第三章激光测试技术

第三章激光测试技术第一页，共一百零三页，2022年，8月28日内容提要1、激光原理及技术激光原理概述；激光的基本物理性质；高斯光束；稳频技术；激光调制技术2、激光准直及多自由度测量激光准直测量盘原理；激光准直仪的组成；大气扰动及激光束漂移；激光准直测量的应用；激光多自由度测量技术3、激光视觉三维测量技术激光三角法测量原理；激光视觉测量的基本原理；激光视觉三维测量技术的应用4、其它激光测量技术激光多普勒测速技术；激光扫描测径技术；激光测距技术第二页，共一百零三页，2022年，8月28日3、激光视觉三维测量系统人类的大部分信息是通过视觉系统来获取的。研究了利用计算机等现代化工具来实现视觉功能，以增加对三维世界的理解，由此形成了一门崭新的学科―计算机视觉（Computervision)，又称机器视觉（MachineVision）。近年来，计算机技术及电子技术的不断进步及CCD等光电器件的完善和发展，推动了计算机视觉技术的快速发展。第三页，共一百零三页，2022年，8月28日3、激光视觉三维测量系统目前，计算机视觉技术已被广泛地应用于航空航天、生物医疗、物体识别、工业自动检测等领域。计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测（VisionInspection）技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点，已广泛地应用于工业产品的在线检测。第四页，共一百零三页，2022年，8月28日3、激光视觉三维测量系统视觉检测技术根据照明方式和几何结构关系的不同分为被动视觉（PassiveVIsion）检测和主动视觉（ActiveVision）检测两大类。被动视觉采用非结构光照明，它是根据被测空间点在不同像面上的相关匹配关系，来获得空间点的三维坐标。主动视觉是采用结构光照明，通过结构光在被测物体上的精确定位来获取被测信息。激光具有方向性好、高亮度等优点，利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测，称之为激光视觉检测技术。本章主要讲述激光视觉检测的原理及应用。第五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角法是激光视觉检测技术的基础。激光三角法早期使用He-Ne激光器作光源，体积庞大。近年来，随着半导体激光器、光电位置探测器PSD和CCD的出现及性能的不断完善，三角法在位移和物体表面的测量中得以广泛应用。下面以单点式激光三角法为例讲述激光三角法测量原理。第六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。测量原理直射式三角法若光点在成像面上的位移为x，按下式可求出被测面的位移:式中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；θ为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。第七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。测量原理斜射式三角法若光点的像在探测器敏感面上移动x'，则物体表面沿法线方向的移动距离式中，θ1为激光束光轴和被测面法线的夹角；θ2为成像透镜光轴和被测面法线的夹角。第八页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。测量原理直射式和斜射式有如下特点：1）斜射式可接收来自被测物体的正反射光，当被测物表面为镜面时，不会由于散射光过弱而导致光电探测器输出信号太小，使测量无法进行：直射式由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面。2）在被测物体表面发生位移x时，斜射式入射光光点照射在物体不同的点上。因此，无法知道被测物体某点的位移情况，而直射式却可以。3）斜射式传感器分辨力高于直射式，但它测量范围小、体积大。第九页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器根据三角法测量原理制成的仪器被称为激光三角位移传感器。一般采用半导体激光器（LD）作光源，功率在5mw左右，光电位置探测器可采用PSD或CCD。PSD属于非分割型位置探测器，分辨力高，动态响应快，后续处理电路简单，但线性差，需要精确标定。斜射式三角位移传感器有日本Keyence公司的LD系列，而直射式有Renishaw公司生产的OP2、Keyence生产的LC系列和LB系列等多种型号。其中美国MEDAR公司生产的2101型及Renishow公司生产的0P2型是专门配置在三坐标测量机上用于测量物休三维形貌。第十页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器厂家型号工作距离（mm）测量范围（mm）分辨力（微米）线性（微米）MEDAR210125±2.521.5KEYENCELC-22030±30.23KEYENCELB7240±102±1%REISHAWOP220±2110PANASONIC3ALA7575±2550±1%第十一页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器测量管内壁形貌原理激光三角位移传感器固定在管内行走的小车上，使传感器发出的光束垂直入射于管内壁某一点上，传感器有一输出值。若被测管内壁尺寸沿径向有一个变化量，即入射光点从B点变化到B’点，此时激光三角位移传感器的输出值反映了该变化量。为了获得管内壁的整周信息，步进电机3带动激光三角位移传感器绕管中心做整周回转，使光点沿管内壁表面转动扫描，这样就可测量出管内壁某截面径向的尺寸。小车在管内沿轴向移动，传感器的转角和轴向位移可由步进电机发出的脉冲数求出，这样就完成整个管内壁三维形貌测量。第十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器应用Cyclop超精密激光三角反射位移传感器线性精度高达0.015%激光位移传感器：量程：20/38/70/130mm；量程中点：90/90/160/340mm；线性：3/5/10/20µm；重复性：2/2/3/5µm；频响：<14KHZ；输出：RS422以太网（可选模拟输出）第十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器应用LH系列传感器可提供精确的距离、厚度和对准测量。其应用范围包括热部件、机床加工件、半导体和印刷电路板、发光或反射部件以及柔软或粘性部件。该系列有三种型号，测量范围分别为25-35mm、60-100mm和100-200mm。通过将两个传感器安装在目标的两侧并自动同步，可进行厚度测量。可将最多32个传感器轻松组合至多轨位移或厚度传感器的混合测量网络。第十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器广泛用于火车轮轮缘轮廓测量，公路车辙、平整度测量。也可用于非接触测量位移、三维尺寸、厚度、物体形变、振动、分拣及玻璃表面测量等。第十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器第十六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器这些厚度测量技术主要优势体现如下：

1、非接触测量

2、可控制激光功率，测量不受材料颜色影响，

3、不受材料成分影响

4、小光斑、高分辨率

5、高速测量，频率达50KHz6、对热表面材料，可以远距离测量第十七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器测量范围734×144×794（mm）三坐标测量机三坐标激光扫描式测量系统,第十八页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统用激光作光源可产生各种结构光：点结构光、线结构光及多线结构光，用一个或多个CCD摄像机来接收，通过一定算法来获取结构光所携带的被测物体的三维信息。把由结构光和CCD摄像机组成的测量装置称为激光视觉传感器。按激光产生结构光的形式，激光视觉传感器可分为点结构光传感器、线结构光传感器及多线结构光传感器。第十九页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统点结构光传感器以半导休激光器作光源，其产生的光束照射被测表面，经表面散射（或反射）后，用面阵CCD摄像机接收，光点在CCD敏感面上的位置将反映出表面在法线方向上的变化。第二十页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统线结构光传感器半导体激光器产生的激光经柱面镜变成线结构光，透射到被测区域形成一激光带，用面阵CCD摄像机接收散射光，从而获得表面被照区域的截面形状或轮廓。第二十一页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统多线结构传感器半导体激光器发出的激光扩束后照射到光栅上，便产生多条线结构光，投射到被测表面上形成多条亮带，用面阵CCD摄像机接收，可获得表面的三维信息。第二十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉传感器的数学模型是激光视觉测量技术的核心内容，所建模型越接近测量实际且模型参数能较准确地标定出来，则可获得较高的测量精度。视觉传感器中，CCD摄像机是重要的组成部分，是视觉系统获取三维信息最直接的来源，传感器的建模就是建立摄像机像面坐标系与测量参考坐标系之间的关系。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统第二十三页，共一百零三页，2022年，8月28日根据模型的参数选择，建模方法主要有以下两种。1）完全利用投影变换理论，通过无任何物理意义的中间参数，将图像坐标系与测量参考坐标系联系起来。对该类数学模型的局部标定就是计算中间参数的过程，且对这些参数无任何约束，只要它们结合在一起能完成正确的三维测量就行。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统第二十四页，共一百零三页，2022年，8月28日根据模型的参数选择，建模方法主要有以下两种。2）通过具有明确物理意义的几何结构参数，如光学中心、焦距、位置以及方向等．建立图像坐标系与测量参考坐标系的关系；这类方法的模型参数一般分为摄像机内部参数和传感器结构参数两部分。摄像机内部参数指摄像机内部的几何和光学特性；传感器结构参数指图像坐标系相对于测量参考坐标系的位置参数。这种模型直观，可根据使用场合及要求达到的精度不同。建立不同复杂程度的数学模型。因此，在视觉检测技术中被广泛使用。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统第二十五页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统摄像机理想透视变换模型摄像机是视觉传感器的主要功能元件。被测物体的位置、形状等几何尺寸是从摄像机获取的图像信息中计算出来的，每一点的亮度反映了空间物体表面某点散射光的强度信息，而该点在图像的位置与空间物体表面相应点的几何位置有关，这些位置的相互关系，由摄像机成像模型决定。摄像机的几何模型，即三维物体到二维图像的变换模型，一般定义为式中，g是三维物体P=(x,,y,z)T到二维图像点H=(X,Y)T之间的不可逆变换函数。第二十六页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统摄像机理想透视变换模型摄像机的透视成像通常可以近似地看做是一个针孔成像第二十七页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统摄像机理想透视变换模型1，物空间坐标系到摄像机坐标系的坐标变换物空间坐标系中的坐标转换为摄像机坐标系的坐标包含平移和旋转两种变换。2，摄像机坐标系和像平面坐标系的针孔透视变换在理想情况下，根据针孔摄像机的几何结构，用透视投影变换将摄像机坐标系下的三维坐标变换为图像坐标系下的二维坐标。3，像平面坐标与计算机坐标之间的变换由摄像机摄取的被测物体图像，最终要由图像采集卡变换成数字图像并输入计算机。第二十八页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统实际摄像机模型1．摄像机镜头畸变模型摄像机镜头是非理想光学系统，存在加工误差和装配误差，物点在摄像机像面上实际所成的像与理想成像之间存在光学畸变误差。主要的畸变类型有三种：径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变。径向畸变仅使像点产生径向位置偏差，而偏心畸变和薄棱镜畸变使像点既产生径向位置偏差，又产生切向位置偏差。第二十九页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统实际摄像机模型2．实际摄像机模型像面上的理想像点坐标值应等于实际成像点的坐标值和畸变误差值之和。目前光学系统的设计、加工以及安装都可以达到相当高的精度，薄棱镜畸变很小，可以忽略。一般非高精度的测量，偏心畸变引起的切向畸变也可以不考虑。因此，在一般应用中，只要考虑镜头的径向畸变。复杂的畸变模型不但不能提高测量精度，反而会使数值计算产生不稳定现象。第三十页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统点结构光视觉传感器数学模型点结构光视觉传感器的光透射器发射出一束激光，激光束与被侧物体表而相交产生亮点，亮点经透视成像到摄像机像平面上。点结构光传感器只是在光线上的一维坐标测量。第三十一页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统线结构光传感器数学模型线结构光传感器的光投射器在空间投射出一个光平面，此光平面通过摄像机建立与像平面的透视对应关系。线结构光传感器只能完成光平面内点的二维测量。第三十二页，共一百零三页，2022年，8月28日结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统多线结构光传感器数学模型多线光传感器的光投射器在空间投射出多个光平面，这多个光平面和被测物体表面相截得到多条平面曲线，曲线上的点即为被测对象。各个光平面分别与像平面形成透视对应关系。多线结构光传感器可看做是线结构传感器的扩展。多线结构光传感器的投射器投射的多个光平面照射到被测物体表面上时，形成多个光带，被测区城的表面被这些光带覆盖，因此，除了可以根据其模型测出所有在光带上的物点以外，还可以用各种插值方法或拟合方法测璧出不在光带上的物点，从而实现对被测物体表面的三维连续坐标测量。物体表面的二维测量也可以采用单线结构光扫描来实现。第三十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统在汽车制造过程，车身总成上许多关键点的三维尺寸需要检测，如车窗、车门等，若不符合设计要求，整车就会封闭不严，出现漏风、漏雨等现象；传统的车身检测方法是人工靠模法，即由技术人员用标准模板与从生产线抽取的车身进行对比，检测精度取决于操作者的经验和水平，检测效率很低。三坐标测量机发展以后，用大型的三坐标测量机对车身进行检测，测量精度大幅度提高，但只能实现离线定期抽样检测，效率低，不能全面反映白车身总成的制造质量，更不能满足现代汽车制造在线检测需求，视觉检侧技术很好地解决了这个问题。桥车白车身视觉侧量系统第三十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统桥车白车身视觉侧量系统检测精度2mm第三十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统BGA芯片管脚共面性激光视觉测量系统第三十六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统BGA芯片管脚共面性激光视觉测童系统第三十七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统无缝钢管直线度激光视觉测量系统无缝钢管为获得良好的攻丝质量，在两端攻丝之前应对其直线度进行检测。目前直线度的测量主要有激光准直法、自准直光管检测法以及拉线法等。其中前两种方法是分别以激光和白光作为直线基准，根据靶标或反射镜在被测直线方向逐点移动测出直线度误差，而第三种方法是以拉紧的丝线（如细钢丝）作为直线基准，并采用适当的手段（如电容、电感）测量出直线度误差。上述所有这些方法对无缝钢管直线度都不能进行自动测量。第三十八页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统无缝钢管直线度激光视觉侧量系统用5个线结构光传感器对直径约140mm，长度1.8m的无缝钢管进行了实际测量。钢管轴线上5个测量点的三维坐标图，按任意方向上的最小包容区域直线度评定原则计算出钢管的直线度误差为0.30mm。第三十九页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统无缝钢管直线度激光视觉侧量系统第四十页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统汽车车轮激光视觉定位系统汽车在行驶和转向过程中，4个车轮的定位质量极大地影响汽车行驶的稳定性和可操纵性．特别是对于高速行驶的前轮驭动的汽车，两个前轮的定位质量尤为重要。所以，汽车在出厂前或使用一段时间后，要求对汽车的4个车轮的位置进行校准，使其满足一定的安装要求，以使滚动阻力减到最小，补偿行驶阻力对前轮的前张作用，提高驾驶时方向的稳定性和安全性，减少燃油消耗和轮胎磨损，汽车车轮校准的主要测量参数是前束角和外倾角。第四十一页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统汽车车轮激光视觉定位系统第四十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统汽车车轮激光视觉定位系统第四十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统复杂形状三维测量第四十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统复杂形状三维测量第四十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统复杂形状三维测量文物考古领域医学领域电影特技电影《最终幻想》的虚拟人物第四十六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统激光扫描人脸识别第四十七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统安全检测第四十八页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统安全检测第四十九页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统三维场景检测第五十页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统三维场景检测第五十一页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统三维场景检测第五十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统三维场景检测第五十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光视觉测量的应用3、激光视觉三维测量系统三维场景检测断面测绘数字化城市第五十四页，共一百零三页，2022年，8月28日隧道扫描显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）近场光学显微镜（NSOM）扫描探针显微镜4、其它激光测量技术扫描探针显微镜

ScanningProbeMicroscope，SPM第五十五页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术相较于过去两个世纪，现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因：光学显微镜已经达到了分辨率的极限。对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2μm。任何小于0.2μm的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。

第一代：光学显微镜第五十六页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术第二代：电子显微镜1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）扫描式电子显微镜SEM透射式电子显微镜TEM第五十七页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术第二代：电子显微镜电子显微镜的分辨率可以达到纳米级1.样品处理过程复杂2.要在高真空的环境下操作第五十八页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术第三代：扫描探针显微镜1983年，IBM公司两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM），但只能测导体和部分半导体

1985年，IBM公司Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足第五十九页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术第三代：扫描探针显微镜沉积于云母片上的抗体分子的AFM成像。第六十页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术原子力显微镜的原理AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力第六十一页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术原子力显微镜的原理

（1）将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。（2）由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的力，会使悬臂产生微小的偏转。（3）通过检测出偏转量并作用反馈控制其排斥力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。第六十二页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术原子力显微镜的原理第六十三页，共一百零三页，2022年，8月28日扫描探针显微镜4、其它激光测量技术原子力显微镜的原理AFM-D3100第六十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即所谓的多普勒频移：1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的散射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。随后有人又用该技术测量气体的流速。目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。第六十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到随流体一起运动的微粒上，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而确定流体的速度。第六十六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术假设波源S静止，观察者以速度v移动，波速为c。波长为λ。如果和λ相比，P离开S足够远，可把P处的波看成是平面波。单位时间P朝S方向移动的距离为υcosθ，θ是速度矢量和波运动方向的夹角。这样，单位时间内比P点静止时多接收了υcosθ/λ个波，移动的观察者所感受到的颇率增加如果已知运动方向θ、波速c和波长λ，若测量出观察者感受到的频率增加Δf，便可求出观察者的运动速度。第六十七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术运动微粒上接收到的光源入射光的频率静止光源O发出一束频率为的单色光，该单色光入射到与被测流体一起运动(速度为)的微粒Q上，微粒Q接收到的光的频率是第六十八页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术因此在S处接收到的散射光的频率应为常采用差频法测量多普勒频移。即将入射光与散射光混频，两

束光“混频”产生的拍频信号的

频率就是多普勒频移。S处接收到的微粒Q散射光的频率第六十九页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术差频法测速可分为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。第七十页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术参考光束型测速方法的光路的原理设和分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值则合成光强I应正比于合成电矢量的模平方，由四项组成第七十一页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术参考光束型测速方法的光路的原理光电倍增管实际感受到的合成光强可表示为光电倍增管输出的光电流正比于它接收到的光强，用复指数函数的实部表达它的规律为多普勒频移为可得若入射光在真空中的波长为i，则有第七十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术双散射光束型多普勒测速的原理双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图所示为干涉条纹型。

第七十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术血液流速的测量第七十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术光纤多普勒测速仪原理图

用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图第七十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光多普勒测速技术4、其它激光测量技术管道内水流的测量测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图第七十六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术•激光扫描测量直径是1972年Zygo公司发展起来的 一种技术，有人称之为LaserTele-metricsystem， 有人称之为LasershadowGauge•近在工件外形尺寸测量中得到广泛应用，应用最多的是测量线材直径。•其原理:

用一束平行光以恒定的速度扫描线材，并由放在线材对面的光电接收器接收，投射到光电接收器上的光线在光束扫描线材时被遮断，所以光电接收器输出的是一个方波脉冲，脉冲宽度与线材直径成正比。第七十七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术转镜扫描测径第七十八页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术转镜扫描测径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

ω=2πn反射光束转动的角速2ω线速度:V=f*2ω=4πnf一个计数脉冲对应的间距为:δ=V/v=4πnf/vd直径对应的脉冲数:A=d/δ=dv/4πnf所以:d=4πnfA/v从公式上看:v越大,分辨率越高,f越小分辨率越高第七十九页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术转镜扫描测径转镜扫描测径仪的组成转镜扫描测径仪由三部分组成:测量头、数字显示装置以及电源。

测量头由激光器、同步电机、多面体反射镜、光学系统和光电管等组成一个整体。根据被侧件情况，必须相应考虑冷却、通风及防尘等措施。

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。 转镜扫描侧径仪通常用于直径较大的线材直径侧量。 根据不同参数的测量头，可测直径为0.5---30mm。仪器可 以设计成同时测量水平、垂直两个方向的直径，以便获得 被测件的椭圆度。第八十页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术大直径的测量第八十一页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术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。音叉扫描测径方法适合于测量线径60一200um的金属丝或光导纤维，(当丝无横向运动时可达500um左右)测量精度为1%。第八十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术音叉扫描测径第八十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术音叉扫描测径ωω设扫描光点的运动方程为:

s=A0sinωt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

d=S1-S2

1t1=arcsin 1t2=arcsinS1A0S2A0如果参考信号的运动方程为:V=V0sinωt第八十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术音叉扫描测径S1A0S2A0在t1和t2时所截取的电压分别是

V1=V0sinωt1=V0

V2=V0sinωt2=V0电压差:Vd=V1-V2= A0或:d= Vd

V0V0

A0(S1-S2)=V0

A0d第八十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术扫描镜电流计测径技术第八十六页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术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

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士0.01mm。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，测量精度可达士1um，适合于各种高温、高压下做非接触高精度现场测量。第八十七页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术位相调制扫描测量技术第八十八页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术位相调制扫描测量技术I1=I3;I2=I1+I3设PBS分开的两束光的光强相等，则扫描光①、②、③之间的光强I1,I2.I3，有如下关系:若Pockels调制器的振荡频率为ω，由图6-18可知，光束①+③是(I1+I3)(1+sinωt)。而光束②的方程是I2(1-sinωt)。对任意时刻，调制扫描光束的表达式为第八十九页，共一百零三页，2022年，8月28日激光扫描测径技术4、其它激光测量技术位相调制扫描测量技术1当光束③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③或①时，这时为b区和b'区3当工件边缘开始挡住光束②到全部挡住光束②时2和3的信号正好相差pi第九十页，共一百零三页，2022年，8月28日激光测距技术4、其它激光测量技术

常用的测距技术:

雷达/无线电测距时间回波

超声测距 激光测距远距离(几千米)测量的技术:激光相位测距脉冲激光测距第九十一页，共一百零三页，2022年，8月28日激光测距技术4、其它激光测量技术激光相位测距通过检测被高频调制的连续激光往返后和初始信号的相位差可使测距精度大大提高。连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频率为fυ。激光往返一周的时间可以用调制波的整数周期数及不足一个周期的小数周数来表示。第九十二页，共一百零三页，2022年，8月28日激光测距技术4、其它激光测量技术激光相位测距

(一)激光相位测距原理 相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的 光从A点传播到B点的相移可表示为

光从A点传播到B点所用时间为t， 则A、B两点之间的距离若测量出某一时刻的相位，则测出波通过的距离第九十三页，共一百零三页，2022年，8月28日激光测距技术4、其它激光测量技术激光相位测距为方便测量出相位变化，一般采用反射式则实际上：

1.cos为2π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0-2π之间的相位变化第九十四页，共一百零三页，2022年，8月28日激光测距技术4、其它激光测量技术激光相位测距相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数△φ，即只能确定余数△m=△φ/2π，而不能确定相位的整周期数m。因此，当被测距离L大于Ls时，用一把光尺是无法测定距离的。当距离小于Ls时，即m=0时，可确定距离所以:一般采用调制技术,变相增大测量范围,即增大波长

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精度，最长的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。第九十五页，共一百零三页，2022年，8月28日激光测距技术4、其它激光测量