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1、传感器原理及应用,第五章 光衍射技术,韦 宏 艳,传感器原理及应用,本章大纲,重点：,难点：,基本要求：,激光衍射计量原理,激光衍射计量技术,激光衍射实际应用,激光衍射计量技术的基本方案 激光衍射技术的应用,激光衍射计量原理,掌握激光衍射计量原理，了解激光衍射计量技术的基本方案，包括间隙计量法、反射衍射法、分离间隙法等,传感器原理及应用,激光衍射计量原理,一、概述,二、计量原理,主要内容,三、基本公式,四、技术特点,5-1 激光衍射计量原理,传感器原理及应用,衍射最早用于光谱测量，70年代才形成一种非接触测量技术，1972年，加拿大国家研究所提出了激光衍射测试方法，利用激光衍射条纹的变化来精密
2、测量长度、角度、轮廓的一种全场计量方法。其原理建立在单缝衍射基础上。,通常把衍射现象分为二类:1）菲涅耳衍射，光源和观察屏(或二者之一)离衍射屏距离有限，又称为近场衍射;2）夫琅和费衍射，光源和观察屏距离衍射屏都相当于无限远，因而又称为远场衍射。,一、概述,一、单缝衍射原理：,传感器原理及应用,单缝衍射夫琅和费衍射的计算比较简单，特别是对于简单形状孔径的衍射，通常能够以解析形式求出积分，并且夫琅和费衍射是光学仪器中最常见的衍射现象。激光衍射测量的基本原理是利用激光的夫琅和费衍射。夫琅和费衍射实验装置,传感器原理及应用,单缝衍射单缝夫琅和费衍射强度分布用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为b的
3、单缝夫琅和费衍射光强分布表达式：其中其分布如图示。,传感器原理及应用,二、计量原理,激光衍射计量的基本原理,利用激光下的夫朗和费衍射效应,近场衍射也称为菲涅尔衍射,当光源S照明E1平面上的一个孔H时，在距离R的观察屏E2上将看到孔H的阴影。按照几何光学的观点，光线是直线前进的，光在孔H的边缘通过的方向应是sa与sa(虚线所示)。但实际上的阴影却扩大了，这是由于光在孔刀的边缘上发生了衍射，光线向外曲折(实线所示)，因此，光的衍射区是ab与a b。,时为菲涅尔衍射,是孔与屏之间的距离,是孔H的直径,传感器原理及应用,当观察屏E3处在较远的位置上，用透镜才能观察到的衍射现象则称远场衍射。按几何光学的
4、观点。并设成像透镜是理想的，没有像差时，点光源S在E3上的像应成点像。但实际上点像扩大了，而且周围还分布着亮度不大的圆环。这就是夫朗和费衍射。,远场衍射,远场衍射的基本装置,平行光照射E1上的H孔时，远场衍射发生在无穷远。用透镜接收后，在透镜的焦点上就观察到十分清晰的远场衍射条纹,传感器原理及应用,利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。,传感器原理及应用,观察屏E上由单缝形成的衍射条纹，其光强I的分布由物理光学知道有:,衍射角,是 时的光强，即光轴上的光强,传感器原理及应用,三、基本公式,E1平面上光孔的瞳函数为，则整个孔在E2平面上p点处的振幅，当略去光能损失，孔
5、 在E2上的衍射分布，由物理光学知道，是 的傅里叶变换。即,式中，是孔平面上的复振幅分布；设照明是平行光正入射，波面与孔平面重合。是孔面上波面的振幅分布；为波面上的位相分布，即孔平面上各点与适合参考点，例如o点（孔中心点坐标点）的位相差。当，则波面是一个理想平面。,传感器原理及应用,在E2平面上任一点P的光强是,是 的共轭数,E2平面上任一点P的振幅，应该是此二维矩形函数的傅里叶变换，略去光能损失，则,当光孔的形状为矩形孔，矩形的高为，宽为，如图（5-4a）所示。这是可用一个二维矩形函数来表示：,传感器原理及应用,因此，对矩形孔，在E2平面上的衍射像有两列，呈十字格线分别，如图（5-4a）所示
6、。每一列的光强分布，如图（5-4b）所示。两个方向上光强的大小按式（5-3），可写出,当光孔为单缝时，（对图（5-2b），Lw）。由于 很大，除中央零级以外，光强Iy很小，通常观察不到。因此，当单缝在 方向时，衍射条纹仅沿x方向分别。单缝在 方向时，衍射条纹沿y轴分别，这点对以后安置光电器件，进行条纹测量师很重要的。,传感器原理及应用,sinc函数，用sinc(x)表示，有两个定义，有时区分为归一化sinc函数和非归一化的sinc函数。它们都是正弦函数和单调递减函数 1/x的乘积：,1.在数字信号处理和通信理论中，归一化sinc函数通常定义为,2.在数学领域，历史上非归一化sinc函数(for
7、 sinus cardinalis)定义为,传感器原理及应用,在这两种情况下，函数在 0 点的奇异点有时显式地定义为 1，sinc 函数处处可解析。,非归一化sinc函数等同于归一化sinc函数，只是它的变量中没有放大系数,传感器原理及应用,设（缝宽），则衍射条纹的光强分别按式（5-6）为,对sinc函数，其定义是,设，由式（5-8），则式（5-7）可写为,远场衍射光强分布的基本公式。,1）衍射条纹是平行于单缝方向的,说明,2）当 时，出现一系列I=0的暗条纹。利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。,传感器原理及应用,因为，对暗条纹则有,即,当 不大时，有,因此，式（5-10）可以写成,传感
8、器原理及应用,最后写成,衍射计量的基本公式。,(5-11),当被测物尺寸改变 时，相当于狭缝尺寸 改变，衍射条纹的位置随之改变，由式（5-11），则,传感器原理及应用,单缝衍射单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程测量分辨力能分辨的最小量值：测量合成标准不确定度测量量程一般为0.010.05mm。,HeNe激光器波长稳定度一般优于10-6，这项误差可不予考虑。一般情况下，L和xk的相对不确定度不超过0.1%。取L=1m，=0.63m，k=3，xk=10mm，可得到uc(b)=0.3m。实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达到的不确定度一般在0.5m左右。,传感器原理及应用,四、技术特点,衍射
9、计量在技术上有四个特点,（1）灵敏度高,（2）精度有保证,（3）装置简单、操作方便、测定快速,（4）可实现动态的联机测量和全场测量，测定时物体不必固定，能为工艺过程提供反馈信号，显著提高工艺效率,激光下的夫琅和费衍射条纹十分清析、稳定,非接触测量,采用照相或光电系统测量衍射条纹是可行的，精度可以微米级,传感器原理及应用,衍射计量不足之处,（1）绝对量程比较小，量程范围约0.011.5mm,超过此范围必须用比较测量法,（2）当小时，衍射条纹本身比较宽，不容易获得精确测量,（3）R大，装置外型尺寸不能紧凑。限制了衍射计量的应用范围,传感器原理及应用,5-2 激光衍射计量技术,传感器原理及应用,一、
10、基本方案及其分析,主要内容,二、间隙计量法,三、反射衍射法,四、分离间隙法,五、互补测定法,六、爱里圆测定法,传感器原理及应用,一、基本方案及其分析,方案分类,（1）记录固定点衍射强度的方法（图5-5a中A和B点）,（2）记录衍射分布特征尺寸(指衍射射分布极值点之间的距离或角量)的方法（图5-5b中的t）,传感器原理及应用,被测物体,（狭缝，宽度为）,第一种方法,在记录点(=常数的点)上衍射条纹的光强与尺寸w的关系,表示正比于激光功率的光强度,，为衍射分布点的角坐标值,评估方法,线性，被测物体可能的空间位置变化等方面,测量要求的灵敏度,尺寸变化的动态范围,传感器原理及应用,确保最大的灵敏度，得
11、到最佳测量位置的坐标值为,w与最大灵敏度的关系式，写成,(1)灵敏度随w(被测尺寸)的减小而变小，影响小尺寸的精密测量,(2)灵敏度随i 增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度变小，因而希望记录传感器尽量靠近中心极大值处,(3)灵敏度与激光功率有关，要求功率稳定的激光器与限制被测物体的空间位移,结论：,传感器原理及应用,图中曲线表示探测器置于A点或B点的信号变化。当用一个探测器测量时，其位置应放在灵敏度和动态范围最好的A点或B点进行。但在用一个探测器的情况下，激光功率的不稳定性一级被测物体有横向位移时，对测量结果有很大影响。因此，可能认为放在A和B点的两个探测器用差值信号可以改善测量情况，
12、但是从图5-6的曲线C来看，灵敏度是有保证的，但仍然不能消除这种基本方案的缺点-激光功率不稳定一级被测物在光束中位移造成的测量误差。因为，衍射光强变化时C的斜率变化。,传感器原理及应用,这种测量方法的灵敏度是,第二种基本方案是测量极值点之间的距离，通常是用最小强度（暗纹）之间的角量来表示,级数展开，并取前三项,传感器原理及应用,(1)测量灵敏度随被测尺寸的减小而很快增加，而且衍射级次大更为有利,(2)灵敏度随i 增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度变小，因而希望记录传感器尽量靠近中心极大值处,(3)灵敏度与激光强度无关，不要求功率稳定。而且允许被测物体空间位移而不影响测量。,结论：,传感
13、器原理及应用,衍射角与被测物尺寸w的关系取一级近似，则,实际上的测量系统大多数利用物镜焦面上的衍射条纹，这是，衍射极值间的先尺寸Lm,n与被测物尺寸w的关系是,目前在实际应用中得到发展的技术方案大多数属于第二种基本方案，主要有,（1）间隙测量法,（2）反射衍射法,（3）分离间隙法,（4）互补测量法,（5）爱里圆测量法,传感器原理及应用,间隙测量法是基于单缝衍射原理。,二、间隙测量法,传感器原理及应用,传感器原理及应用,当 时，观察屏离开工件较远，这时还可取消物镜5，直接在观察屏6上测量衍射条纹。观察屏上的衍射条纹可直接用线纹尺测量，也可用照相记录测量或光电测量。,传感器原理及应用,由公式（5-
14、11）来计算w，,为计算方便，设，则,传感器原理及应用,得，由作图法可得次极大位置,传感器原理及应用,亮纹的严格位置,传感器原理及应用,亮纹位置,传感器原理及应用,结果说明,间隙法作位移或者应变值测量时，有两种基本计量方法：,1.绝对值法,2.增量式,传感器原理及应用,应用举例,传感器原理及应用,传感器原理及应用,三、反射衍射法,主要是用反射镜形成狭缝,以角入射的，缝宽为2w的单缝衍射,狭缝由刀刃A与反射镜B组成,反射镜的作用是用以形成A的像A,传感器原理及应用,暗条纹,激光对平面反射镜的入射角,光线的衍射角,试件A的边缘与反射镜之间的距离,远场衍射,按三角级数展开,传感器原理及应用,代入整理
15、得,1）给定，已知R，一定衍射条纹级次n，测定xn，就可求得w,说明：,2）由于反射效应，装置的灵敏度提高近一倍左右,反射衍射技术的应用,1）表面质量评价,2）直线性测定,3）间隙测定,传感器原理及应用,三、反射衍射测量法角一般是任意的，测得某一入射角位置的两个xn值代入公式，联立解出值和w值。从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.50.025m。,传感器原理及应用,四 分离间隙法在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔w。此时衍射图形出现不对称现象。测两次，联立求解。,传感器原理及应用,P1点出现暗纹的条件,P2点出现暗纹的条件,因为,分别代入上
16、两式，则有,传感器原理及应用,由上两式可计算分离间隙衍射时的缝宽公式,测定相同级次的衍射条纹，即,则,由（5-35）,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,五、互补测量法,激光衍射互补测量法的原理是基于巴俾涅原理，当用平面光波照射两个互补屏时，它们产生的衍射图形的形状和光强完全相同，仅位相相差为。,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,六、爱里圆测量法爱里圆测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行微小孔径的测量。,传感器原理及应用,七、量程精度与最大量程,1.测量分辨率,2.测量精度,3.最大量程,传感器原理及应用,2.测量精度,3.最大量程,传感器原理及应用
17、,说明,传感器原理及应用,八、实际的激光衍射测量系统,1)激光器通常用130mW的He-Ne激光器的衍射光源,2）光束形成器用来得到照明被测物最有效的光束形状，通常用柱面透镜组获得这样光束形状,3）物镜用来获得远场条纹的成像，保证记录平面上所要求的条纹尺寸，必要时，由一组不同焦距的物镜组成。,传感器原理及应用,6）显示部分指示出被测尺寸的数量。,4）光电探测器把衍射条纹的光强变换成电讯号。,5）信号处理器把光电信号加工处理，提取有用信息，并把它转换成测量方便的形式。,被测物体放在物镜前面，由于接受平行光平面物体位置移动，不影响衍射条纹的光强分布。没有物镜也可以，这时衍射条纹的尺寸由观察距离决定
18、，所占空间较大。,传感器原理及应用,光电探测器P4接收基准光源5的光强信号，用以定标。,激光束1通过光强调制器2，过被测物3（一般为细丝，导线）产生衍射,两个光电探测器P1，P2放在一级衍射条纹极大值光强一半的地方，取P1，P2的差值信号送入微安表中。,中央零级衍射条纹处(即光轴位置上)放置光电探测器P3。P3提供监控激光输出功率的光电信号。,传感器原理及应用,这种测量系统，其测量范围是标注尺寸的-16.7到+18.3，测量精度是被测尺寸的0.5，这种测量系统要求被测件有正确的定位，不能在激光束中位移。,当被测件尺寸大于标准尺寸时，光电探测器P1的信号增大，而P2的信号减小，被测件尺寸小于标准
19、尺寸使电信号做相反变化。,4是马达使光强调制器作旋转进行信号调制。,传感器原理及应用,上述测量系统的优点是结构简单，但存在着缺点，这主要是：激光功率起伏，被测物位移光电探测器性能不稳定都将影响测量精度。另外，被测尺寸减小时还将影响检测的灵敏度。因此，在实际使用中的衍射测量系统更多的将采用测定衍射条纹间隔的线尺寸或角尺寸，用下式求取被测尺寸w：,(5-46),传感器原理及应用,测定w的误差w，由式（5-46）知主要由R及L的测量误差决定，近似式是,式中：R，L是测定R及L的测量误差。,(5-47),传感器原理及应用,由式(5-47)知，选定足够大的R，从理论上说，可以获得很高的精度。但实际上增大
20、距离R时，条纹平面上的照度迅速下降，同时L增大，衍射极大光强的分布范围增大，这都增加测定条纹中心值的困难，造成L的增大。,实际工作中，主要是采用：1）小尺寸高灵敏度的光电探测器，2）在光电探测器前放置狭缝，3）调制激光光强，4）采用精度高于0.05mm的移动机构来移动光电探测器，读出L。,传感器原理及应用,这种情况下，L造成的被测尺寸误差是,测量孔的直径时，可用如下一组公式,式中：kn为n级衍射环内包含的暗环或亮环数目；dn为第n个暗环或亮环的直径,(5-48),(5-49),利用式(5-49)测量孔的直径时，孔深在10mm内仍有较高的精度,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用
21、,滤波片和避光罩的作用是消除杂散光和背景光对光电倍增管的影响。从狭缝8到扫描反射镜的旋转轴的距离加上旋转轴到物镜的距离应等于物镜的焦距f,衍射光经物镜5在其焦面上形成衍射,扫描反射镜，用以形成衍射条纹在光电倍增管10前的输入狭缝8上扫描,传感器原理及应用,从光电倍增管得到的电信号，经放大和变换电路11，形成矩形脉冲信号，此信号的宽度相应于衍射条纹的间隔，这个脉冲再经微分，限幅和逻辑电路12就可测量脉冲宽度，最后用数字频率计13显示。14,15是电源，具体的电子学功能框图如图5-26b）所示,传感器原理及应用,图5-26 激光衍射测量仪,信号处理功能框图,电信号的处理波形如5-27所示,传感器原
22、理及应用,从光电探测器上得到的电信号 是VP,VP经跟随器送到放大器的输入端，它负载作为微分电路，得到微分信号Vd，Vd经自动增益放大器，进入施密特电路，得到脉冲序列Vu，Vu是逻辑电路的输入，逻辑电路由计数器，附合电路和排出电路组成。V1，V2，V3是从计算触发器来的信号，Vm是最后得到的测量信号，其时间间隔，刚对应于被测尺寸。,传感器原理及应用,由下式计算出被测尺寸D,（5-50）,测量10微米物体的直径时，允许物体沿激光束轴向位移5mm，横向位移1mm，物镜的畸变不大于25,测量精度可达0.2%,%,%,%,传感器原理及应用,电视测量系统是利用电视扫描线来测定衍射条纹的间隔，也就是衍射分
23、布两个极值点之间相应有几根扫描线。这种方法在工业电视日益普及的条件下，很有实际意义。,传感器原理及应用,在表面粗糙度方面，可测量加工纹理为规则和比较规则的回转体外表面的微观不平度间距及加工时的走刀量。,在尺寸方面，可测量非透明材料的细丝直径，圆孔直径及方孔与长方孔的宽度，超薄零件或材料的厚度，零件的高度、缝宽，易变形件尺寸（如超薄套筒的外径与“O”形橡胶密封圈的内、外径及横断面直径）、轴的直径,在形位误差方面可以测量圆柱形外表面母线及刀口尺刃线的直线度误差、外回转表面的圆度、圆柱度、同轴度、跳动误差及垂直度、平行度等误差,多功能激光测量仪,传感器原理及应用,5-3 实际的应用,传感器原理及应用
24、,一、间隙或间隙变化的测量,二、位移与间隙的远距离测量,主要内容,七、波前测量,三、表面缺陷的自动检测,四、细丝及薄带尺寸的测量,五、角度的精密测量,六、全场测量,传感器原理及应用,主要应用间隙计量法、反射衍射法以及分离间隙法来完成测试任务，应用的实例有薄膜涂层厚度测量,一、间隙或间隙变化的测量,具有分离值z的衍射测量系统,1、激光器发出激光束,2，3、柱面透镜扩束,4、被测对象表面涂有塑性膜层的纸质材料或聚脂薄膜,6、滚筒传送被检薄膜,7、刀刃与4的表面错开z,8、机械测微器可准确测出7的移动量,9、驱动马达由光电二极管检测电路控制 用于自动对准衍射条纹,10、电表显示放大后的衍射条纹的光强
25、讯号,传感器原理及应用,12、滤波器用来消除滚筒的振动、滚筒几何形状偏差以及其他微小振动等所引起的误差，并取其平均效应,13、讯号放大器放大衍射条纹的光强讯号,15、干涉滤光片用于消除杂散光影响,16、条纹的分布方向是垂直于狭缝方向的,17、差动放大器放大输出信号经,18、电表显示输出信号（经差动放大器17放大）,14、光电检测器由光电二极管组成,具有分离值z的衍射测量系统,传感器原理及应用,机械测微器8，可准确测出7的移动量，用于校准电表10的刻度值,测量涂层厚度的方法,首先是将没有涂层的薄膜通过滚筒6，调整电表指零,当有涂层的薄膜通过滚筒，缝宽变小，条纹向前移动，亮条纹进入光电管，电表显示
26、就相应于涂层厚度的条纹移动量,根据电表的偏摆就可准确测定涂层厚度及其变化量，分辨率达到0.3m,采用滚筒转速对激光束进行闪频调制，使滚筒每转到同一位置时，激光束就照射狭缝，借以排除滚筒旋转时的径向跳动和几何形状偏差对测量的影响,传感器原理及应用,二、位移与间隙的远距离测量,衍射传感器的原理示意图,利用双金属片把温度转换成位移值的一种衍射传感器,测定变形或膨胀系数的衍射传感器原理图,把压力变成直线位移的衍射传感器原理,1、双金属片2、刀刃3、衍射条纹4、光电探测器5、运算放大器6、记录装置,1、试件2、刀刃3、透明窗4、光电检测器5、真空模拟室,1、膜盒2、杠杆3、刀刃4、光电检测器,传感器原理
27、及应用,三、表面缺陷的自动检测,利用激光衍射进行表面缺陷检测是70年代开始的，最近已成功的对金属筛孔、集成电路掩模、纤维、线材以及硅片的表面等进行检测，已具有实用价值。其原理是利用傅里叶变换面上的频谱变化，达到检测和处理的目的。,衍射与频谱关系,当孔径面上以一束平行光照射，其光振幅透射率分为，孔径面上的衍射在R远比孔径尺寸大时，像面上的光振幅分布为,传感器原理及应用,当孔径与像面间插入透镜，使孔径面成为透镜的前焦面，像面是其后焦面，则后焦面上的光振幅分布是,x,y为后焦面的光轴坐标；f为透镜焦距,为光分别的空间频率,式(5-52)是孔径面 在透镜后焦面上的二维傅里叶变换，当 的图形是图5-32
28、b)所示的规则二维矩形，则一维方向上的光强度如图5-32c)所示。,传感器原理及应用,利用衍射检查各种缺陷就是检测图中c)所示的光强变动。其主要方法有两种:,直接利用透镜的傅里叶变换特性，在被测物体形成的频谱图形上用光探测器检出,对信号进行处理和分析，然后判定有否缺陷的方法。,1.傅里叶变换检测法,利用透镜衍射的二次傅里叶变换，获得被检缺陷的像，用目视或光电检测直接判定缺陷以及找到缺陷位置的方法。,2.二次傅里叶变换检测法,传感器原理及应用,当散射的频谱对称于光轴而且被测物在照明光源范围内作垂直于光轴方向的移动时，频谱没有变化。利用这个性质就可进行检测。这个光列阵对称于光轴。内圆的一半是32个
29、同心圆，另一半圆内是32个放射状列阵，用硅片制成。这样按式(5-52)分布的频谱其空间频率就可以同时检测出。然后送计算机处理，判定有否存在缺陷。这种方法应用的实例很多，例如，注射针的针头检查、笔迹鉴定、指纹判别，精密轴孔检查、字符检查、表面光洁度及医学摄影检查等。,1.傅里叶变换检测法,传感器原理及应用,1 激光器，2 聚焦透镜，3 振动反射镜,4 被检细丝，5 成像透镜，6 反射镜，,7 空间滤波器，8 光电倍增管，9 数据处理器。,当以 角的激光束来照射运动中的细丝，照射光直径为0.2mm，扫描频率为2.5kHz时，可检测细丝上宽约0.1 mm，长2rnm的表面缺陷。,传感器原理及应用,2
30、.二次傅里叶变换检测法,传感器原理及应用,首先用一块标准试样(或合格品)，例如，图5-32b)所示的二维矩形孔，放在图5-35所示装置中试件4的位置上，获得傅里叶变换图(图5-32c)，用照片摄取下来，其负片是一张强度空间滤波器。检测时，将这张滤波器置于图5-35中6的位置，把被检的有缺陷的试件置于4的位置上。,如果试件上有缺陷，经过逆傅里叶变换(TFT)后在观察屏上就看到亮点，亮点就表示试件在这个对应位置上存在缺陷。,工作原理,传感器原理及应用,二次傅里叶变换法的效果主要取决于空间滤波器的制作条件。一般情况下，由于零级衍射光其强度大，而高次衍射光的强度非常弱。例如，四级衍射光，其光强只有原光
31、强的几百分之一。曝光量相差100一1000倍，对低级次衍射光曝光过度，是理论值的10一20倍，形成光点黑化。而高级次衍射光则曝光不足，甚至得不到记录。为此形成各种使衍射光具有方向性和改善s/Ns-一缺陷部分的光强，N正常部分光强)的滤波器。较简单的一种组合滤波器是同心圆形式，如图5-36所示。图中a)是傅里叶变换面上的衍射斑分布。,传感器原理及应用,为提高目视检测缺陷的灵敏度，可采用图5-37所示的双色检查法。这时He-Ne激光器形成红色的缺陷像，而绿色的非相干光源(普通灯泡加绿色滤波器)形成正常的表面像，作为缺陷的背景，由于互补色效应，使缺陷的目视灵敏度大为提高，看到在白色背景上带色彩的缺陷
32、。,用二次傅里叶变换法检测大规模集成电路掩模上的缺陷时，可达到0.8微米的灵敏度,传感器原理及应用,四、细丝及薄带尺寸的测量,随着工业的发展，要求对各种细金属丝、光导纤维、钟表游丝等进行非接触高精度测量。过去测量0.lmm以下的细丝直径，采用光学量仪或电测量仪，这类量仪本身测量精度是高的，但由于漆包线，光导纤维等是塑性材料不能用接触法测量。用光学投影法时又因边界衍射效应，测量不准。所以过去对0.1 mm以下的纤维细丝、高分子材料细丝都用称量法(MG法)，把试件切成一定长度后，几十根称重，根据重量估计其直径。实际上并没有测量其实际外径，故很不可靠。,采用激光下的互补法测定细丝外径，是一种高精度的
33、非接触法测量，精度可达0.05微米左右，这对生产和科学研究都具有重要意义。,实际应用的例子,(一)漆包线激光动态测径仪,(三)薄带的精密测量,(二)薄带的精密测量,传感器原理及应用,(一)漆包线激光动态测径仪,为了达到要求的漆层厚度，铜线要经过多次涂漆和烘干。图中虚线表示激光测径仪，用于测定漆层外径后用电表显示尺寸。从而实现人工调整涂漆参数，保证涂漆质量。,主要用于直径的细漆包线生产线上作动态测量。测量精度在l微米左右,传感器原理及应用,He-Ne激光器1发出的激光经反射镜2照射在导轮3上移动着的漆包线4，导轮的作用是稳定线径的位置。激光过细线后发生衍射，衍射光束经反射镜5后转向接收靶6，接收
34、靶上有狭缝光栏7和二象限硅光电池(8A,8B)，整个接收靶可以通过测微手轮上下移动，用以选择定位条纹的位置。当衍射条纹通过狭缝光栏照射光电池时，分界线两边接收到的光强就转换成电信号，由差动放大器9放大，最后由电表l0显示。,传感器原理及应用,在选择定位条纹时，一般以取二级或三级衍射条纹为最佳。另一方面，当漆包线漆层厚度公差较大时，允许条纹位置变化较大，这时可取一级条纹定位。在选择定位条纹时，漆包线公差在1/2条纹间隔内为宜。,当选择不同定位条纹时，图中b)是选用第三级亮条纹为定位条纹，把硅光电池8的分界面对准第三级亮条纹中心时，光电池两边光强相等，产生相等光电流，电表指零。当漆包线直径有变化时
35、，衍射条纹间隔变化，光电池两个象限的光电流失去平衡，电表不指零。因此，当用标准直径校准电表零位后，电表上的刻度就反映漆包线的外径变化，从而可以控制漆包线的生产。,传感器原理及应用,细丝被激光照射后其衍射光经透镜9会聚，在其焦平面形成远场条纹。用电视的视频扫描线，将衍射图像转换成电讯号，然后与标准尺寸的5的衍射电讯号进行比较。,通过调整4/6来获得标准衍射条纹在摄像机上的正确位置，以符合比较时的电路要求。,电视激光测径仪的测量范围是0.008205mm，系统的精度0.25,(二)电视激光测径仪,传感器原理及应用,光源是半导体激光(3mW,波长 780nm)，用扩束准直系统L1来照射被测圆柱形细丝
36、，透镜L2用于收集被测件的衍射光，在L2的焦平面上放置CCD(或光电二极管列阵)，通过CCD的扫描来识别衍射图形。在CCD前面放置与光轴同心的不透明掩模，用于防止中心线的饱和，CCD像元为1024,像元间距为25微米;掩模直径3mm,L2透镜焦距f=120mm时用于被测直径10 400微米，f=90mm时用于20一650微米直径的细丝。,测定Fraurihofer衍射条纹的间隔i，即,X1、X2是衍射条纹左边和邮编最小值的位置；m是 X1与X2之间的衍射条纹数,传感器原理及应用,显然测径精度主要由测定衍射条纹间隔的精度决定。即i/i=d/d。实际上，测定还要用标定细丝直径dr来校正，即d=(i
37、r/r)dr，而ir是参考细丝的衍射条纹间隔。当细丝直径大于50微米时，为保证测量精度，还要用Loronz-Mire理论对Fraunhofe:近似作修正，这种方法其重复性可达0.3微米，用Fraunhofe近似计算时精度是1。,则细丝直径d:,式中：f是L2的焦距，是波长,传感器原理及应用,钟表工业中的游丝，电子工业中的各种金属薄片，宽度在1 mm以下。所谓薄带，是宽度b比厚度d要大很多倍。由于宽度小于1mm，厚度一般仅几个微米。实际上是一种柔性丝带，这给测量带来困难。利用互补原理，测量薄带宽度b，相当于测量缝宽为b的无限长狭缝。测量时，要求薄带相对于激光束必须垂直，否则测量误差很大。当薄带表
38、面对激光束的不垂直度为1，而薄带尺寸b=0.12mm和d=0.04mm时，测量误差约0.5微米,(三)薄带的精密测量,传感器原理及应用,He-Ne激光器1发出的激光，经反射镜2及半透反射镜3反射而照射薄带5，在距离为R的接收屏上得到随薄带宽度b而变化的衍射条纹6,测量条纹的间距，就可求得带宽b:,传感器原理及应用,为了保证薄带表面和光轴垂直，采用定位指示光电二极管4，以接收薄带表面的反射光.当就指示其变动，以保证薄带的准确定位。当薄带表面光洁度低于12时，反射光中散射成分增加，影响定位。这时可改用150一200倍的显微镜用观察来定位。,当用对比较好的一级暗条纹作为测量对象，测出。n=土l级的两
39、个暗条纹之间的距离为x，则x=2t,t是条纹间距，可得带宽b的计算公式,传感器原理及应用,五、角度的精密测量,利用衍射条纹的间隔变化可以精密测定楔角。这种方法与常规的方法相比，装置简单，精度可达到接近干涉测角的量级，测量范围是110,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,六、全场测量,激光衍射测量不仅发生在一点上，而且发生上在被激光照明的狭缝全长上。因此，激光衍射是一种有效的全场测量，其应用的例子很多，例如，变形的衍射全场测量就是一种设备简单、技术可靠的方法，其原理如图5-48a)所示，当柱体试样没有承载时，衍射条纹是近于平行的直线，当加载后
40、，得到反映柱体变形的二维衍射条纹，用摄影方法就可以精确地研究试样的二维变形，其灵敏度可以达到微米级以下。生产中已证明这是一种有效的方法，既可用于梁和板的受压、伸长、扭曲、变形测定上，也可用于基础地基的变形研究上。对非金属材料，例如水泥表面也可适用，表面粗糙度仅影响衍射条纹的轮廓分布，使条纹边缘不光滑，但并不影响条纹中心的位释。,传感器原理及应用,利用衍射进行变形的全场测量其不足之处是测量范围不大，上面已经叙及，狭缝间隙变大，衍射条纹变密，影响测量的灵敏度。解决的方法是利用衍射条纹来形成莫尔条纹，形成的方法是:首先摄取没有加载荷或已知变形的衍射条纹的照片，用此衍射条纹的负片作为一块已知光栅和正在
41、被测的衍射条纹叠加，得到衍射情况下的莫尔条纹，如图5-48b)所示，测定莫尔条纹的间隔，用下式就可计算出变形量:,传感器原理及应用,传感器原理及应用,七、波前测量,利用小孔的衍射可以获得标准的波面，只要小孔直径足够的小，就可以获得足够精度的标准球面波，这就是点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometers)的原理，这种PDI干涉仪是当代一种轻巧而价低的测量光学波阵面的有效工具，其原理示于图5-49。在一块薄的半透明基板上沉积两个同心圆环，如图中(a)所示，内环是一个十分清洁的小圆孔用于接受聚焦的光束并由衍射产生球面波，而较大的径向区是半透明的，用以使被测光束通过
42、光强适当衰减，图中(b)是这二束光产生干涉而提供干涉图的原理。,传感器原理及应用,PDI关键是选定小孔尺寸和半透区的透过率以获得最大条纹对比度，小孔尺寸与照射光学系统的相对口径f/D有关，当波长=632.8nm时小孔直径约6微米，也就是无像差光束Airy斑直径的1/4左右，对半透圆区的透过率，当用金(AU)作为薄膜材料，则透过率是薄膜厚度的函数，即,传感器原理及应用,在结束本章时最后应该指出，光衍射技术在测试上的应用领域还很广阔，最近研究的方向主要是和光栅结合起来应用。得到一种新的光束偏转和调制效应，这是许多光学装置和研究技术的基础。美国lBM研究实验室利用布拉格(Bragg)效应的衍射技术研究获得了一种新型的衍射光偏转器来替代声光偏转器。利用两块伦奇(Ronchi)光栅的衍射形成莫尔偏转法来测定各种火焰的温度分布等高线图，图5-50是利用视频显示的莫尔偏转等高线装置原理方框图这种方法可以获得实时的温度分布图。,
