lesson6激光在精密测量中的应用

1、1激光在精密测量中的应用主要内容：激光干涉测长激光衍射测量激光测距激光准直2一、干涉测长的基本原理一、干涉测长的基本原理1.激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,用干涉条纹来反映被测量的信息。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。图6-1 激光干涉测长仪的原理图激光干涉测长32NL 2.被测长度与干涉条纹变化的次数N和干涉仪所用光源波长之间的关系是 将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜M2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个

2、波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。 图6-1 激光干涉测长仪的原理图4二、激光干涉测长系统的组成1. 除了迈克尔逊干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括： 激光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器，输出的是波长为632.8纳米的红光。 可移动平台携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜沿入射光方向平移，由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动。 光电显微镜的作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号。 光电计数器对干涉条纹的移动进行计数。 显示和记录装置是测量结果的输出设备，显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数及与之对应的长度。图6-

3、1 激光干涉测长仪的原理图51.光的衍射现象 按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位置关系，可分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。 菲涅耳衍射是有限距离处的衍射现象，即观察屏到衍射物的距离比较小的情况，也称近场衍射。 夫琅和费衍射是无限距离处的衍射现象，在观察屏离衍射物可以近似做无限远时才能观察到，也称远场衍射。 激光衍射测量62.单缝衍射测量 单缝衍射测量的原理： 激光单缝衍射测量的基本原理是单缝夫琅和费衍射，条纹的光强可表示为： 图6-9 衍射测量原理图220sinII Lb2/时 sinb其中：为衍射角，I0是=0时，即光轴上的光强当=,2,n时，出现的一系列I=0的暗条纹

4、。测定任一个暗条纹的位置及其变化就可以精确知道被测间隙b的尺寸及尺寸的变化 7当被测物体尺寸改变时，相当于狭缝尺寸改变，衍射条纹的位置也随之改变,可得 kxkLb0011kkxxkLbb对第k个衍射暗条纹有 kbsin当不大时, Lxtgksin所以 单缝衍射测量的基本公式: ,（式中xk为第k级暗条纹中心距中央零级条纹中心的距离）。图6-9 衍射测量原理图0,bb分别为起始缝宽和变化后的缝宽； 0kkxx，分别为第k个暗条纹的起始位置和变化后的位置。 83. 圆孔衍射测量 接收屏上衍射条纹的光强分布为 图6-10 圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图210)(2xxJIIP设中心亮斑(即第一暗环)的

5、直径为d afd22. 1当平面光波照射的开孔为圆形时，其远场的夫琅和费衍射像是中心为一圆形亮斑，外面绕着明暗相间的环形条纹。 sin2ax 其中：衍射图中央是亮斑（爱里斑），它集中了84%左右的光能量。测定爱里斑的大小或其变化可以精密地测定或分析微小内孔的尺寸。 9激光测距 在生产实践和科学研究中，常常会遇到测量距离的问题。如在大地测量和地质勘探中，需要测出两个山头之间的距离；在建造大桥时，则需要测量大江两岸的间隔。而在军事上，炮位的瞄准、远距离打击等更离不开距离的正确测量。 光电测距是较早提出的一种物理测距方法，早在四十年代末五十年代初就制成了光电测距仪并实际应用于地面目标之间距离的测量。

6、但是，当时的光电测距仪，受到了光源的亮度与单色性的限制，没有能得到很大的发展。 六十年代初期，激光的出现对光电测距仪的发展起了极大的推动作用。激光亮度高、单色性好、方向性强、光束狭窄，是光电测距仪的理想光源。与其他测距仪（如微波测距仪、光电测距仪等）相比，激光测距仪具有探测距离远、测距精度高，抗干扰性强、保密性好以及体积小、重量轻、重复频率高等特点。 在成功地进行了月球和人造地球卫星的激光测距后，各种民用和军用激光测距仪历经几代的研究改进，现已大量用于实际工作中。 10激光测距仪的分类激光测距仪的分类按照测量距离可分为下述三类： 1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量

7、2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震预报等 3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离按照测量方法的不同，激光测距可分为激光脉冲测距和激光相位测距111.激光脉冲测距原理 原理:通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返回的激光脉冲控制计时器关门，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时间完成测距的。其计算公式为： ctd212.激光脉冲测距仪的结构 图6-18 激光脉冲测距仪的简化结构激光脉冲测距仪的工作过程：当测距仪对准目标后，激光器就发出一个很强很窄的光脉冲。光脉冲经过发射望远镜压缩发散角。在光脉冲发射出去的同时，其中极小一部分光立即由两块

8、反射镜反射而进入接收望远镜，经过滤光片到达光电转换器变成电信号，电脉冲经过放大整形后送入时间测量系统，使其开始记时。而射向目标的光脉冲，由于目标的漫反射作用,总有一部分光从原路返回来，而进入接收望远镜，它同样也经过滤光片、光电转换器、放大整形电路而进入时间测量系统，使其停止计时。时间测量系统所记录的时间，再经过计算在显示器上直接给出测距仪到目标的距离。 一、激光脉冲测距123. 激光脉冲测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应具有足够的强度。 光束不可避免的要有一定的发散,再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光线就越弱，甚至根本接收不到。 光脉冲的方向性要好。 这有两个作用，一方面可把

9、光的能量集中在较小的立体角内，以射得更远一些；另一方面可以准确地判断目标的方位。 光脉冲的单色性要好。 空中总会存在着各种杂散光线，这些光线往往会比反射回来的光信号强的多。 光脉冲的单色性越好，滤光片的滤光效果也就越佳，这样就越能有效的提高接收系统的信噪比，保证测量的精确性。 光脉冲的宽度要窄。 光脉冲的宽度窄可以避免反射回来的光和发射出去的光重叠起来。由于光速很快，假如目标离测距仪15km，则光脉冲往返一个来回只需要万分之一秒，因此光脉冲的宽度要远小于万分之一秒才能正常测量，若要测更近的距离，则光脉冲还要更窄才行。 134. 激光巨脉冲的产生 测距时用的光脉冲功率是很大的，一般其峰值功率均在

10、一兆瓦以上，脉冲宽度在几十毫微秒以下。这样的光脉冲叫做“巨脉冲”。但是，一般的激光脉冲并不是巨脉冲，宽度较大（约1ms左右），同时脉冲功率也不够大，所以不能满足测距要求。对激光器采用调Q技术可使之满足测距要求。 14二、激光相位测距原理:测定连续的调制激光在待测距离d上往返的相位差来间接测量传播时间的。光源采用强度被调制的激光器，连续的调制光波在传播过程中的调制相位不断变化，每传播等于调制波长的距离，相位就变化2。所以距离d、光波往返相位差和调制波长之间的关系为 22调制d2调制sL在相位测距中叫做测尺长 2是距离d内包括测尺长的数目。 15距离d、光波往返位相差和调制波长调制之间的关系为：)

11、2(2222NLddsLNs调制且令调制当距离d大于测尺长Ls时，仅用一把光波测尺是无法测定距离的。但是，当d小于Ls时，20sLdN通常测距仪都有一个基本测尺长度Lsb和若干个辅助测尺长度。基本测尺决定测量精度，又叫精测测尺；辅助测尺用来粗测，又叫粗测测尺。例如，选用两把测尺，其中基本测尺长度Lsb=10m而一个辅助测尺Ls1=1000m，用它们分别测量一段的距离d=386.57m。用Lsb可测得不足10m的尾数为6.57m，用Ls1可测得不足1000m的尾数为386m，将二者结合起来，考虑到6m是重叠部分，于是就可得到d=386.57m16激光准直 激光具有极好的方向性，一个经过准直的连续

12、输出的激光光束，可以认为是一条粗细几乎不变的直线。因此，可以用激光光束作为空间基准线。 激光准直仪能够测量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以作三维空间的测量基准。由于激光准直仪和平行光管、经纬仪等一般的准直仪相比较，具有工作距离长、测量精度高、便于自动控制、操作方便等优点，所以广泛的应用于开凿隧道、铺设管道、盖高层建筑、造桥修路、开矿以及大型设备的安装定位等方面。 17激光准直仪的原理和结构 激光准直仪一般都用具有连续输出的氦氖激光器，并且通常使用的是基横模输出。激光束横截面上的光强分布是高斯分布，光束的能量大部分集中在有效半径为z0的截面内的。激光光束中心上光强最大，其分布中心的连线构成

13、一条理想的准直基准线。由于衍射效应，光束略有发散，光斑半径z0也随着传播距离的增加而增加，但其分布中心的连线总是直线，其远场发散角2 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化18 TEM00光束远场发散角2的公式为： 02200001)(22zzz当 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化例如，对于0=0.4mm的激光光束来说，相应的 ，在距离束腰为z0=50m的截面上，z0只有大约2.5厘米。 rad3105 . 019激光准直仪采用光电探测器来对准，因此准直仪的基本组成有如下 激光准直仪的基本组成方框图20光电目标靶 激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光探测器图6-23 四象限光电探测器原理图激光准直仪的光电目标靶通常用的是四象限光探测器，由上下左右对称装置的四块硅光电池组成。当激光束照射到光电池1,2,3,4上时，分别产生电压V1,V2,V3,V4。如果光束正好对中， V1=V2=V3=V4。若光束向上偏， V1V2；光束向下偏，则V2 V1。把V1, V2输入到运算电路，经差分放大后由指示电表就可以指示出光束上下的偏移量。同理可以得到另一组指示电表说明左右的偏移量。运算电路根据上下或左右的偏移量的大小输出一定的电信