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1、 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 ,如图,用干涉条纹来反映被测量的信息。两束光的 光程差可以表示为 2.被测长测长 度与干涉条纹变纹变 化的次数和干涉仪仪所用光源 波长长之间间的关系是 3.从测测量方程出 发发可以对对激光干 涉测长测长 系统进统进 行 基本误误差分析 9.1激光干涉测长二、 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，可移动平台，光电显微镜，光电 计数器和显示记录装置。 2.迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其 分光器件、反射器件和总体布局有若干可能的选择。 3.干涉仪仪的分光器件
2、原理可以分为为分波阵阵面法、分 振幅法和分偏振法。 分振幅平行平板分光器和立方棱镜镜分光器 偏振分光器(由晶轴轴正交的偏光棱镜组镜组 成如沃拉斯 顿顿棱镜镜)。 4.干涉仪仪中常用的反射器件:平面反射器、角 锥锥棱镜镜反射器、直角棱镜镜反射器、猫眼反射器 . 5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射 器的光路布局。 6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分 。常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金 属膜移相和偏振法移相。 机械法移相原理图7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差 /2的干涉条纹的光强信号，该信号经放大，整形 ，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差 /2的脉冲信
3、号。 判向计数原理框图三、 激光外差干涉测长技术 1.外差干涉仪仪：在干涉仪仪的信号中引入一定频频率 的载载波，使被测测信号通过这过这 一载载波来传递传递 ，干 涉仪仪能够够采用交流放大，隔绝绝外界环环境干扰扰造 成的直流电电平漂移。利用该该技术术的干涉仪仪就为为 外差干涉仪仪,或交流干涉仪仪. 2.产产生干涉仪载仪载 波信号的方法有两种即: 3.双频频激光干涉仪仪 的光路如图图，其中 氦氖氖激光器上沿轴轴 向施加以磁场场，由 于塞曼效应应激光被 分裂成有一定频频率 差的左旋偏振光f1和 右旋偏振光f2 光外差干涉 准外差干涉4.测测量反射镜镜运动产动产 生的多普勒频频移为为 5.测测量镜镜的
4、位移量的计计算 四、 激光干涉测长应用举例1.激光测测角的原理与小角度干涉仪类仪类 似,都是采 用三角测测量原理。被测的转角为： 激光测角原理示意图1:偏振分光棱镜组；2: 角锥棱镜组；3, 3: 检偏器；4, 4: 光电接收器 ；5,5: 放大器；6: 倍频和计数卡；7: 计算机 双频激光干涉仪测量空气折射率1:偏振分光棱镜；2: 分光器；3: 波片；4: 真空室； 5: 抽气口；6:角锥棱镜；7: 检偏器；8: 光电接收器 ；9: 补偿环2.激光测测折射率也利用双频频激光干涉技术术一、激光衍射测量原理 1.光的衍射现现象，按衍射物和观观察衍射条纹纹的屏幕 (即衍射场场)之间间的位置关系一般
5、分为为两种类类型：菲 涅耳衍射和夫琅和费费衍射 2.单缝衍射测量 单缝单缝 衍射测测量的原理：激光单缝单缝 衍射测测量的基本 原理是单缝单缝 夫琅和费费衍射，原理如图图。条纹纹的光强 可表示为为： 衍射测量原理图 单缝单缝 衍射测测量的基本公式:9.2激光衍射测长 单缝单缝 衍射测测量的分辨力、精度和量程: 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3. 圆孔衍射测量 如图为圆图为圆 孔的夫琅和 费费衍射原理，接收屏 上衍射条纹纹的光强分 布为为 圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图 中心亮斑直径为为二、激光衍射测量的方法 1. 间隙测量法 其基于单缝衍射的原理。间隙测
6、量法的应用 用间间隙测测量法测测量位移,即测测量狭缝宽缝宽 度b的改变变量 =b-b,可采用绝对绝对 法,求出变变化前后的两个缝宽缝宽 b和 b，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为 2. 反射衍射测量法 反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭 缝缝来进进行衍射测量的。 反射衍射法原理图在P点处出现第k级级暗条纹纹的光程差应满应满 足 ：在该图的几何关系下缝宽缝宽 可以表示为为 3. 分离间隙法 利用参考物与被测物不在同一平面内情况下所形 成的衍射条纹进行精密测量的方法称为分离间隙 法。测量原理如图。图6-13 分离间隙法原理 图 测量出正负不同级次k1和k2上 的暗条纹的位置 和 即
7、可由 下式计计算出狭缝宽缝宽 度和间间隔 4. 互补测量法 激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅定理。巴比涅互补衍射屏 5. 爱里斑测量法 基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量 法。通常用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确 定被测孔的直径。下图是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图三、 激光衍射测量的应用 1. 薄膜材料表面涂层厚度测量 薄膜材料表面涂层厚度测量是使用分离间隙法，原 理如图。 薄膜材料表面涂层厚度测量2. 薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带 (一般宽度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互补测 量法进
8、行测量。在测量时要求薄带相对激光束的光 轴有准确的定位，否则将引起测量误差。下图是薄 带宽度测量原理图。 薄带宽度测量原理图一、 激光脉冲测距 1.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： 2.激光脉冲测距仪的结构 测距仪的简化结构如图。 激光脉冲测距仪的简化结构3. 测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应具有足够的强度。 光脉冲的方向性要好。 光脉冲的单色性要好。 9.3 激光测距 光脉冲的宽度要窄。 4. 激光巨脉冲的产生 脉冲计数原理方框图5. 距离显示 脉冲测距中脉冲在测程
9、上往返时间极短，所以通常 是用记录高频振荡的晶体的振动次数来进行计时。 上图就是这种设备的方框图。 二、 激光相位测距 1. 激光相位测距原理 原理:通过测定连续的 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。激光测距仪原理方框图 光波每传播波长的一段距离，位相就变化2。 所以距离d、光波往返位相差和光波波长之间 的关系为：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，2. 分散的直接测尺频率和集中的间接测尺频率 一定的测尺长度Ls，相应于一定的测尺频率s，它 们之间的关系是: 分散的直接测尺频率方式选定的测尺频率s是 直接和测尺长度Ls是相
10、对应的。例如选用两把测 尺Lsb10m、Lsl1000m，则相应选用的测尺 频率为 集中的间接测尺频率方式是采用一组数值接近的调制 频率，间接获得各个测尺的一种方法。假定我们用两 个频率为s1和s2的光波分别测量同一距离d，则有：令：误差1m 误差1cm则有：式中Ls可以认定一个新的测尺长度， 其相应的测尺频率为:式中的正是用s1和s2的差额s s1 s2的光 波测量距离d时所得到的位相尾数，由上式知正好 等于用频率为s1和s2的光波测量d时得到的位相尾 数之差1 2。 3. 相位差的测量 差频测相原理如图中的电路 部分。设主振信号为 该信号发射到外光路经过一定距离的传播后相 位变化了 ，该信
11、号被光电接收放大后变为 设本振信号为 输送到参考混频器与 和 混频，在混频器的输出 端分别得到差频参考信号和测距信号分别为： 经过差频后的低频信号输入相位差 计进行比较就可以检测出相位差。 一、激光准直仪1. 激光准直仪的原理和结构 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 的截面内。由于 中心光强最大，所以光束分布中心连线可以构成一 条理想的准直基准线。 TEM00光束远场发散角2的公式为： 为了便于控制和提高对准 精度，一般的激光准直仪都 采用光电探测器来对准，因 此准直仪的基本组成有如下 几个部分。激光准直仪的基本组成方框图9.4 激光准直及多自由度的测
12、量2. 发射光学系统 激光准直仪的发射光学系统是一个倒置的望远 镜，如图。 如果 ， 分别为高斯光束入射和出射该望远系统 的光束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的发 散角压缩比为 ，则有 激光准直仪光学系统结构示意图 根据圆孔的夫琅和费衍射理论可知,一个直径为D的 圆孔所造成的衍射角(即光束发散角的一半)为 由于衍射效应,出射光束发散角还与物镜孔径有关. 3. 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电 探测器，如图。 四象限光电探测器原理图 下图是激光准直仪测量机床导轨不直度的示意图。 4. 激光准直测量的应用举例：不直度的测量 机床导轨不直度的激光准直测量原理示意图二、激光衍
13、射准直仪 1.利用激光的单色性，让激光束通过一定图案 的波带片，产生便于对准的衍射图像，从而提 高精度。这种利用衍射原理的激光准直仪叫激 光衍射准直仪。激光衍射准直仪的原理结构图 2.波带片是一块具有一定遮光图案的平玻璃片三、激光多自由度测量 1.四自由度测量系统 中心孔式；分光式；反射式 四自由度测量系统的典型结构 2. 五自由度和六自由度测量系统 五自由度和六自由度的测量， 美国密西根大学研究了一 种光学测量系统，可同时测 量机床五维几何误差。五自由度测量原理示意图 日本Nihon大学和Sophia大学研究了一种用于 同时测量机床工作台六自由度误差的光学测量 系统。同时测量机床六自由度偏差
14、的原理图.5 激光多普勒测速1. 运动微粒上接收到的光源入射光的频率 2. 静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率 如图，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 一、运动微粒散射光的频率S处接收到的散射光的频率应为S处接收到的微粒Q散射 光 的频率二、差频法测速 1.参考光束型多普勒测速 如图为参考光束型测速方法的光路原理图。 设设 和 分别别表示参考光和散射光的电电矢量 的瞬时值时值 则则 合成光强I应应正比于合成电电矢量的模平方，由四项项 组组成 光电电倍增管实际实际 感受到的合成光强可表示为为 光电电倍增
15、管输输出的光电电流正比于它接收到的光强 ，用复指数函数的实实部表达它的规规律为为 多普勒频频移为为 若入射光在真空中的波长为i，则有2. 双散射光束型多普勒测速 双散射光束型测测速方法是通过检测过检测 在同一测测量点 上的两束散射光的多普勒频频差来确定被测测点处处流 体的流速的。双散射光束型多普勒测速光学系统1. 血液流速的测量 三、 激光多普勒测速技术的应用下图是激光多普勒显微镜光路图 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图 如图是光纤多普勒测速仪原理图 2. 管道内水流的测量 下图是测量圆管或矩形管内水流速度分布的多普 勒测量系统原理图，采用的是最典型的双散射型测 量光路。 测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图.6 环形激光测量角度和角加速度1. Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的sagnac效应如图,干涉仪不动时，顺 时针和反时针传播一周所需时间相同，即环形干涉仪的Sagnac 效应一、环形激光精密测角 当干涉仪转动时（转速 ）， 对于随着干涉仪转动的观察者来说 ，两束光（顺时针和反时针）传播 的时间分别为 二者之差为为 2. 环形激光器 激光共振腔的共振频率为 在环环行腔的情况下传传播一圈的光程为为L，即 由于逆向传传播的两束激光的光程不同，具有不同 的振荡频荡频 率，应该满应该满 足 环形干涉仪激光器系统示意图基于上述拍频频公式，如果从t1
