激光測量技術(shù)第六章激光其他測量技術(shù)

激光測量技術(shù)第六章激光其他測量技術(shù)2006年3月6日星期一第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一第六章激光的其他測量技術(shù)本章主要內(nèi)容:

第一節(jié)激光多普勒(Doppler)測速技術(shù)一、多普勒測速原理二、激光多普勒測速儀的組成二、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用四、多普勒全場測速技術(shù)第二節(jié)激光掃描測徑技術(shù)一、轉(zhuǎn)鏡掃描測徑二、音又擰描測徑三、掃描鏡電流計測徑四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)第三節(jié)激光測距技術(shù)一、激光相位測距二、脈沖激光測距第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一第一節(jié)激光多普勒(Doppler)測速技術(shù)1842年Doppler發(fā)現(xiàn):

任何形式的波傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運動，會使頻率發(fā)生變化，即所謂的多普勒頻移。1964年，Yeh和Cummins首次觀察到水流中粒子的散射光有頻移，證實了可用激光多普勒頻移技術(shù)來確定粒子流動速度。激光多普勒頻移技術(shù)應(yīng)用:

流體力學、空氣動力學、燃燒學、生物醫(yī)學以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測量。第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一

一、多普勒測速原理激光多普勒側(cè)速術(shù)(LDV)的工作原理:

基于運動物體散射光線的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)引起多普勒頻移的原因:a波源或者接收器的移動

b波傳輸通道中的物體運動產(chǎn)生對于a種情況:

第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一b波傳輸通道中的物體運動產(chǎn)生這種情況是LDV的基本測速原理從p點看:從U處看:因為:第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一b波傳輸通道中的物體運動產(chǎn)生如果接收散射光和光源人射光之間的夾角為θ，則式(6-7)可以寫為或從6-8式知,測出頻移即可以計算出移動速度來由于光頻率極高,一般采用在實際測量中，多采用光外差多普勒測速技術(shù)，即把人射光和散射光同時送到光接收器上，由光電器件的平方律檢波特性，在它們的輸出電流中只包含兩束光的差頻部分，這樣能接收到由于粒子的運動速度所引起的光頻微小變化。第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、激光多普勒測速儀的組成激光多普勒測速儀(LaserDopplerVelocimeterLDV)組成:

激光器、光學系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、激光多普勒測速儀的組成(一)激光器

多普勒頻移相對光源波動頻率來說變化很小，因此，必須用頻帶窄及能量集中的激光作光源。為便于連續(xù)工作，通常使用氣體激光器.如He-Ne激光器:功率較小，適用于流速較低或者被測粒子較 大的情況氬離子激光器:功率較大，信號較強，用得最廣。

(二)光學系統(tǒng)LDV按光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，可分為:

雙散射型、參考光束型和單光束型三種光路。參考光束型和單光束型LDV在使用和調(diào)整方面條件要求苛刻，一般不采用。常用雙散射型第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、激光多普勒測速儀的組成A單光束型

特點:測量速度高,適合超音速測量,調(diào)整麻煩,測量結(jié)果與角度有關(guān)第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、激光多普勒測速儀的組成B、參考光束型第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、激光多普勒測速儀的組成C、雙散射型特點：散射光的頻差與光電探測器的方向無關(guān)。使用時不受現(xiàn)場條件的限制，可在任意方向測量，且可使用大口徑的接收透鏡，粒子散射的光能量極大地得到利用，信噪比高。進人光電探測器的散射光來自兩束具有同樣強度的光線的交點，它對所有尺寸的散射微粒都發(fā)生高效率的拍頻作用。避免了信號的“脫落”現(xiàn)象。調(diào)整時只需根據(jù)兩束光交點處干涉條紋的清晰度進行調(diào)整，使用很方便。第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(三)信號處理系統(tǒng)激光多普勒信號非常復(fù)雜：由于流速起伏，所以頻率在一定范圍內(nèi)起伏變化，是一個變頻信號。因粒子的尺寸及濃度不同，散射光強發(fā)生變化，則頻移的幅值也按一定的規(guī)律變化。粒子是離散的，每個粒子通過測量區(qū)又是隨機的，故波形有斷續(xù)且隨機變化。光學系統(tǒng)、光電探測器及電子線路存在噪聲，加上外界環(huán)境因素的千擾，使信號中伴隨許多噪聲。 信號處理系統(tǒng)的任務(wù)是從這些復(fù)雜的信號中提取那些反映流速的真實信息，傳統(tǒng)的測頻儀很難滿足要求。第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(三)信號處理系統(tǒng)多普勒信號處理方法主要有:

頻譜分析法、頻率跟蹤法、頻率計數(shù)法、濾波器組分析法、光子計數(shù)相關(guān)法掃描干涉法等。1）頻率跟蹤法第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(三)信號處理系統(tǒng)1）頻率計數(shù)法原理:計算n個脈沖的時間,計算出多普勒頻移的平均周期,從而計算出頻移,n為設(shè)定的脈沖數(shù)目,N為時鐘數(shù)目,T為時鐘周期第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一三、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用激光多普勒測速儀(LDV)特點:具有非接觸測量不干擾測量對象測量裝置可遠離被測物體應(yīng)用:

生物醫(yī)學流體力學空氣動力學燃燒學等領(lǐng)域第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一三、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用1)血液流動/定位第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一三、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用2)管道內(nèi)流體的測量第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一

四、多普勒全場測速技術(shù)LDV是對流場中的某一固定點進行測量，如要做全場測量，則需逐點掃描，故只限于變化較小的流動，不能用于非定量流多普勒全場測速技術(shù)(DopplerGlobalVelometerDGV)，可對流體做全場測量，對粒子的選擇、播發(fā)沒有嚴格的要求，特別適合于氣流測量。1）DGV原理利用了某些物質(zhì)的選擇吸收特性，把多普勒頻移轉(zhuǎn)換成光的強度，通過視頻相機拍攝后進行處理，獲得全場的速度信息，從而實現(xiàn)全場、實時及三維測量。第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一1）DGV原理分子碘、溴蒸氣或堿蒸氣是最合適的吸收物質(zhì)，它們的原子和分子有很多吸收線能匹配現(xiàn)有的激光頻率，氫粒子激光的514.5nm譜線在碘吸收線的近旁，YAG激光倍頻后的532.0nm譜線與碘及嗅相配。一般工作在f1-f2段，中心頻率fi處于激光器的中心頻率附近，f1-f2的帶寬約為600MHz。由于不同頻率對應(yīng)不同的透過率，這樣把頻率變化轉(zhuǎn)化為光強的大小第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一1）DGV原理將分子蒸氣灌注在一個密封容器中，并保持恒溫，如把緩沖氣體加進分子蒸氣室中，可增加吸收區(qū)以擴寬頻率范圍。由于從不同方向人射于分子蒸氣的光線互不干擾，故可對整個視場各點同時進行測量。此分子室成為一個分析器，或稱做鑒頻器，它是本技術(shù)的一個關(guān)鍵部件。光線經(jīng)過鑒頻器后,轉(zhuǎn)化為光強分布術(shù)的一個關(guān)鍵部件。用一臺視頻相機(如CCD攝像機)對被光屏照明的物面進行拍攝，記錄由該物面散射并透過鑒頻器后的光線。視頻信號采集后送人計算機進行分析處理，得到實時的全場定量速度值。第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一1）DGV原理3D速度測量:需要三套測量裝置,不同放置來建立方程獲得2.測量裝置第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一2.測量裝置測量過程:1)t=CCD1/CCD2求出每一點的透射率設(shè)3分光鏡的透射率為t1,光強為I,

則CCD1路的光強為：I/（1+t1）

CCD2路的光強為：I*t1/（1+t1）

6濾光片的透射率為tf5鑒頻器的透射率為T(f)CCD的轉(zhuǎn)化效率為a

則CCD1和2的輸出電壓分別為

第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一測量過程:2)由t查表查出每一點的頻率f已知t=F(f)3)求出每一點的頻移Δf=f-f04)求出每一點的速度:Δf=V﹒

(U-K)/λ第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一DGV注意事項由于兩CCD要求像面完全重合,光程應(yīng)該盡量一致測量為CCD1與CCD2輸出電壓的比值,因此兩CCD參數(shù)盡量一致,其物理參數(shù)盡量一致的同時,曝光時間、采樣間隔應(yīng)嚴格同步由于求頻率是由鑒頻器的特性決定,鑒頻器應(yīng)該恒壓\恒溫措施第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一

第二節(jié)激光掃描測徑技術(shù)激光掃描測量直徑是1972年Zygo公司發(fā)展起來的一種技術(shù)，有人稱之為LaserTele-metricsystem，有人稱之為LasershadowGauge近在工件外形尺寸測量中得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用最多的是側(cè)量線材直徑。其原理:

用一束平行光以恒定的速度掃描線材，并由放在線材對面的光電接收器接收，投射到光電接收器上的光線在光束掃描線材時被遮斷，所以光電接收器輸出的是一個方波脈沖，脈沖寬度與線材直徑成正比。第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一一、轉(zhuǎn)鏡掃描測徑第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一一、轉(zhuǎn)鏡掃描測徑

設(shè)晶體的振蕩頻率為V，，電機轉(zhuǎn)速為n，多面體的面數(shù)為N，透鏡焦距為f’，通光孔徑為D，被測件掃描的平均次數(shù)為m，則電機轉(zhuǎn)動的角速度ω=2πn反射光束轉(zhuǎn)動的角速2ω線速度:V掃=f’*2ω=4

πnf’一個計數(shù)脈沖對應(yīng)的間距為:δ=V掃*1/V=4

πnf’/Vd直徑對應(yīng)的脈沖數(shù):A=d/δ=dV/4

πnf’所以:d=4

πnf’A/V從公式上看:V越大,分辨率越高,f’越小分辨率越高第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一1.轉(zhuǎn)鏡掃描測徑儀的組成轉(zhuǎn)鏡掃描測徑儀由三部分組成:

測量頭、數(shù)字顯示裝置以及電源。測量頭由激光器、同步電機、多面體反射鏡、光學系統(tǒng)和光電管等組成一個整體。根據(jù)被側(cè)件情況，必須相應(yīng)考慮冷卻、通風及防塵等措施。數(shù)字顯示裝置可以顯示被測件直徑的絕對值或偏差值。電源部分包括氦氖激光電源和同步電機專用電源。 轉(zhuǎn)鏡掃描側(cè)徑儀通常用于直徑較大的線材直徑側(cè)量。根據(jù)不同參數(shù)的測量頭，可測直徑為0.5---30mm。儀器可以設(shè)計成同時測量水平、垂直兩個方向的直徑，以便獲得被測件的橢圓度。第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一2.大直徑的測量第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、音叉掃描測徑對于線徑在0.5mm以下的物體，由于線徑小，掃描區(qū)間窄，掃描鏡不需要大幅度的轉(zhuǎn)動，因此可以采用音叉或電流計等作為鏡偏轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置。音叉掃描測徑方法適合于測量線徑60一200um的金屬絲或光導纖維，(當絲無橫向運動時可達500um左右)測量精度為1%。第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、音叉掃描測徑1.原理圖第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、音叉掃描測徑設(shè)掃描光點的運動方程為:

光點在掃描方向橫切細線兩側(cè)的時間為t1和t2,坐標為S1和S2，則

如果參考信號的運動方程為:

第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一二、音叉掃描測徑在t1和t2時所截取的電壓分別是電壓差:第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一三、掃描鏡電流計測徑第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)影響激光掃描測量精度的主要因素：

工件邊緣的衍射現(xiàn)象。衍射使被測工件的邊界模糊，用時間脈沖計數(shù)時，必然引人誤差，使前述的光點掃描測量精度限制在士0.01mm。位相調(diào)制掃描測量技術(shù)采用空間調(diào)制光束來掃描工件，通過測量位相，而不是測時間來獲得被測件的尺寸，測量精度可達士1um，適合于各種高溫、高壓下做非接觸高精度現(xiàn)場測量。第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)設(shè)PBS分開的兩束光的光強相等，則掃描光①、②、③之間的光強I1,I2.I3，有如下關(guān)系:若Pockels調(diào)制器的振蕩頻率為。，由圖6-18可知，光束①+③是(I1+I3)(1+sinwt)。而光束②的方程是I2(1-sinwt)。對任意時刻，調(diào)制掃描光束的表達式為第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)1當光束③與工件相遇時為a區(qū)，掃描光束掃過工件后為a‘區(qū)2當工件邊緣開始擋住光束③或①時，這時為b區(qū)和b'區(qū)3當工件邊緣開始擋住光束②到全部擋住光束②時2和3的信號正好相差pi第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一

第三節(jié)激光測距技術(shù)常用的測距技術(shù):

雷達/無線電測距時間回波超聲測距回波相位激光測距無導軌測距:

短程:

合成波長半導體激光調(diào)頻測距遠距離(幾千米)測量的技術(shù):

激光相位測距 脈沖激光測距第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一一、激光相位測距(一)激光相位測距原理·

相位測距是通過對光的強度進行調(diào)制來實現(xiàn)的。波的傳播方程若測量出某一時刻的相位，則測出波通過的距離第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一一、激光相位測距為方便測量出相位變化，一般采用反射式。L=λ/2（m+Δm)實際上：

1.cos為2π周期的函數(shù)，不能直接測出m的變化量

2.一般的檢相電路,只能檢出0-2π之間的相位變化

3.激光頻率高達1014一般技術(shù)難以檢測;即使能檢測,波長很短無太多使用價值第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(一)激光相位測距原理

相位測量技術(shù)只能測量出不足2π的相位尾數(shù)△φ

，即只能確定余數(shù)△m=△φ/2

π，而不能確定相位的整周期數(shù)m。因此，當被測距離L大于Ls時，用一把光尺是無法測定距離的。當距離小于Ls時，即m=0時，可確定距離所以:一般采用調(diào)制技術(shù),變相增大測量范圍,即增大波長 為能實現(xiàn)長距高精度測量，可同時使用L。不同的幾把光尺。最短的尺用于保證必要的測距精度，最長的尺用于保證測距儀的量程。目前，采用的測距技術(shù)主要有直接測尺頻率和間接測尺頻率兩種。第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(二)激光相位測距技術(shù)1.直接測尺頻率由測尺量度Ls。可得光尺的調(diào)制頻率這種方法所選定的測尺頻率fs直接和測尺長度Ls相對應(yīng)，即測尺長度直接由測尺頻率決定，所以這種方式稱為直接測尺頻率方式。直接測尺頻率一般應(yīng)用于短程測距第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一2.間接測尺頻率(合成波長)間接測尺頻率法測距的基本原理:即通過測量fs1和fs2頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測定相應(yīng)的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把fs1和fs2稱為間接側(cè)尺頻率，而把差頻頻率稱為相當側(cè)尺頻率。36和37式分別乘fs2fs1相減得式中：第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(三)相位測量技術(shù)第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一(三)相位測量技術(shù)第47頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2006年3月6日星期一

二、脈沖激光測距脈沖激光測距是利用激光脈沖連續(xù)時間極短、能量在時間上相對集中、瞬時功率很大(一般可達兆瓦級)的特點，有靶標的情況下，脈沖激光測量可達極遠的測程。在進行