lesson6激光在精密測量中的應(yīng)用

1、1激光在精密測量中的應(yīng)用主要內(nèi)容：激光干涉測長激光衍射測量激光測距激光準(zhǔn)直2一、干涉測長的基本原理一、干涉測長的基本原理1.激光干涉測長的基本光路是一個(gè)邁克爾遜干涉儀,用干涉條紋來反映被測量的信息。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時(shí)，它們相互加強(qiáng)形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時(shí)，它們相互抵消形成暗條紋。圖6-1 激光干涉測長儀的原理圖激光干涉測長32NL 2.被測長度與干涉條紋變化的次數(shù)N和干涉儀所用光源波長之間的關(guān)系是 將被測物與其中一支光路聯(lián)系起來，使反光鏡M2沿光束2方向移動(dòng)，每移動(dòng)半波長的長度，光束2的光程就改變了一個(gè)

2、波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個(gè)周期的明、暗變化。通過對(duì)干涉條紋變化的測量就可以得到被測長度。 圖6-1 激光干涉測長儀的原理圖4二、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： 激光光源一般是采用單模的He-Ne氣體激光器，輸出的是波長為632.8納米的紅光。 可移動(dòng)平臺(tái)攜帶著邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉儀中的干涉條紋移動(dòng)。 光電顯微鏡的作用是對(duì)準(zhǔn)待測物體，分別給出起始信號(hào)和終止信號(hào)。 光電計(jì)數(shù)器對(duì)干涉條紋的移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 顯示和記錄裝置是測量結(jié)果的輸出設(shè)備，顯示和記錄光電計(jì)數(shù)器中記下的干涉條紋移動(dòng)的個(gè)數(shù)及與之對(duì)應(yīng)的長度。圖6-

3、1 激光干涉測長儀的原理圖51.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，可分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。 菲涅耳衍射是有限距離處的衍射現(xiàn)象，即觀察屏到衍射物的距離比較小的情況，也稱近場衍射。 夫瑯和費(fèi)衍射是無限距離處的衍射現(xiàn)象，在觀察屏離衍射物可以近似做無限遠(yuǎn)時(shí)才能觀察到，也稱遠(yuǎn)場衍射。 激光衍射測量62.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，條紋的光強(qiáng)可表示為： 圖6-9 衍射測量原理圖220sinII Lb2/時(shí) sinb其中：為衍射角，I0是=0時(shí)，即光軸上的光強(qiáng)當(dāng)=,2,n時(shí)，出現(xiàn)的一系列I=0的暗條紋

4、。測定任一個(gè)暗條紋的位置及其變化就可以精確知道被測間隙b的尺寸及尺寸的變化 7當(dāng)被測物體尺寸改變時(shí)，相當(dāng)于狹縫尺寸改變，衍射條紋的位置也隨之改變,可得 kxkLb0011kkxxkLbb對(duì)第k個(gè)衍射暗條紋有 kbsin當(dāng)不大時(shí), Lxtgksin所以 單縫衍射測量的基本公式: ,（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）。圖6-9 衍射測量原理圖0,bb分別為起始縫寬和變化后的縫寬； 0kkxx，分別為第k個(gè)暗條紋的起始位置和變化后的位置。 83. 圓孔衍射測量 接收屏上衍射條紋的光強(qiáng)分布為 圖6-10 圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射原理示意圖210)(2xxJIIP設(shè)中心亮斑(即第一暗環(huán))的

5、直徑為d afd22. 1當(dāng)平面光波照射的開孔為圓形時(shí)，其遠(yuǎn)場的夫瑯和費(fèi)衍射像是中心為一圓形亮斑，外面繞著明暗相間的環(huán)形條紋。 sin2ax 其中：衍射圖中央是亮斑（愛里斑），它集中了84%左右的光能量。測定愛里斑的大小或其變化可以精密地測定或分析微小內(nèi)孔的尺寸。 9激光測距 在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中，常常會(huì)遇到測量距離的問題。如在大地測量和地質(zhì)勘探中，需要測出兩個(gè)山頭之間的距離；在建造大橋時(shí)，則需要測量大江兩岸的間隔。而在軍事上，炮位的瞄準(zhǔn)、遠(yuǎn)距離打擊等更離不開距離的正確測量。 光電測距是較早提出的一種物理測距方法，早在四十年代末五十年代初就制成了光電測距儀并實(shí)際應(yīng)用于地面目標(biāo)之間距離的測量。

6、但是，當(dāng)時(shí)的光電測距儀，受到了光源的亮度與單色性的限制，沒有能得到很大的發(fā)展。 六十年代初期，激光的出現(xiàn)對(duì)光電測距儀的發(fā)展起了極大的推動(dòng)作用。激光亮度高、單色性好、方向性強(qiáng)、光束狹窄，是光電測距儀的理想光源。與其他測距儀（如微波測距儀、光電測距儀等）相比，激光測距儀具有探測距離遠(yuǎn)、測距精度高，抗干擾性強(qiáng)、保密性好以及體積小、重量輕、重復(fù)頻率高等特點(diǎn)。 在成功地進(jìn)行了月球和人造地球衛(wèi)星的激光測距后，各種民用和軍用激光測距儀歷經(jīng)幾代的研究改進(jìn)，現(xiàn)已大量用于實(shí)際工作中。 10激光測距儀的分類激光測距儀的分類按照測量距離可分為下述三類： 1、短程激光測距儀，它的測程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測量

7、2、中長程激光測距儀，測程為五至幾十公里，適用于大地控制測量和地震預(yù)報(bào)等 3、遠(yuǎn)程激光測距儀，它用于測量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離按照測量方法的不同，激光測距可分為激光脈沖測距和激光相位測距111.激光脈沖測距原理 原理:通過發(fā)射激光脈沖控制計(jì)時(shí)器開門，接收返回的激光脈沖控制計(jì)時(shí)器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時(shí)間完成測距的。其計(jì)算公式為： ctd212.激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu) 圖6-18 激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)激光脈沖測距儀的工作過程：當(dāng)測距儀對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后，激光器就發(fā)出一個(gè)很強(qiáng)很窄的光脈沖。光脈沖經(jīng)過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡壓縮發(fā)散角。在光脈沖發(fā)射出去的同時(shí)，其中極小一部分光立即由兩塊

8、反射鏡反射而進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過濾光片到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器變成電信號(hào)，電脈沖經(jīng)過放大整形后送入時(shí)間測量系統(tǒng)，使其開始記時(shí)。而射向目標(biāo)的光脈沖，由于目標(biāo)的漫反射作用,總有一部分光從原路返回來，而進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡，它同樣也經(jīng)過濾光片、光電轉(zhuǎn)換器、放大整形電路而進(jìn)入時(shí)間測量系統(tǒng)，使其停止計(jì)時(shí)。時(shí)間測量系統(tǒng)所記錄的時(shí)間，再經(jīng)過計(jì)算在顯示器上直接給出測距儀到目標(biāo)的距離。 一、激光脈沖測距123. 激光脈沖測距儀對(duì)光脈沖的要求 光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。 光束不可避免的要有一定的發(fā)散,再加上空氣對(duì)光線的吸收和散射，所以目標(biāo)越遠(yuǎn)，反射回來的光線就越弱，甚至根本接收不到。 光脈沖的方向性要好。 這有兩個(gè)作用，一方面可把

9、光的能量集中在較小的立體角內(nèi)，以射得更遠(yuǎn)一些；另一方面可以準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)的方位。 光脈沖的單色性要好。 空中總會(huì)存在著各種雜散光線，這些光線往往會(huì)比反射回來的光信號(hào)強(qiáng)的多。 光脈沖的單色性越好，濾光片的濾光效果也就越佳，這樣就越能有效的提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測量的精確性。 光脈沖的寬度要窄。 光脈沖的寬度窄可以避免反射回來的光和發(fā)射出去的光重疊起來。由于光速很快，假如目標(biāo)離測距儀15km，則光脈沖往返一個(gè)來回只需要萬分之一秒，因此光脈沖的寬度要遠(yuǎn)小于萬分之一秒才能正常測量，若要測更近的距離，則光脈沖還要更窄才行。 134. 激光巨脈沖的產(chǎn)生 測距時(shí)用的光脈沖功率是很大的，一般其峰值功率均在

10、一兆瓦以上，脈沖寬度在幾十毫微秒以下。這樣的光脈沖叫做“巨脈沖”。但是，一般的激光脈沖并不是巨脈沖，寬度較大（約1ms左右），同時(shí)脈沖功率也不夠大，所以不能滿足測距要求。對(duì)激光器采用調(diào)Q技術(shù)可使之滿足測距要求。 14二、激光相位測距原理:測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差來間接測量傳播時(shí)間的。光源采用強(qiáng)度被調(diào)制的激光器，連續(xù)的調(diào)制光波在傳播過程中的調(diào)制相位不斷變化，每傳播等于調(diào)制波長的距離，相位就變化2。所以距離d、光波往返相位差和調(diào)制波長之間的關(guān)系為 22調(diào)制d2調(diào)制sL在相位測距中叫做測尺長 2是距離d內(nèi)包括測尺長的數(shù)目。 15距離d、光波往返位相差和調(diào)制波長調(diào)制之間的關(guān)系為：)

11、2(2222NLddsLNs調(diào)制且令調(diào)制當(dāng)距離d大于測尺長Ls時(shí)，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(shí)，20sLdN通常測距儀都有一個(gè)基本測尺長度Lsb和若干個(gè)輔助測尺長度?；緶y尺決定測量精度，又叫精測測尺；輔助測尺用來粗測，又叫粗測測尺。例如，選用兩把測尺，其中基本測尺長度Lsb=10m而一個(gè)輔助測尺Ls1=1000m，用它們分別測量一段的距離d=386.57m。用Lsb可測得不足10m的尾數(shù)為6.57m，用Ls1可測得不足1000m的尾數(shù)為386m，將二者結(jié)合起來，考慮到6m是重疊部分，于是就可得到d=386.57m16激光準(zhǔn)直 激光具有極好的方向性，一個(gè)經(jīng)過準(zhǔn)直的連續(xù)

12、輸出的激光光束，可以認(rèn)為是一條粗細(xì)幾乎不變的直線。因此，可以用激光光束作為空間基準(zhǔn)線。 激光準(zhǔn)直儀能夠測量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以作三維空間的測量基準(zhǔn)。由于激光準(zhǔn)直儀和平行光管、經(jīng)緯儀等一般的準(zhǔn)直儀相比較，具有工作距離長、測量精度高、便于自動(dòng)控制、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛的應(yīng)用于開鑿隧道、鋪設(shè)管道、蓋高層建筑、造橋修路、開礦以及大型設(shè)備的安裝定位等方面。 17激光準(zhǔn)直儀的原理和結(jié)構(gòu) 激光準(zhǔn)直儀一般都用具有連續(xù)輸出的氦氖激光器，并且通常使用的是基橫模輸出。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z0的截面內(nèi)的。激光光束中心上光強(qiáng)最大，其分布中心的連線構(gòu)成

13、一條理想的準(zhǔn)直基準(zhǔn)線。由于衍射效應(yīng)，光束略有發(fā)散，光斑半徑z0也隨著傳播距離的增加而增加，但其分布中心的連線總是直線，其遠(yuǎn)場發(fā)散角2 基模光斑半徑隨z按雙曲線規(guī)律的變化18 TEM00光束遠(yuǎn)場發(fā)散角2的公式為： 02200001)(22zzz當(dāng) 基模光斑半徑隨z按雙曲線規(guī)律的變化例如，對(duì)于0=0.4mm的激光光束來說，相應(yīng)的 ，在距離束腰為z0=50m的截面上，z0只有大約2.5厘米。 rad3105 . 019激光準(zhǔn)直儀采用光電探測器來對(duì)準(zhǔn)，因此準(zhǔn)直儀的基本組成有如下 激光準(zhǔn)直儀的基本組成方框圖20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探測器圖6-23 四象限光電探測器原理圖激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶通常用的是四象限光探測器，由上下左右對(duì)稱裝置的四塊硅光電池組成。當(dāng)激光束照射到光電池1,2,3,4上時(shí)，分別產(chǎn)生電壓V1,V2,V3,V4。如果光束正好對(duì)中， V1=V2=V3=V4。若光束向上偏， V1V2；光束向下偏，則V2 V1。把V1, V2輸入到運(yùn)算電路，經(jīng)差分放大后由指示電表就可以指示出光束上下的偏移量。同理可以得到另一組指示電表說明左右的偏移量。運(yùn)算電路根據(jù)上下或左右的偏移量的大小輸出一定的電信