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1、1,第六章 激光在精密计量中的应用6.1 激光测距6.2 直径的激光检测6.3 激光测长,2,一激光测距,1脉冲激光测距,脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，一般可达兆瓦级。,脉冲激光测距的工作原理见图。在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2处装有向1处反射的装置，1处至2处间的距离D是待测的。如果在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从1处到达2处再返回1处所需要的时间t，则D=ct/2，式中 c 为光的传播速度。,3,脉冲激光测距仪的原理和结构较简单，测程远主要缺点是绝对测距精度较低
2、。精度要求较高的场合可采用相位测距法。,脉冲激光测距的方框图见图。它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成。,a)工作过程,4,2相位测距法,相位式测距仪采用了与上述相似的方法来测量距离，不过它所采用的测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。,5,测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为f，光速为c，则波长可由下式求出=c/f,由于调制光波在传播过程中其相位是不断变化的。如果设光波从A到B点的传播过程中相位变化(又称为相位移)为，则由图4.1.25看出，可由2的倍数来表示：M2+=(M+m)2 从图4.1.25可看出，光波
3、每前进一个波长，相当于相位变化了2，因此距离D可表示如下：D(M+m),6,实际上为了使用方便，在B点设置反射器图4.1.26说明了光波在距离D上往返后的相位变化。则2D=(N+n)或 D=(N+n)/2=Ls(N+n)式中 N零或正整数，为波长或相位2的倍数；n是个小数,n/2；Ls称它为测尺长度，Ls/2,当距离D大于测尺长度Ls时，仅用一把“光尺”是无法测定距离的。但当距离D小于测尺长度Ls，即N等于零时，式上变为 DLsn Ls/2 此时不会超过2，测相系统能给出相位移的确定值，距离D也不存在多值解的问题。,7,如果被测距离较长，则可以选用一个较低的测尺频率即测尺长度较长（大于待测距离
4、）。但由于测尺长度越大，带来的测距误差也会越大。例如仪器的测相误差为0.1，当测尺长度Ls10m时，会引起1cm的距离误差；而当L1000m时，所引起的误差就可达1m。,当被测距离大于基本测尺长度L时，可再选一个或几个辅助测尺Lsb(又叫粗测测尺)。例如选用两把测尺，其中Lsb=10米，Lsa1000m，用它们分别测量某一段长度为386.57m的距离时，用Lsb测量时可得到不足10m的尾数6.57m，用Lsa测量可得不足1000m的尾数386m，将两者组合起来就可得386.57m，即6.57 Lsb读数，386 Lsa读数，38657m两尺组合起来的总读数,8,二.直径的激光检测,1.大直径的
5、测量,为了使用小口径的透镜去测量大直径的测件，可以采用双光路的测量技术。图示出双光路测径装置的原理图。图中1是氦氖激光器，2是旋转扫描镜。由电动机3带动扫描镜以一定的速度旋转。光点F位于会聚透镜8和10的焦点位置。其中4为分光棱镜，5、6、7为反光镜。,9,下面按标准直径为D0、大于或小于D0三种情况讨论。（a）被测件12为标准直径D0,（b）被测件12的直径小于D0,（c）被测件12的直径大于D0,10,用激光衍射法测量金属细丝直径 一般的钢丝直径常用电感测微仪以接触法进行测量，这种方法受测量力的影响很大，即使在测量力较小的情况下，其相对测量误差也是较大的，而且容易引起细丝的弯曲变形。此外，
6、如测力过小，也由于测量不稳定而无法保证测量精度。近年来由于激光技术的发展，为测量细丝直径提供了新的测量原理和方法。,2.小直径的测量,11,夫琅和费衍射原理,当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝等)无限远时的衍射称为夫琅和费衍射(或平行光衍射)，实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离部可认为是夫琅和费衍射。,12,13,式中 K1，2正整数。正负号表示亮暗条纹对称地分布在中央亮条纹的两侧，0给出了中央亮条纹P0的中心位置。图为衍射条纹的光强分布图。由图可见，随着衍射角 的增加，亮条纹的光强将迅速降低，暗点位置是等距分布的。如采用激光作为光源，由于能量高度集中，条纹可以更加清晰，
7、衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹数目多)。,14,由前知，夫琅和费衍射要求光源和衍射场位于无穷远处，但实际上只要这些距离足够大便可认为符合夫琅和费衍射的条件了。为此，如图所示，设被测细丝为 d，相当于狭缝。我们采用激光作为光源，由于其发散角很小，可认为是平行光，所以可免除透镜L1；并将衍射屏幕放置离细丝较远处(譬如l500mm)，这样又可免除透镜L2。于衍射场P处即可获得一组明暗相间的衍射条纹，只要测得衍射条纹距屏幕中心的距离Sk，便可求得细丝直径。由于la(即d)，此时角很小，故可取:,15,16,17,18,光纤直径的测量,如图所示，激光束经分光镜1后，分成固定能量的两束光：一束光透过分
8、光镜1，经透镜2会聚到被测光导纤维3上，于是在曲率方向上将光束扩展为一条很长的亮线照到透镜4上，透镜4的通光孔径限制了进入透镜的扩展亮线的长短，同时将这部分光线会聚于光电二级管5上，其电信号通过直流放大器后输入比较器的右端；而另一束光则作为比较光束直接照到光电二级管6上，输入直流放大器中进行放大，并输入比较器的左端，由于光导纤维3直径的变化，所扩展的亮线bb的长短也发生变化，而被光电二极管5接收的aa的能量也会有所变化。因而经比较器比较后，可由显示器显示其直径的变化量或绝对值。,激光能量法,19,三.激光测长,普通单色光源的单色性不够好，限制了可测量的长度，且普通光源的亮度也不够。自从激光诞生后，由于它的单色性、亮度高，很快成了精密测量中的理想光源。,激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源的干涉仪，其简化结构如图，待测物体的长度可按下式计算而得：,LN/2 式中 L待测物体的长度；光的波长；N 计数器测得的脉冲数。,
