第六章激光其它测量技术

1、激光测量技术Laser Measurement Technology第六章 激光其他测量技术第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术 一、多普勒测速原理 二、激光多普勒测速仪的组成 二、激光多普勒测速技术的应用 四、多普勒全场测速技术 第二节 激光扫描测径技术 一、转镜扫描测径 二、音叉扫描测径 三、扫描镜电流计测径 四、位相调制扫描测量技术 第三节 激光测距技术 一、激光相位测距 二、脉冲激光测距 任何形式的波传播，由于，会使发生变化，即所谓的多普勒频移。1842年奥地利科学家多普勒1964年，Yeh和Cummins首次水流中粒子的散射光有频移，证实了。流体力学、空气动力学、燃烧学、生物

2、医学以及工业生产中的速度测量。 一、多普勒测速原理一、多普勒测速原理激光多普勒测速技术 (LDV)的工作原理是Vcosf = 引起多普勒频移的: a 波源或者接收器的相对运动 b 波传输通道中的物体运动假设波源静止，观察者以速度v移动，单位时间内观察者所感受到的频率fVcosVcos=ffc 频率的相对变化从P点看:pc-f= V K从U处看:Dc+f= V Upppcf=呈现在微粒P上的波长和频率的关系所以有21DffccVUKV KV U由于,vc上式中的最后一项略去，可得1DffcVUK则多普勒频移为Dfff VUK如果接收散射光和光源入射光之间的夹角为，则可以写为由于光频率极高，在实际

3、测量中，常采用，即把入射光和散射光同时送到光接收器上，由光电器件的平方律检波特性，在它们的输出电流中只包含两束光的差频部分，这样能接收到由于粒子的运动速度所引起的光频微小变化。或2sin2vf 2sin2vf二、激光多普勒测速仪的组成二、激光多普勒测速仪的组成多普勒频移相对光源波动频率来说，因此必须用的激光作光源；为便于，通常使用。 功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较大的情况LDV按光学系统的结构不同，可分为: 、参考光束型和单光束型三种光路 功率较大，信号较强，用得最广 光学系统分和两部分。发射部分由分束器及反射器把光线分成强度相等的两束平行光，然后通过会聚透镜L1聚焦在待测粒子P上；接

4、收部分用接收透镜L2把散射光束收集，送到光电探测器上。为避免直接入射光及外界杂光也进入接收器，在相应位置上设有挡光器及小孔光阑。 ，使用时不受现场条件的限制，可在任意方向测量，且。进人光电探测器的散射光来自两束具有同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的散射微粒都发生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。调整时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，使用很方便。为使结构紧凑，常使光源和接收器置于一测，称为LDV实际是利用示踪粒子产生的散射光的多普勒频移来获的速度信息的。因此LDV实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在

5、流体中一般都能较好地跟随流动。如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。激光多普勒信号非常复杂： 由于流速起伏，所以多普勒频移在一定范围内起伏变化，是一个信号。 因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化，则频移的。粒子是离散的，每个粒子通过测量区又是随机的，故。光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上外界环境因素的干扰，使信号中伴随许多噪声。 信号处理系统的是从这些复杂的信号中提取那些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。多普勒信号处理:频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、滤波器组分析法、光子计数相关法、扫描干涉法等。通过频率反馈回路自动跟踪一个具

6、有频率调制的信号，并把调制信号用模拟电压解调出来。压控振荡器频率反映了平均流速大小，压控振荡器的控制电压u反映流体的瞬时速度。测量n个多普勒信号周期对应的时间，从而测出频率2）频率计数法频率计数法ndv =t 测量精度高，且可送入计算机处理，得出平均速度、湍流速度、相关系数等气流参数；取样和保持型仪器，没有信号脱落，；几乎包括了所有其他方法所能适用的范围，从极低速到超音速流体的测量，且不必添加散射粒子。测频范围1kHz100MHz，可测速度范围2mm/s2000m/S，测量精度40MHz 处1%， 100MHz 处2.5%.Dantec公司的LDA系统三、激光多普勒测速技术的应用三、激光多普勒

7、测速技术的应用非接触测量、不干扰测量对象、测量装置可远离被测物体、精度高、动态响应快、空间分辨率高、具有线性特性。多普勒测速仪与显微镜的组合，显微镜用以捕捉目标，具有极高的空间分辨率，可用以观察毛细血管内血流的流动，被测点可以是60m的粒子。探头体积小，便于调整测量位置，可以深入到难以测量的角落，并且抗干扰能力强，密封型的光纤探头可直接放入液体中使用。后向散射参考型光路，参考光路由光纤端面反射产生。 四、多普勒全场测速技术四、多普勒全场测速技术只能对流场中的进行测量，如要做全场测量，则需逐点扫描，故只限于变化较小的流动，不能用于非定量流。多普勒全场测速技术(Doppler Global Vel

8、ometer DGV)，可对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求，特别适合于测量。1.测量原理测量原理利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获得全场的速度信息，从而实现全场、实时的三维测量。 一般工作在f1-f2线性段，带宽约为600MHz。如频率为fi激光对该物质透过率为T0，穿过流体后的多普勒频移为fD，由于不同频率对应不同的透过率，透过率发生T的变化，这样把频率变化转化为光强的大小。分子蒸气或蒸气，有很多吸收线能匹配现有的激光频率。氩离子激光的514.5 nm谱线在碘吸收线的近旁，YAG激光倍频后的532.0 nm 谱线与碘及嗅

9、相配。将分子蒸气灌注在一个密封容器中，并保持恒温，如把缓冲气体加进分子蒸气室中，可增加吸收区以扩宽频率范围。由于从不同方向入射于分子蒸气的光线互不干扰，故可对整个视场各点同时进行测量。用一台视频相机(如CCD摄像机)对被光屏照明的物面进行拍摄，记录由该物面散射并透过鉴频器后的光线；视频信号采集后送入计算机进行分析处理，得到实时的全场定量速度值。使用三个放于不同位置的记录装置进行记录123123111DDDfffVUKVUKVUK可测量空间任意点的三维速度信息2. 测量装置测量装置由视频相机分辨率决定，视频相机的每一个像素与光屏中的一个测量点对应，这些点是一个被光屏厚度及相机成像分辨力决定的微小

10、体积元，测量速度是这些微体积元中粒子的平均速度；用变焦镜头可改变观察范围及空间分辨力。在装置中附加一个视频相机，把未经鉴频器的“背景光”记录下来作为参考像，测得的信号光强与参考光强进行相除比较，来消除屏照明及各区域粒子散射强度不均匀造成的影响。为消除光源波长漂移，要求激光的谱线窄、单模、稳频，鉴频器放在恒温室内。1) 设变焦镜头像平面上某点的光强为 I滤光片6的透射率为TF，鉴频器5的透射率为T(f)CCD1路的光强为：CCD2路的光强为： sIRICCD的光强-电压转换系数为ccd1sccd2RV= aI T(f)V= aI TF F ccd1ccd2V= T(f)V则CCD1和2的输出电压

11、分别为参考信号与测量信号相除比较后的信号若鉴频器吸收特性曲线的线性区斜率为K，则鉴频器的透过率可表示为( )()()ssDT fT ffT fKf于是有( )()()()( )()ssssDsDRRsVfVfT ffT fKfVfVf( )()1( )()sssDRRsVfVffK VfVf即测量过程中，只要实时记录两视频相机输出信号的比值，便可求得任一时刻的多普勒频移fD。u由于两CCD要求像面完全重合，光程应该尽量一致。u测量为CCD1与CCD2输出电压的比值，因此两CCD参数尽量一致，其物理参数尽量一致的同时，曝光时间、采样间隔应严格同步。u由于求频率是由鉴频器的特性决定, 鉴频器应该恒

12、压、恒温措施。工件外形尺寸测量，主要是激光扫描测量直径是1972年公司发展起来的一种技术，有人称之为，有人称之为一、转镜扫描测径一、转镜扫描测径用，并由放在线材对面的光电接收器接收，所以光电接收器输出的是一个方波脉冲，。1.扫描测径原理 设晶体的振荡频率为v，电机转速为n，多面体的面数为N，透镜焦距为f，通光孔径为D，被测件扫描的平均次数为m，则电机转动的角速度 =2n线速度: V=f *2=4n f 一个计数脉冲对应的间距为: =V/v =4 n f/v d直径对应的脉冲数: A=d/ = dv/4 n f 所以: d=4 n f A/v从公式上看: v越大,分辨率越高, f 越小分辨率越高

13、2.转镜扫描测径仪的组成由三部分组成数字显示装置可以显示被测件直径的绝对值或偏差值。电源部分包括氦氖激光电源和同步电机专用电源。透镜的通光范围要根据测量范围、被测件的振动幅度以及测量范围、被测件的振动幅度以及中心位置的可能移动范围中心位置的可能移动范围选定。同时为了形成较好的平行光扫描，希望光学系统的尽可能，但是焦距太大会使测头的体积增加，一般相对孔径取。被测件20mm以下，通光孔径D=50mm，透镜焦距200300mm测量头由激光器、同步电机、多面体反射镜、光学系统和光电接收器等组成一个整体。转镜扫描侧径仪通常用于直径较大的线材直径测量，可测直径为0.530 mm。仪器可以设计成同时测量水平

14、、垂直两个方向的直径，以便获得被测件的椭圆度。3.大直径的测量转镜激光扫描法的测量范围受到透镜尺寸的限制，可采用相对测量法扩大测量直径。测定直径范围 110mm180mm，测定误差为3040m二、音叉扫描测径二、音叉扫描测径 对于线径在0.5mm以下的物体，由于线径小，扫描区间窄，扫描镜不需要大幅度的转动，因此可以采用音叉或电流计等作为镜偏转驱动装置。扫描光点是非匀速的正弦振动，需要一附加的和音叉振动同位相的正弦波参考信号。利用光束扫描刀口时的脉冲信号，检测出音叉正弦振动的位相，并控制一信号发生器产生与音叉振动同位相的参考正弦波信号；光束扫过标准线的信号用作控制音叉振幅，使之稳定。设扫描光点的

15、运动方程为:tASsin0光点在扫描方向横切细线两侧的时间为t1和t2，坐标为S1和S2，则20210121sinsintAStASSSd如果参考信号的运动方程为:tVVsin0在t1和t2时所截取的电压分别是020202010101sinsinASVtVVASVtVV音叉扫描测径方法适合于测量线径的金属丝或光导纤维，(当丝无横向运动时可达500m左右)，测量精度为。电压差:ddVVAddAVSSAVVVV0000210021或测头体积小，由于采用音叉扫描，可以长期连续工作，使用寿命长，动态精度好。三、扫描镜电流计测径三、扫描镜电流计测径镜偏转由驱动电流控制，驱动电流操纵扫描镜电流计，电流计的

16、基本扫描作用是把恒定的角速度转换成扫描平面内的恒定线速度。适合于各种光导纤维或金属细丝的线径测量，精度1%以内以恒定角速度转动，当转过一个微小角度（3）后迅速返回到它的起始位置。光点扫过纤维时得到相应的脉冲信号宽度与线径成近似线性关系四、位相调制扫描测量技术四、位相调制扫描测量技术影响激光扫描测量精度的主要因素： 工件边缘的衍射现象工件边缘的衍射现象衍射使被测工件的边界模糊，用时间脉冲计数时，必然引入误差，使前述的光点扫描测量精度限制在0.01 mm。位相调制扫描测量技术采用空间调制光束来扫描工件，通过测量位相，而不是测时间来获得被测件的尺寸，测量精度可达1 m，适合于各种高温、高压下做非接触

17、高精度现场测量。设PBS分开的两束光的光强相等，则扫描光、之间的光强I1,I2.I3，有如下关系:若Pockels调制器的振荡频率为，由图6-18可知，光束+是(I1+I3) (1 + sin t)。而光束的方程是I2(1-sin t)。对任意时刻，调制扫描光束的表达式为31231;IIIIItIIIIIIITsin2313211当光束与工件相遇时为a区，扫描光束扫过工件后为a区2当工件边缘开始挡住光束或时，这时为b区和b区3当工件边缘开始挡住光束到全部挡住光束时2和3 的信号正好相差321IIIIIaatIIIIIbsin2121tIIIdsin11工件尺寸由相位突变点来决定，可获得很高的测

18、量精度常用的测距技术:利用电磁波探测目标的电子设备；发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。测量实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差；测量是利用天线的尖锐方位波束测量；测量靠窄的仰角波束测量；根据仰角和距离就能计算出目标高度；测量是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。 远距离(几千米)测量的技术:原理和雷达类似，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。指的是无导轨测距短程:合成波长 半导体激光调频测距一、激光相位测距一、激光相位测距(一)激光相位测距原理 光从A点传播

19、到B点的相移可表示为)(22mmm光从A点传播到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离)(2mmfcctLu通过对光的强度进行调制来实现的为方便测量出相位变化，一般采用反射式)(2mmL实际上： 1. cos为2周期的函数， 不能直接测出m的变化量 2. 一般的检相电路,只能检出0-2之间的相位变化则)()(2mmLmmLs调制光波的波长是相位测距的一把相位测量技术只能测量出不足2 的相位尾数 ，即只能确定余数m=/2 ，而不能确定相位的整周期数m。当距离小于Ls时，即m=0时，可确定距离如果被测距离较长，可降低调制频率，满足Ls L，但由于测相系统存在的测相误差，增大Ls会使测距误差增大。

20、22L为能实现长距高精度测量，可同时使用Ls不同的几把光尺：最短的尺用于保证必要的测距，最长的尺用于保证测距仪的。目前，采用的测距技术主要有和（二）激光相位测距技术（1）直接测尺频率）直接测尺频率ssLcf2/由测尺量度Ls可得光尺的调制频率测尺长度直接由测尺频率决定直接测尺频率一般应用于短程测距，如GaAs半导体激光短程测距仪直接测距仪测程为100km，要求精度0.01m，若相位测量系统的精度为1%，则需三把光尺：MHzfkHzfkHzfmLmLmLssssss15,150,5 . 1,10,10,1032132135为相应光的调制频率分别（2）间接测尺频率）间接测尺频率(合成波长合成波长)

21、(111mmLLs)(222mmLLs)()()(21212121mmLmmmmLLLLLsssss式中：21212121212121,2/;,2121mmmmmmffffcffcLLLLLsssssssssss即通过测量fs1和fs2频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把fs1和fs2 称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。（三）相位测量技术主控振荡器1信号为)cos(1ssstAe发射后经2L距离返回接收机，接收到的信号)cos(2ssstAe振荡器2信号为)cos(111tCe将以上信号进行混频，在混频器输出端分别得到差频参考信号和测距信号)()(c

22、os11ssrtDe)()(cos11ssstEeu采用差频测相技术差频后得到的低频信号进行相位比较，可采用平衡法测相，也可采用自动数字测相法。平衡法测相结构简单、性能可靠、价格低，但精度较低，常会有1520或更大的测相误差。此外，有机械磨损，测相速度低，并难以实现信息处理。自动数字测相法测相速度高，测相过程自动化，便于实现信息处理，且测相精度高，可到24。用相位检测电路测出这两个混频信号的相位差，通常选取测相的低频频率为几千赫兹到几十千赫兹。光源：GaAs系列红外激光二极管调制频率：f1=15MHz，f2=150kHz基准信号频率：fI1=14.006MHz，fI2=146kHz既能保证大的

23、测量范围，又能保证较高的绝对测量精度二、脉冲激光测距二、脉冲激光测距利用(一般可达兆瓦级)的特点，有的情况下，脉冲激光测量可达的测程。在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的取得反射信号，也可以进行测距。地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光回波回波:经过待测距离L后射向被测目标，被反射回来的脉冲激光回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可算出待测目标的距离 L=ct/2 计算公式设计时时钟的频率为f0, 则测距时光往返的时间为: T=N/ f0 ，所以距离为: L=cN/2 f0所以脉冲激光测距的分辨率: PL=c/2 f0f0一般在几百兆赫兹以内, c=3*108m/s所以脉冲激光测距的分辨率较低,一般为数米量级tctLc22u光速c的精度取决于大气折射率n的测定，