激光在精密计量中的应用(一)

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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1一．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。2脉冲激光测距仪的原理和结构较简单，测程远．主要

2、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。a)工作过程32．相位测距法在工程建设中进行测量时．常用30m或50m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

3、“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。4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，则由图4.1.2—5看出，φ可由2π的倍数来表示：φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π从图4.1.2—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)5实际上为了使用方便，在B点设置反射器图4.1.2—6说明了光波在距离D上往返后的相位变化。则2D=λ(N+Δ

4、n)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。6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。例如仪器的测相误差为0.1％，当测尺长度

5、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，386．57m……两尺组合起来的总读数7二.直径的激光检测1.大直径的测量为了使用小口径的透镜去测量大

6、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。8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D09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

7、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10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。1112式中K＝1，2…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

8、于能量高度集中，条纹可以更加清晰，衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹数目多)。13由前知，夫琅和费衍射要求光源和衍射场位于