激光在精密计量中的应用.ppt

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第六章 激光在精密计量中的应用
激光测距
直径的激光检测
激光测长
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。
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。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。
工作过程
2．相位测距法
在工程建设中进行测量时．常用30 m或50 m的卷尺(钢皮尺)一“链”复一“链”地进行测量，如图所示，其结果是整“链”数与卷尺长度的乘积再加上最后不足一整“链”过程可用下式表达

式中 D——待测距离；
Ls——测尺长度；
N——零或正整数，即整链数；
ΔL——不足整尺的距离尾数。
D＝NLs+ΔL
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。
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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λ可由下式求出 λ=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φ，—5看出，φ可由2π的倍数来表示：φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π
—5可看出，光波每前进一个波长λ，相当于相位变化了2π，因此距离D可表示如下： D＝λ(M+Δm)
实际上为了使用方便，在B点设置反射器
—6说明了光波在距离D上往返后的相位变化。
则2D=λ(N+Δn)或 D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)
式中 N—零或正整数，为波长λ或相位2π的倍数；
Δn—是个小数, Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；Ls—称它为测尺长度，Ls ＝λ/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 D＝LsΔn ＝LsΔφ/2π
此时Δφ不会超过2π，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。
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）。
但由于测尺长度越大，带来的测距误差也会越大。％，当测尺长度Ls＝10m时，会引起1cm的距离误差；而当L＝1000m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，Lsa＝1000m，，，用Lsa测量可得不足1000m的尾数386m，，即
…… Lsb读数，
386 …… Lsa读数，
386．57m……两尺组合起来的总读数


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。
（c）被测件12的直径大于D0
（b）被测件12的直径小于D0
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

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，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。
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