第三章 激光衍射测量技术.ppt

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1、激光测量技术LaserMeasurementTechnology第三章激光衍射测量技术§3.1激光衍射测量原理光的波长短，对很小的孔/屏、狭缝/细丝才有明显的衍射现象；特点：全场，非接触，稳定性好，自动化程度高，精度高菲涅耳和夫琅禾费衍射一、菲涅耳和夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是本章进行衍射测量的基本原理二、单缝衍射测量(一)单缝衍射测量原理观察屏上的光强分布：测定任何一个暗条纹的位置就可以精确知道被测间隙的尺寸暗条纹位置(二)单缝衍射测量的基本公式由远场衍射条件有由暗条纹的公式知:当θ不大时则有:——单逢衍射测量的基本公式被测物尺寸改变时，相当于狭缝尺寸改变，由下式可求出被测物尺寸或轮廓

2、的变化量(三)单缝衍射测量的分辨力、精度和量程1.测量分辨力衍射测量灵敏度缝宽b越小，级数越高，L越大,波长越长,分辨力越高灵敏度反映了狭缝衍射对尺寸的放大倍数,即放大了1/t倍；Xk的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力例：由仪器的随机误差理论，可得到衍射测量误差为2.测量精度考虑环境因素的影响，一般测量的精度可达±0.5μm例：1)b越小,β越大,衍射明显2)b越小,XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显3)b越大,XK变小,条纹变密,传感器不易放置,灵敏度下降3.测量量程L>>b2/λ,仪器尺寸限制,b基本确定，L=1000mm，b<<0.8mm一般d的宽度取0.01mm-0.5

3、mm三、圆孔衍射测量屏上接收光强：其中：爱里斑尺寸1、间隙测量法1）尺寸比较测量基于单缝衍射原理2）形貌测量3）传感器应用：§3.2激光衍射测量方法(1)绝对测量法(2)增量测量法间隙法测量位移，有两种方法基本装置：测量应变装置:间隙测量法作为灵敏的光传感器可用于测定各种物理量的变化，如应力、压力、温度、流量、加速度等2、反射衍射测量法由于平面镜作用，相当于缝宽为2b的单逢衍射，则第k个暗条纹满足下列条件:利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的有将上式展开进行三角运算所以有:θ为任意值，可以测量某一θ角度下的两个xk值求解特点：1、灵敏度提高一倍2、入射光可以以一定角度入射，布

4、置方便应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等3.分离间隙法利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹进行精密测量的方法被称为分离间隙法P1出现暗条纹的条件：问题：组成狭缝的两棱边不在同一平面内P2点出现暗条纹的条件：可得：由可得分离间隙衍射的缝宽公式为当k1=k2时应用举例:4、互补测量法用平面光照射两个互补屏时，它们产生的衍射图形的形状和光强除光源点的几何像点之外完全相同，仅复振幅的位相差为π。巴俾涅原理细丝,薄带可进行衍射测量:互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0l—0.1mm测量精度可达0.05μm5.爱里斑测量法基于圆孔的夫琅和费衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗环没

5、有十分明显的边界，因此采用能量比较法间接测量测量对象：直径约在10~90μm范围之间的喷丝头假设：通过微孔衍射所得到的明暗条纹的总能量不随孔的微小变化而变化，但明暗条纹的强度分布随孔的变化而急剧改变。方案：设计使光电探测器5接收衍射图的全部能量（中心亮斑和前四个亮环即可），光电接收器7只接收艾里圆的部分光能量，通常选取艾里圆面积的一半。电压比较器将光电接收器5和7的电压信号进行比较从而得出被测孔径。6.衍射频谱检测法由傅里叶光学知:平面光波射向衍射屏后在远场发生夫琅和费衍射,衍射光强分布由衍射屏复振幅的傅里叶变换所决定。激光衍射频谱检测法是利用衍射条纹傅里叶变换面上的频谱变化，对工件表

6、面缺陷进行检测，应用于金属筛孔、集成电路掩模、纤维、线材及硅片等的表面检测。1.傅里叶变换检测法直接利用透镜的傅里叶变换特性，用光电探器探测物体的频谱，对信号进行分析和处理、然后判定是否有缺陷。应用方法:2.二次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大小以及缺陷的位置。一、构成各种物理量的传感器§3.3激光衍射测量的应用激光衍射测量是一种高精度、小量程的精密测量技术许多物理量，如压力、温度、流量、折射率、电场或磁场等，都可通过相应的转换器转成直线性的位移，然后利用激光衍射效应进行测量。二、薄膜材料表面涂层厚度测量此类微小间隔测量装置

7、还可以用于旋转轴的径向跳动、圆棒直径的变化和圆柱度等的静态和动态测量三、全长剖量测量要求棱缘全长都同时被激光束照亮，通常用于测量线状边缘的物体，也可以测定曲率较小的弧形或一些不规则的构件。四、位移和间隔的远离测量还可用于研究封闭容器中（如真空中）弹性物体的变形情况，以便作为传感器监视地震或重力加速度的变化。特点：检测器可以离传感器很远，对在需要遥测或有害环境下观察特别有利。五、振动的测量悬板相对于基准棱缘在半个周期中不断改变缝宽b,于是引起衍射