第3章 -激光衍射測(cè)量技術(shù)-1

上一節(jié)理論課：課程內(nèi)容簡(jiǎn)介聲光調(diào)制雙頻外差干涉儀：聲光調(diào)制器。激光移相干涉測(cè)量技術(shù)：被測(cè)件面形。激光散斑干涉測(cè)量技術(shù)：散斑概念、散斑照相、電子散斑干涉測(cè)量（ESPI）、測(cè)量表面粗糙度、測(cè)量圓柱內(nèi)孔表面質(zhì)量。激光光纖干涉測(cè)量技術(shù)：光纖干涉儀的概念、光纖干涉儀結(jié)構(gòu)形式（Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac、Fabry-Perot），用FP光纖干涉儀進(jìn)行氣體濃度/成分分析、溫度/壓力分析、光纖陀螺。激光多波長(zhǎng)干涉測(cè)量：半導(dǎo)體激光調(diào)頻干涉測(cè)距今天主講內(nèi)容：激光衍射測(cè)量技術(shù)回顧第3章激光衍射測(cè)量技術(shù)132激光衍射測(cè)量原理激光衍射測(cè)量方法激光衍射測(cè)量的應(yīng)用激光衍射測(cè)量原理1衍射是波在傳輸途中遇到障礙物而發(fā)生偏離直線傳播的現(xiàn)象。波的衍射也叫繞射，顧名思義，波可以繞過障礙物而在某種程度上傳播到障礙物的幾何陰影區(qū)。由于光的波長(zhǎng)較短，只有當(dāng)光通過很小的孔或者狹縫，很小的屏或細(xì)絲時(shí)才能明顯地觀察到衍射現(xiàn)象。激光出現(xiàn)以后，由于它的單色性好、相干性好、高亮度等優(yōu)點(diǎn)，使光的衍射現(xiàn)象得到了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。1972年加拿大國(guó)家研究所的T.R.Pryer提出了激光衍射測(cè)量方法。這是一種利用激光衍射條紋的變化來精密測(cè)量長(zhǎng)度、角度、輪廓的一種測(cè)量方法。具有非接觸、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度及精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。概述激光衍射測(cè)量原理1光的衍射現(xiàn)象，按光源、衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場(chǎng))三者之間的位置關(guān)系分為兩種類型。1)菲涅耳衍射。它是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即光源和觀察屏(或兩者之一)到衍射物的距離比較小的情況，也稱為近場(chǎng)衍射。2)夫瑯禾費(fèi)衍射。它是無限距離處的衍射現(xiàn)象，即光源和觀察屏都離衍射物無限遠(yuǎn)，也稱為遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射激光衍射測(cè)量原理1單縫衍射測(cè)量原理激光衍射測(cè)量原理1單縫衍射測(cè)量原理激光衍射測(cè)量原理1單縫衍射測(cè)量的基本公式即即單縫衍射暗條紋的條件由遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條件，有式中，xk為第K級(jí)暗條紋中心距中央零級(jí)條紋中心的距離，L為觀察屏距單縫平面的距離。則單縫衍射測(cè)量的基本公式激光衍射測(cè)量原理1單縫衍射測(cè)量的分辨力、精度和量程測(cè)量分辨力：指的是激光單縫衍射測(cè)量能分辨的最小量值。由衍射測(cè)量公式得到衍射測(cè)量的靈敏度：上式表明，縫寬b越小，L越大，激光波長(zhǎng)λ越長(zhǎng)，所選取的衍射級(jí)別越高，則t越小，測(cè)量分辨力越高，測(cè)量就靈敏。這里，b受測(cè)量范圍限制，L受儀器尺寸限制，k受激光器功率限制，因此，實(shí)際上t只能近似確定。如果取L=1000mm，b=0.1mm，k=4，λ=0.63μm，代入上式得t=1/250。這就是說通過衍射使b的變化量放大了250倍。如果xk的測(cè)量分辨力是0.01mm，則衍射測(cè)量能達(dá)到的分辨力為0.04μm。激光衍射測(cè)量原理1單縫衍射測(cè)量的分辨力、精度和量程測(cè)量精度由公式可知，衍射測(cè)量的精度決定于λ、L和xk的精度。對(duì)上式進(jìn)行微分，并由儀器的隨機(jī)誤差理論進(jìn)行處理，可得到衍射測(cè)量誤差為：激光衍射測(cè)量原理1測(cè)量量程由公式變換可得，激光單縫衍射放大倍數(shù)β=klλ/b2,如果取L=1000mm,k=4,λ=0.63μm，取不同縫寬代入上式，經(jīng)計(jì)算得到表3-1。激光衍射測(cè)量原理1圓孔衍射測(cè)量當(dāng)平面光波照射的開孔是圓孔時(shí)，其遠(yuǎn)場(chǎng)的夫瑯禾費(fèi)衍射中心為一圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。這種環(huán)形衍射條紋稱為艾里斑(Airy)。激光衍射測(cè)量原理1圓孔衍射測(cè)量衍射圖中央是亮斑，它集中了84%左右的能量。設(shè)中心斑點(diǎn)(即第一暗環(huán))的直徑為D，f’為透鏡的焦距，圓孔半徑為a，激光波長(zhǎng)為λ，有：a=1.22λf/D。因此，測(cè)定或研究艾里斑可以精密測(cè)量或分析微小內(nèi)孔的尺寸。激光衍射測(cè)量方法2在實(shí)際應(yīng)用中，基于單縫衍射的各種測(cè)量方法大都是根據(jù)公式b=kLλ/xk,基于圓孔衍射的測(cè)量方法是根據(jù)公式a=1.22λf/D，通過測(cè)量單縫衍射暗條紋之間的距離或者艾里斑第一暗環(huán)的直徑來確定被測(cè)量。根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象，測(cè)量方法主要有以下幾種。間隙測(cè)量法間隙測(cè)量法是基于單縫衍射的原理，是衍射測(cè)量的基本方法，主要用于以下幾個(gè)方面。1)作尺寸的比較測(cè)量，如下圖(a)所示，采用相對(duì)測(cè)量方法，先用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的工件相對(duì)參考邊的間隙作為零位，然后放上被測(cè)工件，測(cè)定間隙的變化量而推算出工件尺寸。激光衍射測(cè)量方法2間隙測(cè)量法2)作工件形狀的輪廓測(cè)量，如下圖(b)所示。轉(zhuǎn)動(dòng)工件，由間隙變化得到工件輪廓相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)輪廓的偏差。3)作應(yīng)變傳感器使用，如下圖(c)所示。當(dāng)試件上加載力P時(shí)，將引起單縫的尺寸變化，從而可以用衍射條紋的變化來得到應(yīng)變量。激光衍射測(cè)量方法2間隙測(cè)量法下圖是間隙測(cè)量法的基本裝置。激光器1發(fā)出的光束，經(jīng)柱面擴(kuò)束透鏡組2形成一個(gè)激光亮帶，并以平行光的方式照明由工件3和參考物4組成的狹縫；5是成像透鏡；6是觀察屏，在實(shí)際應(yīng)用中用光電探測(cè)器代替，如線陣CCD；7是微動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于衍射條紋的調(diào)零或定位。激光衍射測(cè)量方法2間隙測(cè)量法間隙測(cè)量法可以按照b=kLλ/xk進(jìn)行，通過測(cè)量xk來計(jì)算b。用間隙測(cè)量法測(cè)量位移時(shí)，即測(cè)量狹縫寬度b和改變量δ=b’-b，可以采用兩種方法。(1)絕對(duì)法在這種情況下，只需將變化前后的兩個(gè)縫寬b和b’求出，然后相減(2)增量法：其測(cè)量公式表示為：激光衍射測(cè)量方法2激光衍射測(cè)量方法2間隙測(cè)量法激光衍射測(cè)量方法2反射衍射測(cè)量法反射衍射法是利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測(cè)量。下圖所示為反射衍射法的原理圖。狹縫由棱緣A與反射鏡3組成。反射鏡的作用是以形成A的像A’。這時(shí)，相當(dāng)于以θ入射，縫寬為2b的單縫衍射。顯然，若在P處出現(xiàn)第K級(jí)暗條紋，則第K個(gè)暗條紋滿足下列條件：激光衍射測(cè)量方法2反射衍射測(cè)量法將上式展開進(jìn)行三角運(yùn)算得到：在上式中，θ一般是任意的，測(cè)得某一θ位置的兩個(gè)xk值代入后，聯(lián)立解出θ值和b值。反射衍射技術(shù)主要應(yīng)用在表面質(zhì)量評(píng)價(jià)、直線性測(cè)定、間隙測(cè)定等。下圖所示是反射衍射法測(cè)量的實(shí)例。激光衍射測(cè)量方法2反射衍射測(cè)量法激光衍射測(cè)量方法2分離間隙法在實(shí)際測(cè)量中，常會(huì)遇到組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)，即存在一個(gè)間隔z。此時(shí)衍射圖形出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。利用參考物和試件不在一個(gè)平面內(nèi)所形成的衍射條紋進(jìn)行精密測(cè)量的方法稱為分離間隙法。激光衍射測(cè)量方法2分離間隙法激光衍射測(cè)量方法2分離間隙法左圖所示為用分離間隙法測(cè)量折射率或液體變化的原理圖。此裝置中，1是玻璃棒(直徑約為2~3mm)，當(dāng)用一束激光通過其直徑照射時(shí)，產(chǎn)生一條狹窄的亮帶照射被測(cè)試件2上。3，4是一對(duì)狹縫，用分離間隙法形成衍射條紋。衍射條紋由透鏡5成像在光電探測(cè)器件6上，并進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)變換試件2或改變2中的液體時(shí)，衍射條紋的位置就靈敏地反映了折射率或折射率的變化。激光衍射測(cè)量方法2互補(bǔ)測(cè)量法激光衍射互補(bǔ)測(cè)量法的原理是基于巴俾涅(Babinet)定理。圖3-13中D1和D2是兩個(gè)互補(bǔ)衍射屏，用平面光波照射兩個(gè)屏?xí)r，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強(qiáng)完全相同，僅位相差為π，即亮條紋的位置和暗條紋的位置相反，這就是Babinet互補(bǔ)定理。激光衍射測(cè)量方法2互補(bǔ)測(cè)量法激光衍射測(cè)量方法2艾里斑測(cè)量法艾里斑測(cè)量法是基于圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射原理。下圖為用艾里斑測(cè)量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。測(cè)量?jī)x器和被測(cè)件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以保證每個(gè)孔順序通過激光束。通常不同的噴絲頭，其孔的直徑約為10~90μm范圍之內(nèi)。由激光器1發(fā)出的激光束，照射到被測(cè)孔2上，通過孔以后的衍射光束由分光鏡3分成兩部分，分別照射到光電接收器5和7上。兩接收器分別將照射在其上的衍射圖案4、6的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到電壓比較器8。激光衍射測(cè)量方法2通過微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量，可以認(rèn)為不隨孔的微小變化而變化，但是明暗條紋的強(qiáng)度分布（分布面積）是隨孔徑的變化而急劇改變的。因而，在衍射圖上任何給定半徑內(nèi)的光強(qiáng)度，即所包含的能量，是隨激光束通過孔的直徑變化而顯著變化的。因此，需設(shè)計(jì)使光電接收器5接收被分光鏡反射的衍射圖的全部能量，因而它所產(chǎn)生的電壓幅度可以作為不隨孔徑變化的參考量。在實(shí)際上，中心亮斑和前四個(gè)亮環(huán)即已基本上包含了全部能量，所以光電接收