1、一、一、干涉测长的基本原理干涉测长的基本原理1.激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,如图如图,用干涉条纹来反映被测量的信息。两束光的光用干涉条纹来反映被测量的信息。两束光的光程差可以表示为程差可以表示为 jMJjNiiilnln112.被测长度与干涉条纹变化的次数和干涉仪所用光源被测长度与干涉条纹变化的次数和干涉仪所用光源波长之间的关系是波长之间的关系是 3.从测量方程出从测量方程出发可以对激光干发可以对激光干涉测长系统进行涉测长系统进行基本误差分析基本误差分析 NLNNLL即 9.19.1激光干涉测长激光干涉测长2NL 二、二、激光干涉测长系
2、统的组成激光干涉测长系统的组成1.除了迈克尔逊干涉仪以外，激光干涉测长系统除了迈克尔逊干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源，可移动平台，光电显微镜，光电还包括激光光源，可移动平台，光电显微镜，光电计数器和显示记录装置。计数器和显示记录装置。2.迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。3.干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法。振幅法和分偏振法。分振幅平行平板分光器和立方棱镜分光器分振幅
3、平行平板分光器和立方棱镜分光器 偏振分光器偏振分光器(由晶轴正交的偏光棱镜组成如沃拉斯由晶轴正交的偏光棱镜组成如沃拉斯顿棱镜顿棱镜)。4.干涉仪中常用的反射器件干涉仪中常用的反射器件:平面反射器平面反射器、角角锥棱镜反射器锥棱镜反射器、直角棱镜反射器直角棱镜反射器、猫眼反射器猫眼反射器.5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局。器的光路布局。6.移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。膜移相和
4、偏振法移相。机械法移相原理图机械法移相原理图7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差/2的干涉条纹的光强信号，该信号经放大，整形，的干涉条纹的光强信号，该信号经放大，整形，倒向及微分等处理倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差可以获得四个相位依次相差/2的脉冲信号。的脉冲信号。判向计数原理框图三、三、激光外差干涉测长技术激光外差干涉测长技术1.外差干涉仪外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，干涉的载波，使被测信号通过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的仪能够采用
5、交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。利用该技术的干涉仪就为外差干直流电平漂移。利用该技术的干涉仪就为外差干涉仪涉仪,或交流干涉仪或交流干涉仪.2.产生干涉仪载波信号的方法有两种即产生干涉仪载波信号的方法有两种即:3.双频激光干涉仪双频激光干涉仪的光路如图，其中的光路如图，其中氦氖激光器上沿轴氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由向施加以磁场，由于塞曼效应激光被于塞曼效应激光被分裂成有一定频率分裂成有一定频率差的左旋偏振光差的左旋偏振光f f1 1和和右旋偏振光右旋偏振光f f2 2 光外差干涉光外差干涉准外差干涉准外差干涉4.测量反射镜运动产生的多普勒频移为测量反射镜运动产生的多普勒频移为
6、 cD225.测量镜的位移量的计算测量镜的位移量的计算 NdtdtdtLtttD222000四、四、激光干涉测长应用举例激光干涉测长应用举例1.激光测角的原理与小角度干涉仪类似激光测角的原理与小角度干涉仪类似,都是采都是采用三角测量原理。用三角测量原理。被测的转角为：被测的转角为：RdtRLtDD2arcsinarcsin021激光测角原理示意图激光测角原理示意图1:偏振分光棱镜组；偏振分光棱镜组；2:角锥棱镜组；角锥棱镜组；3,3:检偏器；检偏器；4,4:光电接收光电接收器；器；5,5:放大器；放大器；6:倍频和计数卡；倍频和计数卡；7:计算机计算机 双频激光干涉仪测量空气折射率双频激光干涉
7、仪测量空气折射率1:偏振分光棱镜；偏振分光棱镜；2:分光器；分光器；3:波片；波片；4:真空室；真空室；5:抽气口；抽气口；6:角锥棱镜；角锥棱镜；7:检偏器；检偏器；8:光电接收器；光电接收器；9:补偿环补偿环2.激光测折射率也利用双频激光干涉技术激光测折射率也利用双频激光干涉技术一、激光衍射测量原理一、激光衍射测量原理1.光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场即衍射场)之间的位置关系一般分为两种类型：菲之间的位置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射涅耳衍射和夫琅和费衍射 2.单缝衍射测量单缝衍射测量 单缝衍射测量的原理单缝衍
8、射测量的原理：激光单缝衍射测量的基本激光单缝衍射测量的基本原理是单缝夫琅和费衍射，原理如图。条纹的光强原理是单缝夫琅和费衍射，原理如图。条纹的光强可表示为可表示为：衍射测量原理图衍射测量原理图220sinII 单缝衍射测量的基本公式单缝衍射测量的基本公式:kxkLb9.29.2激光衍射测长激光衍射测长0011kkxxkLbb单缝衍射测量的分辨力、精度和量程单缝衍射测量的分辨力、精度和量程:kLbdxdbtk22222kkkkxxkLLxkxkLb当被测物体尺寸改变当被测物体尺寸改变时，相当于狭缝尺寸改时，相当于狭缝尺寸改变变，衍射条纹的位置也随之改变，衍射条纹的位置也随之改变,可得可得3.圆孔
9、衍射测量圆孔衍射测量 如图为圆孔的夫琅和如图为圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分上衍射条纹的光强分布为布为 210)(2xxJIIP圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图中心亮斑直径为中心亮斑直径为afd22.1二、激光衍射测量的方法二、激光衍射测量的方法1.间隙测量法间隙测量法 其基于单缝衍射的原理。其基于单缝衍射的原理。间隙测量法的应用间隙测量法的应用用间隙测量法测量位移用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度即测量狭缝宽度b b的改变量的改变量=b-b=b-b,可采用绝对法可采用绝对法,求出变化前后的两个缝宽求出变化前后的两个缝宽b b和和b
10、 b，然后相减。也可以用，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为增量法。后者所用公式为 sinsin)(sinsinNkkkkbb2.反射衍射测量法 反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭缝来进行狭缝来进行衍射测量的。衍射测量的。反射衍射法原理图反射衍射法原理图在在P P点处出现第点处出现第k k级暗条纹的光程差应满足级暗条纹的光程差应满足 ：在该图的几何关系下在该图的几何关系下缝宽可以表示为缝宽可以表示为 kbbsin2sin2sin2cos2LxxkLbkk3.分离间隙法 利用参考物与被测物不在同一平面内情况下所利用参考物与被测物不在同一平面内
11、情况下所形成的衍射条纹进行精密测量的方法称为分离间形成的衍射条纹进行精密测量的方法称为分离间隙法。测量原理如图。隙法。测量原理如图。图图6-13 分离间隙法原理分离间隙法原理图图测量出正负不同级次测量出正负不同级次k k1 1和和k k2 2上上的暗条纹的位置的暗条纹的位置 和和 即可即可由下式计算出狭缝宽度和间隔由下式计算出狭缝宽度和间隔 1kx2kxLzxxLkLzxxLkbkkkk222221114.互补测量法 激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅定理。激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅定理。巴比涅互补衍射屏巴比涅互补衍射屏5.爱里斑测量法 基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测基于圆孔夫
12、朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量法。通常用爱里斑中归一化光强的大小的测量来量法。通常用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确定被测孔的直径。确定被测孔的直径。下图是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加下图是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。工中的喷丝头孔径的原理图。喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图 三、三、激光衍射测量的应用激光衍射测量的应用1.薄膜材料表面涂层厚度测量 薄膜材料表面涂层厚度测量是使用分离间隙法，薄膜材料表面涂层厚度测量是使用分离间隙法，原理如图。原理如图。薄膜材料表面涂层厚度测量薄膜材料表面涂层厚度测量2.薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金
13、属薄钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带带(一般宽度在一般宽度在1 1毫米毫米)以下，均可利用激光衍射互补以下，均可利用激光衍射互补测量法进行测量。在测量时要求薄带相对激光束的测量法进行测量。在测量时要求薄带相对激光束的光轴有准确的定位，否则将引起测量误差。下图是光轴有准确的定位，否则将引起测量误差。下图是薄带宽度测量原理图。薄带宽度测量原理图。薄带宽度测量原理图一、一、激光脉冲测距激光脉冲测距1.激光脉冲测距原理激光脉冲测距原理 原理原理:通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返回的激光脉冲控制计时器关门，测量出激光光束在回的激光脉冲控制计时器关门
14、，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时间完成测距的。其计算公待测距离上往返传播的时间完成测距的。其计算公式为：式为：ctd212.激光脉冲测距仪的结构 测距仪的简化结构如图。测距仪的简化结构如图。激光脉冲测距仪的简化结构激光脉冲测距仪的简化结构3.测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应具有足够的强度。光脉冲应具有足够的强度。光脉冲的方向性要好。光脉冲的方向性要好。光脉冲的单色性要好。光脉冲的单色性要好。9.3 9.3 激光测距激光测距光脉冲的宽度要窄。光脉冲的宽度要窄。4.激光巨脉冲的产生 脉冲计数原理方框图5.距离显示 脉冲测距中脉冲在测程上往返时间极短，所以通脉冲测距中脉冲在测程上往返时间极短，
15、所以通常是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时。常是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时。上图就是这种设备的方框图。上图就是这种设备的方框图。二、二、激光相位测距激光相位测距1.激光相位测距原理 原理原理:通过测定连续通过测定连续的调制激光在待测距离的调制激光在待测距离d d上往返的相位差上往返的相位差来来间接测量传播时间。间接测量传播时间。激光测距仪原理方框图光波每传播波长光波每传播波长 的一段距离，位相就变化的一段距离，位相就变化2。所以距离所以距离d、光波往返位相差、光波往返位相差 和光波波长和光波波长 之间之间的关系为：的关系为：)2(2222NLddsLNs且令调制当距离当距
16、离d大于测尺长大于测尺长Ls时，仅用一把光波测尺是无时，仅用一把光波测尺是无法测定距离的。但是，当法测定距离的。但是，当d小于小于Ls时，时，20sLdN2.分散的直接测尺频率和集中的间接测尺频率 一定的测尺长度一定的测尺长度Ls，相应于一定的测尺频率，相应于一定的测尺频率 s，它们之间的关系是它们之间的关系是:ssLc2分散的直接测尺频率方式选定的测尺频率分散的直接测尺频率方式选定的测尺频率 s是是直接和测尺长度直接和测尺长度Ls是相对应的。例如选用两把测是相对应的。例如选用两把测尺尺Lsb10m、Lsl1000m，则相应选用的测尺，则相应选用的测尺频率为频率为MHzLcsbsb152kHz
17、Lcslsl1502集中的间接测尺频率方式是采用一组数值接近的调集中的间接测尺频率方式是采用一组数值接近的调制频率，间接获得各个测尺的一种方法。假定我们用制频率，间接获得各个测尺的一种方法。假定我们用两个频率为两个频率为 s1和和 s2的光波分别测量同一距离的光波分别测量同一距离d，则有：，则有：)2(111NLds)2(222NLds)22()(21211221NNLLLLdssss令：令：21211221并且，NNNLLLLLsssss误差误差1m1m误差误差1cm1cm则有：则有：)2(NLds式中式中Ls可以认定一个新的测尺长度，可以认定一个新的测尺长度，其相应的测尺频率为其相应的测尺
18、频率为:21211221)11(222ssssssssssLLcLLLLcLc 式中的式中的正是用正是用 s1和和 s2的差额的差额 s s1 s2的光的光波测量距离波测量距离d时所得到的位相尾数，由上式知时所得到的位相尾数，由上式知正好正好等于用频率为等于用频率为 s1和和 s2的光波测量的光波测量d时得到的位相尾时得到的位相尾数之差数之差1 2。3.相位差的测量相位差的测量 差频测相原理如图中的电差频测相原理如图中的电路部分。设主振信号为路部分。设主振信号为 02costAedd该信号发射到外光路经过一定距离的传播后相该信号发射到外光路经过一定距离的传播后相位变化了位变化了 ，该信号被光电
19、接收放大后变为，该信号被光电接收放大后变为 设本振信号为设本振信号为 输送到参考混频器与输送到参考混频器与 和和 混频，在混频器的输出混频，在混频器的输出端分别得到差频参考信号和测距信号分别为：端分别得到差频参考信号和测距信号分别为：经过差频后的低频信号输入相位差经过差频后的低频信号输入相位差计进行比较就可以检测出相位差。计进行比较就可以检测出相位差。mmdmstBe02costCell2cosdemse02costDeldrmldmtEe02cos一、激光准直仪一、激光准直仪1.激光准直仪的原理和结构激光准直仪的原理和结构 激光束横截面上的光强分布是激光束横截面上的光强分布是“高斯分布高斯分
20、布”，光，光束的能量大部分集中在有效半径为束的能量大部分集中在有效半径为 的截面内。的截面内。由于中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构由于中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构成一条理想的准直基准线。成一条理想的准直基准线。0z TEM00光束远场发散角光束远场发散角2 的公式为：的公式为：02200001)(22zzz为了便于控制和提高对准为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直仪精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准，都采用光电探测器来对准，因此准直仪的基本组成有因此准直仪的基本组成有如下几个部分。如下几个部分。激光准直仪的基本组成方框图激光准直仪的基本组成方框图9.4 9.
21、4 激光准直及多自由度的测量激光准直及多自由度的测量2.发射光学系统 激光准直仪的发射光学系统是一个倒置的望远激光准直仪的发射光学系统是一个倒置的望远镜，如图。镜，如图。如果如果 ，分别为高斯光束入射和出射该望远系分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的统的光束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为发散角压缩比为 ，则有，则有 激光准直仪光学系统结构示意图激光准直仪光学系统结构示意图12222122M0MM 根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知,一个直径为一个直径为D的圆孔所造成的衍射角的圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的
22、一半即光束发散角的一半)为为 D22.10由于衍射效应由于衍射效应,出射出射光束发散角还与物镜孔径有关光束发散角还与物镜孔径有关.3.光电目标靶 激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光电激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光电探测器，如图。探测器，如图。四象限光电探测器原理图四象限光电探测器原理图下图是激光准直仪测量机床导轨不直度的示意图。下图是激光准直仪测量机床导轨不直度的示意图。4.激光准直测量的应用举例：不直度的测量激光准直测量的应用举例：不直度的测量 机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图二、激光衍射准直仪二、激光衍射准直仪1.利用激光的单色性
23、，让激光束通过一定图案利用激光的单色性，让激光束通过一定图案的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激光衍射准直仪。光衍射准直仪。激光衍射准直仪的原理结构图激光衍射准直仪的原理结构图2.波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片三、激光多自由度测量三、激光多自由度测量1.四自由度测量系统 中心孔式；中心孔式；分光式分光式；反射式反射式 四自由度测量系统的典型结构四自由度测量系统的典型结构2.五自由度和六自由度测量系统五自由度和六自由度测量系统
24、五自由度和六自由度的测量，五自由度和六自由度的测量，美国密西根大学研究了一美国密西根大学研究了一种光学测量系统，可同时测种光学测量系统，可同时测量机床五维几何误差。量机床五维几何误差。五自由度测量原理示意图五自由度测量原理示意图日本日本Nihon大学和大学和Sophia大学研究了一种用于大学研究了一种用于同时测量机床工作台六自由度误差的光学测量同时测量机床工作台六自由度误差的光学测量系统。系统。同时测量机床六自由度偏差的原理图同时测量机床六自由度偏差的原理图.5.5 激光多普勒测速激光多普勒测速1.运动微粒上接收到的光源入射光的频率运动微粒上接收到的光源入射光的频率 2.静止接收器上接收到的运
25、动微粒散射光的频率静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率 如图，静止光源如图，静止光源O发出一束频率为的单色光，发出一束频率为的单色光，该单色光入射到与被测流体一起运动该单色光入射到与被测流体一起运动(速度为速度为 )的的微粒微粒Q上，微粒上，微粒Q接收到的光的频率是接收到的光的频率是 i)1()-1(ceceiiiiQ一、运动微粒散射光的频率一、运动微粒散射光的频率S S处接收到的散射光的频率应为处接收到的散射光的频率应为S处接收到的微粒处接收到的微粒Q散射散射光光 的频率的频率siisisiisQseeccecece)()1)(1()1(二、差频法测速二、差频法测速1.参考光束型多普勒测
26、速参考光束型多普勒测速 如图为参考光束型测速方法的光路原理图。如图为参考光束型测速方法的光路原理图。设设 和和 分别表示参考光和散射光的电矢量分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值的瞬时值 则则 tEi tES iiiitjEtE2exp SSSStjEtE2exp合成光强合成光强I I应正比于合成电矢量的模平方，由四项应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成组成 SiSiSiSiSiSiSiSitjEEtjEEtEtEtEtEI2exp 2exp222光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为 光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，光电倍增管输出的光电流
27、正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为用复指数函数的实部表达它的规律为 SiSiSitjEEII2exp0SiDmtIIi2cos0多普勒频移为多普勒频移为 iisisDeec)(2sin22sin2)(cuueeueeiDisis若入射光在真空中的波长为若入射光在真空中的波长为 i，则有，则有2sin22sin22sin2DiiiDuccucu2.双散射光束型多普勒测速双散射光束型多普勒测速 双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。的流
28、速的。双散射光束型多普勒测速光学系统双散射光束型多普勒测速光学系统2sin22sin2)()()(122211DsiiDsiiiDsiisisiisisuueeceeceec或应用前面的推导1.血液流速的测量 三、三、激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速技术的应用下图是激光多普勒显微镜光路图下图是激光多普勒显微镜光路图 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图如图是光纤多普勒测速仪原理图如图是光纤多普勒测速仪原理图 2.管道内水流的测量 下图是测量圆管或矩形管内水流速度分布的多普下图是测量圆管或矩形管内水流速度分布的多普勒测量系统原理图，采用的
29、是最典型的双散射型测勒测量系统原理图，采用的是最典型的双散射型测量光路。量光路。测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图.6.6 环形激光测量角度和角加速度环形激光测量角度和角加速度1.Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的环形干涉仪的sagnacsagnac效应如图效应如图,干涉仪不动时，干涉仪不动时，顺时针和反时针传播一周所需时间相同，即顺时针和反时针传播一周所需时间相同，即环形干涉仪的环形干涉仪的Sagnac 效应效应cLt 一、环形激光精密测角一、环形激光精密测角当干涉仪转动时（转速当干涉仪转动时（转速 ），），对于随着干涉仪
30、转动的观察者来说，对于随着干涉仪转动的观察者来说，两束光（顺时针和反时针）传播的两束光（顺时针和反时针）传播的时间分别为时间分别为 0l drccLl drcl dctcw22111l drccLtccw21二者之差为二者之差为 cStcLcSl drcl drctl drSl drct442221222222.环形激光器环形激光器 激光共振腔的共振频率为激光共振腔的共振频率为,3,2,12qdcq在环行腔的情况下传播一圈的光程为在环行腔的情况下传播一圈的光程为L，即，即 ,3,2,1qLcq由于逆向传播的两束激光的光程不同，具有不同由于逆向传播的两束激光的光程不同，具有不同的振荡频率，应该满
31、足的振荡频率，应该满足 LSLL4 环形干涉仪激光器系统示意图 基于上述拍频公式，如果从基于上述拍频公式，如果从t t1 1时刻到时刻到t t2 2时刻，时刻，环形激光器转过角环形激光器转过角，在这一段时间间隔内累计，在这一段时间间隔内累计的拍频条纹数可以用转角来表示的拍频条纹数可以用转角来表示 212144ttttLSdtLSdtN3.环形激光精密测角环形激光精密测角 二、光纤陀螺二、光纤陀螺1.光纤陀螺也是基于光纤陀螺也是基于Sagnac效应。效应。以长度为以长度为L的光纤绕成直径的光纤绕成直径D D为的由为的由N N个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：面积可以分别表示为：光纤陀螺仪示意图光纤陀螺仪示意图NLD22244NLDS光程差则可以表示为光程差则可以表示为 cLDcSNL49.7 9.7 激光环境测量激光环境测量
