：把難于測量的微小尺寸把難于測量的微小尺寸W或或，通過遠場衍射轉(zhuǎn)為，通過遠場衍射轉(zhuǎn)為大尺寸大尺寸xn的測量，即利用衍射條紋的精確測量達

3、到的測量，即利用衍射條紋的精確測量達到精密傳感。精密傳感。對衍射條紋的測量對衍射條紋的測量 記錄固定的衍射強度記錄固定的衍射強度 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之間的距離點之間的距離 9.1.2 激光衍射技術(shù)激光衍射技術(shù)（一）間隙計量法（一）間隙計量法應(yīng)變的感應(yīng)器應(yīng)變的感應(yīng)器尺寸比較測量尺寸比較測量工件形狀輪廓測量工件形狀輪廓測量衍射條紋間隔衍射條紋間隔 間隙間隙兩種計量方法兩種計量方法v（1）絕對法：測量位移前后）絕對法：測量位移前后n級條紋距中央零級條紋中心位級條紋距中央零級條紋中心位置置xn及及xn就可求出位移量就可求出位移量。v（2）計數(shù)法：測得條紋計數(shù)

4、值）計數(shù)法：測得條紋計數(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兩個例子兩個例子（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：精確測定微小內(nèi)孔的尺作用：精確測定微小內(nèi)孔的尺寸寸基本原理：基于圓孔遠場衍射基本原理：基于圓孔遠場衍射1.22df a9.2 激光掃描法激光掃描法v一種動態(tài)光傳感技術(shù)一種動態(tài)光傳感技術(shù)v適宜對彈性體、柔性體、高溫物體作精密測量適宜對彈性體、柔性體、高溫物體作精密測量9.2.1 9.2.1 激光光點掃描技術(shù)激光光點掃描技術(shù) 利用激光束的掃描運動來測定物體的尺寸。利用激光束的掃描運動來測定物體

5、的尺寸。 特點特點：非接觸、動態(tài)、遠距離（：非接觸、動態(tài)、遠距離（1m）12Dt為保證測量精度，三點要求為保證測量精度，三點要求 （1 1）激光束垂直照射被測表面）激光束垂直照射被測表面 （2 2）光束對物面作勻速直線掃描運動）光束對物面作勻速直線掃描運動 （3 3）精確測定掃描時間）精確測定掃描時間（a）轉(zhuǎn)鏡掃描）轉(zhuǎn)鏡掃描 光束在物面上的運動速光束在物面上的運動速度是非均勻的，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）反射鏡準直掃描）反射鏡準直掃描 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)鏡組合的反射鏡準直掃描裝置。準直掃描裝置。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，是一種負畸變物物鏡，是一種負畸變物鏡?？杀ＷC鏡?？杀ＷCy與與的線性的線性關(guān)系：關(guān)系：2yf光點掃描技術(shù)：光點掃描技術(shù)：采用時間脈沖計數(shù)測定工件尺寸。工件采用時間脈沖計數(shù)測定工件尺寸。工件邊緣衍射效應(yīng)，測量誤差大，精度在邊緣衍射效應(yīng)，測量誤差大，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：測量微小變形，適用于振動條件下的高精外差掃描法：測量微小變形，適用于振動

7、條件下的高精度測量，精度達度測量，精度達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)一束細的激光束掃描有振動的物體表面一束細的激光束掃描有振動的物體表面反射光的位相對應(yīng)于物體表面的形狀反射光的位相對應(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)檢測用外差技術(shù)檢測 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、形表面的瑕疵弊病檢查、表面異物探測、形狀規(guī)則度檢查；狀規(guī)則度檢查；1 1 反射光檢測法反射光檢測法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)檢測裝置檢測裝置 （a）飛點成像式：）飛點成像式：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。在被測方向掃描接收。在被測表面的像面上設(shè)置針孔表面的像面上設(shè)置針孔以檢測反射光的變化，以檢測反射光的變化，從而評定表面有否損傷從而評定表面有否損傷與劃痕。與劃痕。 （b）飛點掃描式：）飛點掃描式：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）與被檢表面行進方向垂直。反表面行進方向垂直。反射光由列陣光電檢測器射光由列陣光電檢測器件檢測。件檢測。2 2 散射光檢測法散射光檢測法基本原理基

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表：激光束垂直照射待測表面，檢測垂直的反射光強和某面，檢測垂直的反射光強和某一角度下色散射光強，兩個光一角度下色散射光強，兩個光強之比確定強之比確定表面光潔度表面光潔度?；??；谶吔缪苌洳ɡ碚?，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分布光強分布，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，借助參考光與來自物體的反射光（散不用透鏡，借助參考光與來自物體的反射光（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三維為什么一小塊全息圖能包含物體的整個三維幾何信息？幾何信息？ 基本出發(fā)點：物體都是點的集合體?；境霭l(fā)點：物體都是點的集合體。研究一個物點研究一個物點的記錄和再現(xiàn)過程。的記錄和再現(xiàn)過程。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)假如點物放在假如點物放在O點，則點，則O點散射波在點散射波在a，b，c，f點的相位分布和把再現(xiàn)光照射在全息圖上時，全息圖點的相位分布和把再現(xiàn)光照射在全息圖上時，全息圖上點上點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：擴束鏡擴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驗裝置有曝光期間要求實驗裝置有很高的機械穩(wěn)定性很高的機械穩(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：高精度傳感測量物體的位移或形變。：高精度傳感測量物體的位移或形變?；驹恚夯驹恚?將將相隔一段時間相隔一段時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，再現(xiàn)的二光波就發(fā)生全息圖上，再現(xiàn)此全息圖時，再現(xiàn)的二光波就發(fā)生干涉。通過干涉條紋的檢測，就可獲得被測物體在干涉。通過干涉條紋的檢測，就可獲得被測物體在拍攝時間間隔內(nèi)發(fā)生的變化。拍攝時間間隔內(nèi)發(fā)生的變化。拍攝方法：拍攝方法： 靜態(tài)二次曝光法、動態(tài)時間平均法、實時法靜態(tài)二次曝光法、動態(tài)時間平均法、實時法v再現(xiàn)像中光強分布再現(xiàn)像中光強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)時再現(xiàn)像全息圖上記錄的是許多像的總效果。再

14、現(xiàn)時再現(xiàn)像是各個再現(xiàn)波前的復(fù)振幅之和。是各個再現(xiàn)波前的復(fù)振幅之和。v產(chǎn)生的干涉條紋將反映振動物體的極限位置。產(chǎn)生的干涉條紋將反映振動物體的極限位置。v動態(tài)時間平均法動態(tài)時間平均法，又稱長，又稱長時間一次曝光法。用來研時間一次曝光法。用來研究物體振動。究物體振動。v記錄的曝光時間要大于物記錄的曝光時間要大于物體的振動周期。體的振動周期。v曝光一次，曝光時間曝光一次，曝光時間短。短。v再現(xiàn)時，再現(xiàn)像疊加再現(xiàn)時，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適合于測試適合于測試透明物體透明物體中的一些現(xiàn)象。中的一些現(xiàn)象。

15、實時法實時法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量。：物體表面三維形貌測量。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表的平行平面與被檢測表面的交線。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照明物體，的平行平面來照明物體，當沿著垂直于照明平面當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、看到待測物體的等不難看到待測物體的等高線圖。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: 當一束激光射到某粗糙表面上時當一束激光射到某粗糙表面上時,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、雜亂無章的亮斑和暗斑，這種現(xiàn)象稱為散斑。相間、雜亂無章的亮斑和暗斑，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)計性質(zhì)散斑概念及統(tǒng)計性質(zhì)v起初：散斑點起初：散斑點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：單個斑點的大小和位置隨機分布發(fā)展：單個

17、斑點的大小和位置隨機分布 所有斑點的綜合符合統(tǒng)計規(guī)律所有斑點的綜合符合統(tǒng)計規(guī)律 漫反射表面漫反射表面散斑場散斑場 物體表面上各點的運動物體表面上各點的運動散斑場的運動散斑場的運動v啟發(fā)：散斑運動啟發(fā)：散斑運動物體表面的運動信息物體表面的運動信息位位移、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點點形成散斑。形成散斑。（2）散斑大?。┥叽笮空間結(jié)構(gòu)：空間結(jié)構(gòu)： 隨

18、機分布的顆粒形狀，用二相鄰亮斑間距隨機分布的顆粒形狀，用二相鄰亮斑間距的統(tǒng)計平均值來定義散斑的平均尺寸。的統(tǒng)計平均值來定義散斑的平均尺寸。v對圓形照亮區(qū)域，散斑的橫向平均直徑為對圓形照亮區(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）散斑的光強分布）散斑的光強分布v散射波的位相是無規(guī)則地分布在散射波的位相是無規(guī)則地分布在02范圍內(nèi)，且范圍內(nèi)，且同偏振，散斑強度概率分布為同偏振，散斑強度概率分布為v結(jié)論：結(jié)論： 最可能出

19、現(xiàn)的強度是接最可能出現(xiàn)的強度是接近于近于0的，即黑散斑比其它的，即黑散斑比其它強度的散斑要多。強度的散斑要多。9.4.2 散斑計量技術(shù)散斑計量技術(shù)v（1）散斑照相法）散斑照相法v物體表面運動與散斑場的運動有物體表面運動與散斑場的運動有確定關(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：物體變形后進行，第二次拍攝：物體變形后進行，同一底片上記錄了兩個散斑圖。同一底片上記錄了兩個散斑圖。v物鏡孔徑角物鏡孔徑角u沒有變，兩個散斑沒有變，兩個散斑圖是相同的。位置因物體表面的圖是相同的。位置因物體表面的移動而產(chǎn)生了相應(yīng)的移動。移動而產(chǎn)生了相應(yīng)的

20、移動。v測量出兩個散斑圖的移動量，也測量出兩個散斑圖的移動量，也就知道了物體表面的移動量。就知道了物體表面的移動量。（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€散斑圖組合在散斑圖組合在一起，或?qū)蓚€散斑圖組合在一起，使之產(chǎn)生干涉作用，獲得第三個散斑一起，使之產(chǎn)生干涉作用，獲得第三個散斑干涉圖，分析處理這第三個散斑干涉圖可獲干涉圖，分析處理這第三個散斑干涉圖可獲得待測物面的位移。得待測物面的位移。9.4.3 電子散斑干涉測量技術(shù)電子散斑干涉測量技術(shù)優(yōu)點：優(yōu)點：v采用采用CCD記錄物面散斑場的光強信息，記錄物面散斑場

21、的光強信息，實時顯示干涉條紋，快速方便；實時顯示干涉條紋，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，這給工作人員帶來了方便；來了方便；v使用圖像采集卡高幀速采集散斑場信使用圖像采集卡高幀速采集散斑場信息，對工作環(huán)境的防震要求大大降低。息，對工作環(huán)境的防震要求大大降低。v條紋圖以數(shù)字形式存儲，便于條紋后條紋圖以數(shù)字形式存儲，便于條紋后處理，結(jié)合計算機技術(shù)自動分析條紋。處理，結(jié)合計算機技術(shù)自動分析條紋。無損傷，非接觸無損傷，非接觸光路簡單，操作方便光路簡單，操作方便抗震性好抗震性好計算方便，精度可靠計算方便，精度可靠（Electronic speckle pattern int

22、erferometry，簡稱，簡稱ESPI）應(yīng)用：應(yīng)用：測取物體的位移、應(yīng)變，無損檢測測取物體的位移、應(yīng)變，無損檢測 （1）測量離面位移的電子散斑干涉系統(tǒng)）測量離面位移的電子散斑干涉系統(tǒng) R點與成像透鏡的光束共點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點點射出一樣，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。電視攝像機記干涉作用。電視攝像機記錄并存儲散斑圖樣。錄并存儲散斑圖樣。（2）測量面內(nèi)位移的電子散斑干涉系統(tǒng)）測量面內(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物鏡成像射的光通過物鏡成像在電視攝像機攝像管在電視攝像機攝像管平面上。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，記錄并存儲散斑圖。錄并存儲散斑圖。光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)9.5 莫爾技術(shù)莫爾技術(shù)2022-3-2951光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)2022-3-2952光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)播放中播放中單擊準備演示單擊準備演示2022-3-2953光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)單擊準備演示單擊準備演示播放中播放中2022-3-2954光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)莫爾

24、條紋是莫爾條紋是兩條兩條線或線或兩個兩個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光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)2022-3-2956光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)遮光陰影理論遮光陰影理論 光柵間距遠大于波長，衍射效應(yīng)不明顯；光柵間距遠大于波長，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光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(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、 兩個光柵兩個光柵疊加的結(jié)果疊加的結(jié)果2022-3-2958光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)dmABCD光柵光柵I 光柵光柵II 莫爾條紋莫爾條紋 d2022-3-2959光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)dmABCDdabc（9-1） cos222ddddddm2022-3-2960光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù) 所有級次代數(shù)和所有級次代數(shù)和Mi+Ni相同的衍射光束稱為相同的衍射光束稱為(Mi+Ni)級群光束，它們有相同的傳播方向。級群光束，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級群

26、光束級群光束0級群光束級群光束1級群光束級群光束1-1 0-1 -1 2022-3-2961光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)2022-3-2962光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)被測物體位移被測物體位移= =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 電子計數(shù)器電子計數(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光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)基本原理基本原理 通過光柵及光柵在物體表面的投影疊加形通過光柵及光柵在物體表面的投影疊加形成莫爾條紋，同級莫爾條紋就是物體表面距主成莫爾條紋，同級莫

27、爾條紋就是物體表面距主光柵深度相同的等高線分布，實現(xiàn)三維物體的光柵深度相同的等高線分布，實現(xiàn)三維物體的形貌測量。形貌測量。2022-3-2964光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)N級等高線深度：級等高線深度： 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光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(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級等高線深度：級等高線深度： 光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)莫爾條紋的應(yīng)用：莫爾條紋的應(yīng)用：莫爾計數(shù)技術(shù)和莫爾形貌技術(shù)莫爾計數(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光傳感與光檢測技術(shù)光傳感與光檢測技術(shù)9.6 激光測距激光測距 引言引言 應(yīng)用：應(yīng)用：激光雷達、精確制導(dǎo)、目標指示、火控系激光雷達、精確制導(dǎo)、目標指示、火控系 統(tǒng)、飛機防撞系統(tǒng)、大地

29、勘測、天體測量統(tǒng)、飛機防撞系統(tǒng)、大地勘測、天體測量兩類：兩類： 脈沖測距法：脈沖測距法：軍事用途等非合作目標（反射能軍事用途等非合作目標（反射能力差，必須使用能量高度集中地窄脈沖來測距）力差，必須使用能量高度集中地窄脈沖來測距） 連續(xù)波測距連續(xù)波測距（調(diào)頻法、相位法）：合作目標（調(diào)頻法、相位法）：合作目標9.6.1 脈沖測距原理脈沖測距原理v原理原理:v關(guān)鍵：關(guān)鍵：準確測量渡越時間準確測量渡越時間T，即精確確定發(fā)射和，即精確確定發(fā)射和接收時刻接收時刻t1和和t2。1 2RcT測距機測距機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計數(shù)部分：計數(shù)部分：電子門、時鐘發(fā)生器、計數(shù)

30、器電子門、時鐘發(fā)生器、計數(shù)器v所測脈沖渡越時間所測脈沖渡越時間計時脈沖數(shù)計時脈沖數(shù) 時鐘周期時鐘周期接收脈沖和時鐘是異步的，接收脈沖和時鐘是異步的，有一個周期的測量誤差。有一個周期的測量誤差。v目標距離為：目標距離為：v分辨率為：分辨率為：時鐘頻率越高，距離分辨率越好。時鐘頻率越高，距離分辨率越好。000TN TT000001122cRc N TTNf02Rcf 如何在較低的時鐘頻率下獲得高精度的距離測量？如何在較低的時鐘頻率下獲得高精度的距離測量？ 內(nèi)差時間擴展測距法內(nèi)差時間擴展測距法v所測脈沖渡越時間：所測脈沖渡越時間：v通過一個通過一個RC電路對電路對T1、T2進行放大。進行放大。 在在

31、T1時間對電容充時間對電容充電，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，并保證放電時間正比保證放電時間正比于充電時間。于充電時間。0012TN TTTu目前脈沖法非合作目標測距在大氣層內(nèi)的最大測距目前脈沖法非合作目標測距在大氣層內(nèi)的最大測距距離約距離約30km，精度達幾十厘米。，精度達幾十厘米。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。激光測距在激光測距在衛(wèi)星定位、天體測量衛(wèi)星定位、天體測量中有重要應(yīng)用。中有重要應(yīng)用。9.6.2 9.6.2 連續(xù)波測距連續(xù)波測距 適用于合作目標測距。適用于合作目

32、標測距。1 1 調(diào)頻法測距調(diào)頻法測距原理：原理：利用利用線性調(diào)頻的微波信號線性調(diào)頻的微波信號對連續(xù)輸出的激光對連續(xù)輸出的激光作光強度調(diào)制；目標回波收到后，通過比較發(fā)、收作光強度調(diào)制；目標回波收到后，通過比較發(fā)、收信號調(diào)制波型的信號調(diào)制波型的頻率差頻率差來確定目標距離。來確定目標距離。0tffkt2ptrfffkR c02rffk tR c2pRcfk線性調(diào)頻的微波信號其發(fā)射頻率為：線性調(diào)頻的微波信號其發(fā)射頻率為：001mTtmT 距離距離R處的目標反射回的光信號的頻率為：處的目標反射回的光信號的頻率為：發(fā)射信號與回波信號的頻率差為：發(fā)射信號與回波信號的頻率差為：最大測距范圍：最大測距范圍：02

33、mRcT發(fā)射點到接收點的往返距離：發(fā)射點到接收點的往返距離：用長度為用長度為的尺子去度量的尺子去度量D2 2 相位法測距相位法測距原理：原理：利用利用單頻電信號單頻電信號對激光作光強度調(diào)制，通過對激光作光強度調(diào)制，通過檢測回波與發(fā)射信號的檢測回波與發(fā)射信號的相位差相位差來確定目標距離。來確定目標距離。2cDf11122NNN121N 1111Dc fNNNN 關(guān)鍵：關(guān)鍵：測量發(fā)射波與反射波的相位差。測量發(fā)射波與反射波的相位差。問題：問題：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 。由于鑒相器相對精度達由于鑒相器相對精度達0.1%0.1%，導(dǎo)致絕對精度低。，導(dǎo)致絕對精度低。解決方法解決方法：“粗尺粗尺”和和“細尺細尺”聯(lián)合測量。聯(lián)合測量。例：為了測量例：為了測量625.45m625.45m的距離的距離用用1000m1000m粗尺測：粗尺測：625m625m用用10m10m細尺測：細尺測：5.45m5.45m得到距離為得到距離為625.45m625.45m。9.7 9.7 激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù) 引言引言 應(yīng)用：應(yīng)用：流體力學(xué)測量，如流速分布、湍流、燃燒、流體力學(xué)測量，如流速分布、湍流、燃燒、 爆炸爆炸優(yōu)點：優(yōu)點： 不干擾流場不干擾流場 無損傷無損傷9