新激光課件第九章-激光在精密測量中的應(yīng)用

第九章第九章一、干涉測長的基本原理1.激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀,如圖,用干涉條紋來反映被測量的信息。兩束光的光程差可以表示為

2.被測長度與干涉條紋變化的次數(shù)和干涉儀所用光源波長之間的關(guān)系是

3.從測量方程出發(fā)可以對激光干涉測長系統(tǒng)進(jìn)行基本誤差分析9.1激光干涉測長一、干涉測長的基本原理1.激光干涉測長的基本光路是一個邁二、激光干涉測長系統(tǒng)的組成1.除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源，可移動平臺，光電顯微鏡，光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。

2.邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。

3.干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。分振幅平行平板分光器和立方棱鏡分光器偏振分光器(由晶軸正交的偏光棱鏡組成如沃拉斯頓棱鏡)。

二、激光干涉測長系統(tǒng)的組成1.除了邁克爾遜干涉儀以外，激4.干涉儀中常用的反射器件:平面反射器、角錐棱鏡反射器、直角棱鏡反射器、貓眼反射器.5.激光干涉儀的典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的光路布局。

4.干涉儀中常用的反射器件:平面反射器、角錐棱鏡反射器、直角6.移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法有機(jī)械移相，翼形板移相，金屬膜移相和偏振法移相。機(jī)械法移相原理圖6.移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法7.干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強(qiáng)信號，該信號經(jīng)放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個相位依次相差π/2的脈沖信號。判向計數(shù)原理框圖7.干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差判向計數(shù)原理框圖三、激光外差干涉測長技術(shù)1.外差干涉儀：在干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。利用該技術(shù)的干涉儀就為外差干涉儀,或交流干涉儀.2.產(chǎn)生干涉儀載波信號的方法有兩種即:3.雙頻激光干涉儀的光路如圖，其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2

光外差干涉準(zhǔn)外差干涉三、激光外差干涉測長技術(shù)1.外差干涉儀：在干涉儀的信號中引4.測量反射鏡運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移為5.測量鏡的位移量的計算4.測量反射鏡運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移為5.測量鏡的位移量的計四、激光干涉測長應(yīng)用舉例1.激光測角的原理與小角度干涉儀類似,都是采用三角測量原理。被測的轉(zhuǎn)角為：

激光測角原理示意圖1:偏振分光棱鏡組；2:角錐棱鏡組；3,3‘:檢偏器；4,4’:光電接收器；5,5‘:放大器；6:倍頻和計數(shù)卡；7:計算機(jī)四、激光干涉測長應(yīng)用舉例1.激光測角的原理與小角度干涉儀類雙頻激光干涉儀測量空氣折射率1:偏振分光棱鏡；2:分光器；3:?波片；4:真空室；5:抽氣口；6:角錐棱鏡；7:檢偏器；8:光電接收器；9:補(bǔ)償環(huán)2.激光測折射率也利用雙頻激光干涉技術(shù)雙頻激光干涉儀測量空氣折射率1:偏振分光棱鏡；2:分光器；一、激光衍射測量原理1.光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)之間的位置關(guān)系一般分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射

2.單縫衍射測量

單縫衍射測量的原理：激光單縫衍射測量的基本原理是單縫夫瑯和費(fèi)衍射，原理如圖。條紋的光強(qiáng)可表示為：衍射測量原理圖單縫衍射測量的基本公式:9.2激光衍射測長一、激光衍射測量原理1.光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋單縫衍射測量的分辨力、精度和量程:

當(dāng)被測物體尺寸改變δ時，相當(dāng)于狹縫尺寸改變δ，衍射條紋的位置也隨之改變,可得3.圓孔衍射測量如圖為圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強(qiáng)分布為

圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射原理示意圖中心亮斑直徑為單縫衍射測量的分辨力、精度和量程:當(dāng)被測物體尺寸改變δ時，二、激光衍射測量的方法1.間隙測量法

其基于單縫衍射的原理。間隙測量法的應(yīng)用用間隙測量法測量位移,即測量狹縫寬度b的改變量=b’-b,可采用絕對法,求出變化前后的兩個縫寬b和b’，然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為

二、激光衍射測量的方法1.間隙測量法其基于單縫衍射的原理2.反射衍射測量法反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測量的。反射衍射法原理圖在P點處出現(xiàn)第k級暗條紋的光程差應(yīng)滿足：在該圖的幾何關(guān)系下縫寬可以表示為

2.反射衍射測量法反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成3.分離間隙法利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形成的衍射條紋進(jìn)行精密測量的方法稱為分離間隙法。測量原理如圖。圖6-13分離間隙法原理圖測量出正負(fù)不同級次k1和k2上的暗條紋的位置和即可由下式計算出狹縫寬度和間隔

3.分離間隙法利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形4.互補(bǔ)測量法激光互補(bǔ)衍射測量法的原理是巴俾涅定理。巴比涅互補(bǔ)衍射屏5.愛里斑測量法基于圓孔夫朗和費(fèi)衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。通常用愛里斑中歸一化光強(qiáng)的大小的測量來確定被測孔的直徑。4.互補(bǔ)測量法激光互補(bǔ)衍射測量法的原理是巴俾涅定理。巴比下圖是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。噴絲頭孔徑的愛里斑測量原理示意圖下圖是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理三、激光衍射測量的應(yīng)用1.薄膜材料表面涂層厚度測量薄膜材料表面涂層厚度測量是使用分離間隙法，原理如圖。薄膜材料表面涂層厚度測量三、激光衍射測量的應(yīng)用1.薄膜材料表面涂層厚度測量薄2.薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬薄帶(一般寬度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互補(bǔ)測量法進(jìn)行測量。在測量時要求薄帶相對激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則將引起測量誤差。下圖是薄帶寬度測量原理圖。薄帶寬度測量原理圖2.薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬一、激光脈沖測距1.激光脈沖測距原理

原理:通過發(fā)射激光脈沖控制計時器開門，接收返回的激光脈沖控制計時器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時間完成測距的。其計算公式為：

2.激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu)測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如圖。激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)3.測距儀對光脈沖的要求光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。光脈沖的方向性要好。光脈沖的單色性要好。9.3激光測距光脈沖的寬度要窄。一、激光脈沖測距1.激光脈沖測距原理原理:通過發(fā)射激光脈4.激光巨脈沖的產(chǎn)生脈沖計數(shù)原理方框圖5.距離顯示脈沖測距中脈沖在測程上往返時間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)來進(jìn)行計時。上圖就是這種設(shè)備的方框圖。二、激光相位測距1.激光相位測距原理原理:通過測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差φ來間接測量傳播時間。激光測距儀原理方框圖4.激光巨脈沖的產(chǎn)生脈沖計數(shù)原理方框圖5.距離顯示脈光波每傳播波長的一段距離，位相就變化2。所以距離d、光波往返位相差和光波波長之間的關(guān)系為：當(dāng)距離d大于測尺長Ls時，僅用一把光波測尺是無法測定距離的。但是，當(dāng)d小于Ls時，2.分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率一定的測尺長度Ls，相應(yīng)于一定的測尺頻率s，它們之間的關(guān)系是:光波每傳播波長的一段距離，位相就變化2。所以距離d、光波分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率s是直接和測尺長度Ls是相對應(yīng)的。例如選用兩把測尺Lsb＝10m、Lsl＝1000m，則相應(yīng)選用的測尺頻率為集中的間接測尺頻率方式是采用一組數(shù)值接近的調(diào)制頻率，間接獲得各個測尺的一種方法。假定我們用兩個頻率為s1和s2的光波分別測量同一距離d，則有：令：誤差1m誤差1cm分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率s是直接和測尺長度Ls則有：式中Ls可以認(rèn)定一個新的測尺長度，其相應(yīng)的測尺頻率為:式中的正是用s1和s2的差額s＝

s1－s2的光波測量距離d時所得到的位相尾數(shù)，由上式知正好等于用頻率為s1和s2的光波測量d時得到的位相尾數(shù)之差1－2。3.相位差的測量差頻測相原理如圖中的電路部分。設(shè)主振信號為

則有：式中Ls可以認(rèn)定一個新的測尺長度，式中的正該信號發(fā)射到外光路經(jīng)過一定距離的傳播后相位變化了，該信號被光電接收放大后變?yōu)?/p>

設(shè)本振信號為

輸送到參考混頻器與和混頻，在混頻器的輸出端分別得到差頻參考信號和測距信號分別為：

經(jīng)過差頻后的低頻信號輸入相位差計進(jìn)行比較就可以檢測出相位差。

該信號發(fā)射到外光路經(jīng)過一定距離的傳播后相位變化了，該信號一、激光準(zhǔn)直儀1.激光準(zhǔn)直儀的原理和結(jié)構(gòu)

激光束橫截面上的光強(qiáng)分布是“高斯分布”，光束的能量大部分集中在有效半徑為的截面內(nèi)。由于中心光強(qiáng)最大，所以光束分布中心連線可以構(gòu)成一條理想的準(zhǔn)直基準(zhǔn)線。

TEM00光束遠(yuǎn)場發(fā)散角2的公式為：

為了便于控制和提高對準(zhǔn)精度，一般的激光準(zhǔn)直儀都采用光電探測器來對準(zhǔn)，因此準(zhǔn)直儀的基本組成有如下幾個部分。激光準(zhǔn)直儀的基本組成方框圖9.4激光準(zhǔn)直及多自由度的測量一、激光準(zhǔn)直儀1.激光準(zhǔn)直儀的原理和結(jié)構(gòu)激光束橫截面上2.發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)

激光準(zhǔn)直儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)是一個倒置的望遠(yuǎn)鏡，如圖。

如果，分別為高斯光束入射和出射該望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束發(fā)散角的話，令該望遠(yuǎn)系統(tǒng)對高斯光束的發(fā)散角壓縮比為，則有

激光準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射理論可知,一個直徑為D的圓孔所造成的衍射角(即光束發(fā)散角的一半)為

由于衍射效應(yīng),出射光束發(fā)散角還與物鏡孔徑有關(guān).

2.發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)激光準(zhǔn)直儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)是一個倒置的望遠(yuǎn)3.光電目標(biāo)靶激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶通常用的是四象限光電探測器，如圖。

四象限光電探測器原理圖下圖是激光準(zhǔn)直儀測量機(jī)床導(dǎo)軌不直度的示意圖。

4.激光準(zhǔn)直測量的應(yīng)用舉例：不直度的測量機(jī)床導(dǎo)軌不直度的激光準(zhǔn)直測量原理示意圖3.光電目標(biāo)靶激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶通常用的是四象限光電二、激光衍射準(zhǔn)直儀1.利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對準(zhǔn)的衍射圖像，從而提高精度。這種利用衍射原理的激光準(zhǔn)直儀叫激光衍射準(zhǔn)直儀。激光衍射準(zhǔn)直儀的原理結(jié)構(gòu)圖2.波帶片是一塊具有一定遮光圖案的平玻璃片．二、激光衍射準(zhǔn)直儀1.利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案三、激光多自由度測量1.四自由度測量系統(tǒng)中心孔式；分光式；反射式．

四自由度測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)2.五自由度和六自由度測量系統(tǒng)五自由度和六自由度的測量，美國密西根大學(xué)研究了一種光學(xué)測量系統(tǒng)，可同時測量機(jī)床五維幾何誤差。五自由度測量原理示意圖三、激光多自由度測量1.四自由度測量系統(tǒng)中心孔式；分光式；日本Nihon大學(xué)和Sophia大學(xué)研究了一種用于同時測量機(jī)床工作臺六自由度誤差的光學(xué)測量系統(tǒng)。同時測量機(jī)床六自由度偏差的原理圖日本Nihon大學(xué)和Sophia大學(xué)研究了一種用于同時測量機(jī)９.5激光多普勒測速1.運(yùn)動微粒上接收到的光源入射光的頻率

2.靜止接收器上接收到的運(yùn)動微粒散射光的頻率

如圖，靜止光源O發(fā)出一束頻率為的單色光，該單色光入射到與被測流體一起運(yùn)動(速度為)的微粒Q上，微粒Q接收到的光的頻率是

一、運(yùn)動微粒散射光的頻率S處接收到的散射光的頻率應(yīng)為S處接收到的微粒Q散射光的頻率９.5激光多普勒測速1.運(yùn)動微粒上接收到的光源入射光的頻二、差頻法測速1.參考光束型多普勒測速如圖為參考光束型測速方法的光路原理圖。

設(shè)和分別表示參考光和散射光的電矢量的瞬時值則

合成光強(qiáng)I應(yīng)正比于合成電矢量的模平方，由四項組成

二、差頻法測速1.參考光束型多普勒測速如圖為參考光束型測速光電倍增管實際感受到的合成光強(qiáng)可表示為

光電倍增管輸出的光電流正比于它接收到的光強(qiáng)，用復(fù)指數(shù)函數(shù)的實部表達(dá)它的規(guī)律為

多普勒頻移為若入射光在真空中的波長為i，則有光電倍增管實際感受到的合成光強(qiáng)可表示為光電倍增管輸出的光電2.雙散射光束型多普勒測速雙散射光束型測速方法是通過檢測在同一測量點上的兩束散射光的多普勒頻差來確定被測點處流體的流速的。雙散射光束型多普勒測速光學(xué)系統(tǒng)2.雙散射光束型多普勒測速雙散射光束型測速方法是通過檢測1.血液流速的測量三、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用下圖是激光多普勒顯微鏡光路圖1.血液流速的測量三、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用下圖是激用于血液流速測量的光纖激光多普勒測速儀原理圖如圖是光纖多普勒測速儀原理圖2.管道內(nèi)水流的測量下圖是測量圓管或矩形管內(nèi)水流速度分布的多普勒測量系統(tǒng)原理圖，采用的是最典型的雙散射型測量光路。測量管道內(nèi)水流速度分布的激光多普勒測速系統(tǒng)原理圖用于血液流速測量的光纖激光多普勒測速儀原理圖如圖是光纖多普勒９.6環(huán)形激光測量角度和角加速度1.Sagnac效應(yīng)和角速度測量環(huán)形干涉儀的sagnac效應(yīng)如圖,干涉儀不動時，順時針和反時針傳播一周所需時間相同，即環(huán)形干涉儀的Sagnac效應(yīng)一、環(huán)形激光精密測角當(dāng)干涉儀轉(zhuǎn)動時（轉(zhuǎn)速），對于隨著干涉儀轉(zhuǎn)動的觀察者來說，兩束光（順時針和反時針）傳播的時間分別為

９.6環(huán)形激光測量角度和角加速度1.Sagnac效應(yīng)和角二者之差為

2.環(huán)形激光器激光共振腔的共振頻率為

在環(huán)行腔的情況下傳播一圈的光程為L，即

由于逆向傳播的兩束激光的光程不同，具有不同的振蕩頻率，應(yīng)該滿足

二者之差為2.環(huán)形激光器激光共振腔的共振頻率為在環(huán)行環(huán)形干涉儀激光器系統(tǒng)示意圖基于上述拍頻公式，如果從t1時刻到t2時刻，環(huán)形激光器轉(zhuǎn)過角，在這一段時間間隔內(nèi)累計的拍頻條紋數(shù)可以用轉(zhuǎn)角來表示

3.環(huán)形激光精密測角環(huán)形干涉儀激光器系統(tǒng)示意圖基于上述拍頻公式，如果從二、光纖陀螺1.光纖陀螺也是基于Sagnac效應(yīng)。以長度為L的光纖繞成直徑D為的由N個圓圈組成的光纖圈，其直徑和圓面積可以分別表示為：

光纖陀螺儀示意圖光程差則可以表示為

9.7激光環(huán)境測量二、光纖陀螺1.光纖陀螺也是基于Sagnac效應(yīng)。以長度為L第九章第九章一、干涉測長的基本原理1.激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀,如圖,用干涉條紋來反映被測量的信息。兩束光的光程差可以表示為

2.被測長度與干涉條紋變化的次數(shù)和干涉儀所用光源波長之間的關(guān)系是

3.從測量方程出發(fā)可以對激光干涉測長系統(tǒng)進(jìn)行基本誤差分析9.1激光干涉測長一、干涉測長的基本原理1.激光干涉測長的基本光路是一個邁二、激光干涉測長系統(tǒng)的組成1.除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源，可移動平臺，光電顯微鏡，光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。

2.邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。

3.干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。分振幅平行平板分光器和立方棱鏡分光器偏振分光器(由晶軸正交的偏光棱鏡組成如沃拉斯頓棱鏡)。

二、激光干涉測長系統(tǒng)的組成1.除了邁克爾遜干涉儀以外，激4.干涉儀中常用的反射器件:平面反射器、角錐棱鏡反射器、直角棱鏡反射器、貓眼反射器.5.激光干涉儀的典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的光路布局。

4.干涉儀中常用的反射器件:平面反射器、角錐棱鏡反射器、直角6.移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法有機(jī)械移相，翼形板移相，金屬膜移相和偏振法移相。機(jī)械法移相原理圖6.移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法7.干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強(qiáng)信號，該信號經(jīng)放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個相位依次相差π/2的脈沖信號。判向計數(shù)原理框圖7.干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差判向計數(shù)原理框圖三、激光外差干涉測長技術(shù)1.外差干涉儀：在干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。利用該技術(shù)的干涉儀就為外差干涉儀,或交流干涉儀.2.產(chǎn)生干涉儀載波信號的方法有兩種即:3.雙頻激光干涉儀的光路如圖，其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2

光外差干涉準(zhǔn)外差干涉三、激光外差干涉測長技術(shù)1.外差干涉儀：在干涉儀的信號中引4.測量反射鏡運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移為5.測量鏡的位移量的計算4.測量反射鏡運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移為5.測量鏡的位移量的計四、激光干涉測長應(yīng)用舉例1.激光測角的原理與小角度干涉儀類似,都是采用三角測量原理。被測的轉(zhuǎn)角為：

激光測角原理示意圖1:偏振分光棱鏡組；2:角錐棱鏡組；3,3‘:檢偏器；4,4’:光電接收器；5,5‘:放大器；6:倍頻和計數(shù)卡；7:計算機(jī)四、激光干涉測長應(yīng)用舉例1.激光測角的原理與小角度干涉儀類雙頻激光干涉儀測量空氣折射率1:偏振分光棱鏡；2:分光器；3:?波片；4:真空室；5:抽氣口；6:角錐棱鏡；7:檢偏器；8:光電接收器；9:補(bǔ)償環(huán)2.激光測折射率也利用雙頻激光干涉技術(shù)雙頻激光干涉儀測量空氣折射率1:偏振分光棱鏡；2:分光器；一、激光衍射測量原理1.光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)之間的位置關(guān)系一般分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射

2.單縫衍射測量

單縫衍射測量的原理：激光單縫衍射測量的基本原理是單縫夫瑯和費(fèi)衍射，原理如圖。條紋的光強(qiáng)可表示為：衍射測量原理圖單縫衍射測量的基本公式:9.2激光衍射測長一、激光衍射測量原理1.光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋單縫衍射測量的分辨力、精度和量程:

當(dāng)被測物體尺寸改變δ時，相當(dāng)于狹縫尺寸改變δ，衍射條紋的位置也隨之改變,可得3.圓孔衍射測量如圖為圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強(qiáng)分布為

圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射原理示意圖中心亮斑直徑為單縫衍射測量的分辨力、精度和量程:當(dāng)被測物體尺寸改變δ時，二、激光衍射測量的方法1.間隙測量法

其基于單縫衍射的原理。間隙測量法的應(yīng)用用間隙測量法測量位移,即測量狹縫寬度b的改變量=b’-b,可采用絕對法,求出變化前后的兩個縫寬b和b’，然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為

二、激光衍射測量的方法1.間隙測量法其基于單縫衍射的原理2.反射衍射測量法反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測量的。反射衍射法原理圖在P點處出現(xiàn)第k級暗條紋的光程差應(yīng)滿足：在該圖的幾何關(guān)系下縫寬可以表示為

2.反射衍射測量法反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成3.分離間隙法利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形成的衍射條紋進(jìn)行精密測量的方法稱為分離間隙法。測量原理如圖。圖6-13分離間隙法原理圖測量出正負(fù)不同級次k1和k2上的暗條紋的位置和即可由下式計算出狹縫寬度和間隔

3.分離間隙法利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形4.互補(bǔ)測量法激光互補(bǔ)衍射測量法的原理是巴俾涅定理。巴比涅互補(bǔ)衍射屏5.愛里斑測量法基于圓孔夫朗和費(fèi)衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。通常用愛里斑中歸一化光強(qiáng)的大小的測量來確定被測孔的直徑。4.互補(bǔ)測量法激光互補(bǔ)衍射測量法的原理是巴俾涅定理。巴比下圖是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。噴絲頭孔徑的愛里斑測量原理示意圖下圖是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理三、激光衍射測量的應(yīng)用1.薄膜材料表面涂層厚度測量薄膜材料表面涂層厚度測量是使用分離間隙法，原理如圖。薄膜材料表面涂層厚度測量三、激光衍射測量的應(yīng)用1.薄膜材料表面涂層厚度測量薄2.薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬薄帶(一般寬度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互補(bǔ)測量法進(jìn)行測量。在測量時要求薄帶相對激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則將引起測量誤差。下圖是薄帶寬度測量原理圖。薄帶寬度測量原理圖2.薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬一、激光脈沖測距1.激光脈沖測距原理

原理:通過發(fā)射激光脈沖控制計時器開門，接收返回的激光脈沖控制計時器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時間完成測距的。其計算公式為：

2.激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu)測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如圖。激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)3.測距儀對光脈沖的要求光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。光脈沖的方向性要好。光脈沖的單色性要好。9.3激光測距光脈沖的寬度要窄。一、激光脈沖測距1.激光脈沖測距原理原理:通過發(fā)射激光脈4.激光巨脈沖的產(chǎn)生脈沖計數(shù)原理方框圖5.距離顯示脈沖測距中脈沖在測程上往返時間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)來進(jìn)行計時。上圖就是這種設(shè)備的方框圖。二、激光相位測距1.激光相位測距原理原理:通過測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差φ來間接測量傳播時間。激光測距儀原理方框圖4.激光巨脈沖的產(chǎn)生脈沖計數(shù)原理方框圖5.距離顯示脈光波每傳播波長的一段距離，位相就變化2。所以距離d、光波往返位相差和光波波長之間的關(guān)系為：當(dāng)距離d大于測尺長Ls時，僅用一把光波測尺是無法測定距離的。但是，當(dāng)d小于Ls時，2.分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率一定的測尺長度Ls，相應(yīng)于一定的測尺頻率s，它們之間的關(guān)系是:光波每傳播波長的一段距離，位相就變化2。所以距離d、光波分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率s是直接和測尺長度Ls是相對應(yīng)的。例如選用兩把測尺Lsb＝10m、Lsl＝1000m，則相應(yīng)選用的測尺頻率為集中的間接測尺頻率方式是采用一組數(shù)值接近的調(diào)制頻率，間接獲得各個測尺的一種方法。假定我們用兩個頻率為s1和s2的光波分別測量同一距離d，則有：令：誤差1m誤差1cm分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率s是直接和測尺長度Ls則有：式中Ls可以認(rèn)定一個新的測尺長度，其相應(yīng)的測尺頻率為:式中的正是用s1和s2的差額s＝

s1－s2的光波測量距離d時所得到的位相尾數(shù)，由上式知正好等于用頻率為s1和s2的光波測量d時得到的位相尾數(shù)之差1－2。3.相位差的測量差頻測相原理如圖中的電路部分。設(shè)主振信號為

則有：式中Ls可以認(rèn)定一個新的測尺長度，式中的正該信號發(fā)射到外光路經(jīng)過一定距離的傳播后相位變化了，該信號被光電接收放大后變?yōu)?/p>

設(shè)本振信號為

輸送到參考混頻器與和混頻，在混頻器的輸出端分別得到差頻參考信號和測距信號分別為：

經(jīng)過差頻后的低頻信號輸入相位差計進(jìn)行比較就可以檢測出相位差。

該信號發(fā)射到外光路經(jīng)過一定距離的傳播后相位變化了，該信號一、激光準(zhǔn)直儀1.激光準(zhǔn)直儀的原理和結(jié)構(gòu)

激光束橫截面上的光強(qiáng)分布是“高斯分布”，光束的能量大部分集中在有效半徑為的截面內(nèi)。由于中心光強(qiáng)最大，所以光束分布中心連線可以構(gòu)成一條理想的準(zhǔn)直基準(zhǔn)線。

TEM00光束遠(yuǎn)場發(fā)散角2的公式為：

為了便于控制和提高對準(zhǔn)精度，一般的激光準(zhǔn)直儀都采用光電探測器來對準(zhǔn)，因此準(zhǔn)直儀的基本組成有如下幾個部分。激光準(zhǔn)直儀的基本組成方框圖9.4激光準(zhǔn)直及多自由度的測量一、激光準(zhǔn)直儀1.激光準(zhǔn)直儀的原理和結(jié)構(gòu)激光束橫截面上2.發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)

激光準(zhǔn)直儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)是一個倒置的望遠(yuǎn)鏡，如圖。

如果，分別為高斯光束入射和出射該望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束發(fā)散角的話，令該望遠(yuǎn)系統(tǒng)對高斯光束的發(fā)散角壓縮比為，則有

激光準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射理論可知,一個直徑為D的圓孔所造成的衍射角(即光束發(fā)散角的一半)為

由于衍射效應(yīng),出射光束發(fā)散角還與物鏡孔徑有關(guān).

2.發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)激光準(zhǔn)直儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)是一個倒置的望遠(yuǎn)3.光電目標(biāo)靶激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶通常用的是四象限光電探測器，如圖。

四象限光電探測器原理圖下圖是激光準(zhǔn)直儀測量機(jī)床導(dǎo)軌不直度的示意圖。

4.激光準(zhǔn)直測量的應(yīng)用舉例：不直度的測量機(jī)床導(dǎo)軌不直度的激光準(zhǔn)直測量原理示意圖3.光電目標(biāo)靶激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶通常用的是四象限光電二、激光衍射準(zhǔn)直儀1.利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對準(zhǔn)的衍射圖像，從而提高精度。這種利用衍射原理的激光準(zhǔn)直儀叫激光衍射準(zhǔn)直儀。激光衍射準(zhǔn)直儀的原理結(jié)構(gòu)圖2.波帶片是一塊具有一定遮光圖案的平玻璃片．二、激光衍射準(zhǔn)直儀1.利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案三、激光多自由度測量1.四自由度測量系統(tǒng)中心孔式；分光式；反射式．

四自由度測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)2.五自由度和六自由度測量系統(tǒng)五自由度和六自由度的測量，美國密西根大學(xué)研究了一種光學(xué)測量系統(tǒng)，可同時測量機(jī)床五維幾何誤差。五自由度測量原理示意圖三、激光多自由度測量1.四自由度測量系統(tǒng)中心孔式；分光式；日本Nihon大學(xué)和Sophia大學(xué)研究了一種用于同時測量機(jī)床工作臺六自由度誤差的光學(xué)測量系統(tǒng)。同時測量機(jī)床六自由度偏差的原理圖日本Nihon大學(xué)和Sophia大學(xué)研究了一種用于同時測量機(jī)９.5激光多普勒測速1.運(yùn)動微粒上接收到的光源入射光的頻率

2.靜止接收器上接收到的運(yùn)動微粒散射光的頻率

如圖，靜止光源O發(fā)出一束頻率為的單色光，該單色光入射到與被測流體一起運(yùn)動(速度為)的微粒Q上，微粒Q接收