演示文稿第三章激光衍射測量技術(shù)

演示文稿第三章激光衍射測量技術(shù)本文檔共52頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分第三章激光衍射測量技術(shù)ppt課件本文檔共52頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分第三章激光衍射測量技術(shù)§3.1激光衍射測量原理光的波長短，對很小的孔/屏、狹縫/細(xì)絲才有明顯的衍射現(xiàn)象；特點(diǎn)：全場，非接觸，穩(wěn)定性好，自動化程度高，精度高菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射一、菲涅耳和夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射是本章進(jìn)行衍射測量的基本原理本文檔共52頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分二、單縫衍射測量(一)單縫衍射測量原理觀察屏上的光強(qiáng)分布：測定任何一個暗條紋的位置就可以精確知道被測間隙的尺寸暗條紋位置(二)單縫衍射測量的基本公式由遠(yuǎn)場衍射條件有由暗條紋的公式知:

當(dāng)θ不大時則有:——單逢衍射測量的基本公式本文檔共52頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分被測物尺寸改變時，相當(dāng)于狹縫尺寸改變，由下式可求出被測物尺寸或輪廓的變化量(三)單縫衍射測量的分辨力、精度和量程1.測量分辨力衍射測量靈敏度縫寬b越小，級數(shù)越高，L越大,波長越長,分辨力越高靈敏度反映了狹縫衍射對尺寸的放大倍數(shù),即放大了1/t倍；Xk的測量分辨力,決定了狹縫的測量分辨力本文檔共52頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分例：由儀器的隨機(jī)誤差理論，可得到衍射測量誤差為2.測量精度考慮環(huán)境因素的影響，一般測量的精度可達(dá)±0.5μm例：本文檔共52頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分1)b越小,β越大,衍射明顯2)b越小,XK變大,光強(qiáng)分布減弱,高級次條紋不明顯3)b越大,XK變小,條紋變密,傳感器不易放置,靈敏度下降3.測量量程L>>b2/λ,儀器尺寸限制,b基本確定，L=1000mm，b<<0.8mm一般d的寬度取本文檔共52頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分三、圓孔衍射測量屏上接收光強(qiáng)：其中：愛里斑尺寸本文檔共52頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分1、間隙測量法1）尺寸比較測量基于單縫衍射原理2）形貌測量3）傳感器應(yīng)用：§3.2

激光衍射測量方法本文檔共52頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分(1)絕對測量法(2)增量測量法間隙法測量位移，有兩種方法基本裝置：本文檔共52頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分測量應(yīng)變裝置:間隙測量法作為靈敏的光傳感器可用于測定各種物理量的變化，如應(yīng)力、壓力、溫度、流量、加速度等本文檔共52頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分2、反射衍射測量法由于平面鏡作用，相當(dāng)于縫寬為2b的單逢衍射，則第k個暗條紋滿足下列條件:利用試件棱緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進(jìn)行衍射測量的本文檔共52頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分有將上式展開進(jìn)行三角運(yùn)算

所以有:

θ為任意值，可以測量某一θ角度下的兩個xk值求解本文檔共52頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分特點(diǎn)：1、靈敏度提高一倍2、入射光可以以一定角度入射，布置方便應(yīng)用：表面質(zhì)量評價、直線性測定、間隙測定等本文檔共52頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分3.分離間隙法利用參考物和試件不在一個平面內(nèi)所形成的衍射條紋進(jìn)行精密測量的方法被稱為分離間隙法P1出現(xiàn)暗條紋的條件：

問題：組成狹縫的兩棱邊不在同一平面內(nèi)本文檔共52頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分P2點(diǎn)出現(xiàn)暗條紋的條件：

可得：

由可得分離間隙衍射的縫寬公式為本文檔共52頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分當(dāng)k1=k2時應(yīng)用舉例:

本文檔共52頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分4、互補(bǔ)測量法用平面光照射兩個互補(bǔ)屏?xí)r，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強(qiáng)除光源點(diǎn)的幾何像點(diǎn)之外完全相同，僅復(fù)振幅的位相差為π。巴俾涅原理本文檔共52頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分細(xì)絲,薄帶可進(jìn)行衍射測量:互補(bǔ)測量法測量細(xì)絲直徑的范圍一般是0.0l—0.1mm測量精度可達(dá)0.05μm本文檔共52頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分5.愛里斑測量法基于圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗環(huán)沒有十分明顯的邊界，因此采用能量比較法間接測量測量對象：直徑約在10~90μm范圍之間的噴絲頭假設(shè)：通過微孔衍射所得到的明暗條紋的總能量不隨孔的微小變化而變化，但明暗條紋的強(qiáng)度分布隨孔的變化而急劇改變。方案：設(shè)計(jì)使光電探測器5接收衍射圖的全部能量（中心亮斑和前四個亮環(huán)即可），光電接收器7只接收艾里圓的部分光能量，通常選取艾里圓面積的一半。電壓比較器將光電接收器5和7的電壓信號進(jìn)行比較從而得出被測孔徑。本文檔共52頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分6.衍射頻譜檢測法由傅里葉光學(xué)知:平面光波射向衍射屏后在遠(yuǎn)場發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射,衍射光強(qiáng)分布由衍射屏復(fù)振幅的傅里葉變換所決定。激光衍射頻譜檢測法是利用衍射條紋傅里葉變換面上的頻譜變化，對工件表面缺陷進(jìn)行檢測，應(yīng)用于金屬篩孔、集成電路掩模、纖維、線材及硅片等的表面檢測。本文檔共52頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分1.傅里葉變換檢測法直接利用透鏡的傅里葉變換特性，用光電探器探測物體的頻譜，對信號進(jìn)行分析和處理、然后判定是否有缺陷。應(yīng)用方法:

本文檔共52頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分2.二次傅里葉變換檢測法

利用透鏡衍射的二次傅里葉變換。獲得被檢缺陷的像，用目視或光電檢測直接判定缺陷大小以及缺陷的位置。本文檔共52頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分一、構(gòu)成各種物理量的傳感器§3.3激光衍射測量的應(yīng)用激光衍射測量是一種高精度、小量程的精密測量技術(shù)

許多物理量，如壓力、溫度、流量、折射率、電場或磁場等，都可通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成直線性的位移，然后利用激光衍射效應(yīng)進(jìn)行測量。本文檔共52頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分二、薄膜材料表面涂層厚度測量本文檔共52頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分此類微小間隔測量裝置還可以用于旋轉(zhuǎn)軸的徑向跳動、圓棒直徑的變化和圓柱度等的靜態(tài)和動態(tài)測量本文檔共52頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分三、全長剖量測量要求棱緣全長都同時被激光束照亮，通常用于測量線狀邊緣的物體，也可以測定曲率較小的弧形或一些不規(guī)則的構(gòu)件。本文檔共52頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分四、位移和間隔的遠(yuǎn)離測量還可用于研究封閉容器中（如真空中）彈性物體的變形情況，以便作為傳感器監(jiān)視地震或重力加速度的變化。特點(diǎn)：檢測器可以離傳感器很遠(yuǎn)，對在需要遙測或有害環(huán)境下觀察特別有利。本文檔共52頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分五、振動的測量懸板相對于基準(zhǔn)棱緣在半個周期中不斷改變縫寬b,于是引起衍射條紋沿一個方向掃過探測器，當(dāng)振幅達(dá)到極限位置后，條紋即向相反方向移動；方波a和a’對應(yīng)于待測物體在改變振動方向時的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，a和a’之間整數(shù)和小數(shù)部分的條紋數(shù)，相當(dāng)于峰間振幅，是懸板振幅的兩倍。本文檔共52頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分六、直徑和薄帶寬度測量1.漆包線激光動態(tài)測徑儀作用：漆層厚度變化造成漆包線外徑的變化將顯示在測量儀的顯示器上，從而實(shí)現(xiàn)人工調(diào)整涂漆參數(shù)，保證涂漆質(zhì)量。本文檔共52頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分為避免CCD探測器飽和，擴(kuò)大CCD動態(tài)范圍，將零級條紋擋去。CCD輸出信號處理低通濾波：在保證信號不失真前提下盡可能降低截止頻率例：若CCD像素2048，數(shù)據(jù)時鐘1MHz，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時保證CCD能接收2~4個條紋，則每個條紋周期T=2048/4=512μs?？紤]到CCD接收的信號是非周期的，實(shí)際應(yīng)用中采用二階巴特沃思低通濾波，截止頻率取10×1/T。本文檔共52頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分暗點(diǎn)識別：為得到精確的測量結(jié)果必須對信號衍射圖樣進(jìn)行精確的識別，包括以下兩方面：(1)能自動識別出一幀CCD信號衍射圖樣中暗點(diǎn)的個數(shù);(2)能精確地定位每個暗點(diǎn)對應(yīng)的位置;存在困難：因?yàn)楸粶y細(xì)絲的直徑有一定的分布范圍,衍射圖樣變化很大,且衍射圖樣中暗點(diǎn)銳度很小。衍射圖樣中暗點(diǎn)數(shù)的識別：一般地,采用掃描法逐點(diǎn)掃描衍射圖樣來識別暗點(diǎn)數(shù)。理論上,在順序掃描時如果某一點(diǎn)滿足下面兩個條件就可認(rèn)為是一個暗點(diǎn):(1)當(dāng)前點(diǎn)的值比前一點(diǎn)值小;(2)后一點(diǎn)值比當(dāng)前點(diǎn)值大本文檔共52頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分由于很多不確定因素的存在,使得待識別的信號在局部區(qū)域內(nèi)不是光滑連續(xù)的。直接采用上面的算法將導(dǎo)致識別失敗,為此改進(jìn)算法如下:(1)采用中值濾波對信號作平滑處理;(2)用滑動窗口內(nèi)信號的平均值來代替單點(diǎn)值掃描衍射圖樣;采用非線性中值濾波的目的在于消除信號中尖峰干擾(主要由量化引入),保證局部范圍內(nèi)信號的平滑,但必須合理選擇濾波器的寬度否則達(dá)不到目的。用滑動窗口內(nèi)信號的平均值來代替單點(diǎn)值掃描識別衍射圖樣,可以消除信號小范圍波動對識別的影響，增強(qiáng)暗點(diǎn)識別的可靠性。識別暗點(diǎn)數(shù)同時可以得到暗點(diǎn)的粗略位置(掃描到一個暗點(diǎn)時記下它的位置)。由于識別時對信號作了非線性處理,而且掃描是由滑動窗口完成的,因而此時得到的暗點(diǎn)位置是很粗糙的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到測量精度要求,必須進(jìn)一步精確指定暗點(diǎn)位置。對暗點(diǎn)的精確定位是基于下面三個前提:本文檔共52頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分(1)衍射圖樣的分布符合一定的數(shù)學(xué)關(guān)系;(2)精確的暗點(diǎn)位置必定在已得到的粗略暗點(diǎn)位置附近;(3)粗略暗點(diǎn)附近的原始數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上包含著暗點(diǎn)真正位置的信息;(1)在識別暗點(diǎn)數(shù)的同時記錄粗略的暗點(diǎn)位置;(2)在粗略暗點(diǎn)位置附近取一定數(shù)目的原始數(shù)據(jù),運(yùn)用最小二乘法來擬合原始數(shù)據(jù),得到一條光滑的曲線;(3)以一定的步長搜索擬合后的曲線,得到曲線上暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置,如果步長小于象素尺寸就具有細(xì)分效果;基于這樣的前提,可以在已知粗略暗點(diǎn)位置附近,充分利用原始數(shù)據(jù)中的信息來尋找暗點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。這部分算法可以描述如下:本文檔共52頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分2.薄帶寬度測量要求：薄帶相對激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則引起測量誤差本文檔共52頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分3.轉(zhuǎn)鏡掃描式激光測徑儀本文檔共52頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分本文檔共52頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分4.狹縫掃描式激光測徑儀轉(zhuǎn)鏡掃描式測徑儀是由測量條紋間距s值求得細(xì)絲直徑狹縫掃描式測徑儀是通過測量特定級條紋的xk值來求直徑本文檔共52頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分七、紅細(xì)胞激光衍射測量通過細(xì)胞的衍射圖樣來分析病變通過面陣CCD接收衍射圖樣，求出紅細(xì)胞的變形指數(shù)和取向的變化、衍射光強(qiáng)的徑向分布曲線等，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來判斷病變情況。本文檔共52頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分40激光粒度儀【補(bǔ)】傳統(tǒng)粒度測量方法：沉降儀、篩分法、顯微鏡最流行的粒度測量儀器：激光粒度儀優(yōu)點(diǎn)：測量速度快、重復(fù)性好、動態(tài)范圍大、操作方便一、工作原理利用顆粒對光的散射（衍射）現(xiàn)象測量顆粒大小的，即光在行進(jìn)過程中遇到顆粒（障礙物）時，會有一部分偏離原來的傳播方向；顆粒尺寸越小，偏離量越大；顆粒尺寸越大，偏離量越小。本文檔共52頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分當(dāng)顆粒尺寸較大（至少大于2倍波長），并且只考慮小角散射（散射角小于5°）時，散射光場也可用較簡單的夫瑯禾費(fèi)衍射理論近似描述。本文檔共52頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分由發(fā)射、接收和測量窗口等三部分組成發(fā)射部分由光源和光束處理器件組成，主要是為儀器提供單色的平行光作為照明光；接收器是儀器光學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵；測量窗口主要是讓被測樣品在完全分散的懸浮狀態(tài)下通過測量區(qū)，以便儀器獲得樣品的粒度信息。本文檔共52頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分接收器由傅立葉透鏡和光電探測器陣列組成激光器發(fā)出的激光束經(jīng)聚焦、低通濾波和準(zhǔn)直后，變成直徑為8~25mm的平行光，照到測量窗口內(nèi)的顆粒后，發(fā)生散射。散射光經(jīng)過傅立葉透鏡后，同樣散射角的光被聚焦到探測器的同一半徑上。一個探測單元輸出的光電信號就代表一個角度范圍（大小由探測器的內(nèi)、外半徑之差及透鏡的焦距決定）內(nèi)的散射光能量，各單元輸出的信號就組成了散射光能的分布。本文檔共52頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分盡管散射光的強(qiáng)度分布總是中心大，邊緣小，但是由于探測單元的面積總是里面小外面大，所以測得的光能分布的峰值一般是在中心和邊緣之間的某個單元上。當(dāng)顆粒直徑變小時，散射光的分布范圍變大，光能分布的峰值也隨之外移。所以不同大小的顆粒對應(yīng)于不同的光能分布，反之由測得的光能分布就可推算樣品的粒度分布。二、光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)激光粒度儀重要的技術(shù)指標(biāo)是測量下限激光粒度儀光學(xué)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)基本上都是為了擴(kuò)展其測量下限或是小顆粒段的分辨率；基本思路是增大散射光的測量范圍、測量精度或者減少照明光的波長。本文檔共52頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分德國Sympatec采用了8組不同焦距的傅立葉鏡頭。由于探測器的半徑不變，因此焦距越小，對應(yīng)的散射角越大，即能測量的粒徑越小。不同焦距的透鏡對應(yīng)于不同的測量范圍。增加輔助探頭用以彌補(bǔ)環(huán)形探測器陣列最大外徑的不足，從而擴(kuò)大儀器對散射光的接收角，擴(kuò)展儀器的測量下限。但受到傅立葉透鏡光瞳的制約。本文檔共52頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分優(yōu)點(diǎn)：最大接收角不受傅立葉鏡頭口徑限制缺點(diǎn)：只在較小散射角（<5o）上能實(shí)現(xiàn)精確聚焦。隨著散射角增大，聚焦誤差會越來越大。聚焦有誤差意味著探測器上的一個確定位置并不對應(yīng)一個確定的散射角，從而使儀器的分辨率降低。本文檔共52頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分優(yōu)點(diǎn)：將大角探測器分布在以測量窗口和環(huán)形探測器中心之間的光軸為直徑的球面上，從而極大地改進(jìn)了大角探測器上散射光的聚焦精度。本文檔共52頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分優(yōu)點(diǎn)：增加了后向散射光（>90o的散射光）接收機(jī)構(gòu)的透鏡后傅立葉結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展了散射角接收范圍，以擴(kuò)展粒度測試下限。本文檔共52頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分本文檔共52頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期日\18點(diǎn)35分改動：