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1、1,第7章 测控技术发展概述,7.1 高精度测量技术 7.2 快速测量技术 7.3 非接触测量技术 7.4 遥感遥测技术概述,2,7.1 高准确度测量技术,测量充满着人类生活、生产和科研等各个领域的方方面面，人类社会的发展又促进了测量技术的发展。人类在生产活动中，“本能”地进行着多方面的原始性测量，例如对狩猎对象远近的估测，以及为确定季节而进行的天文观测，因而在自身社会发展中创造并发展了测量学科。随着人类社会的形成和发展，生产、生活和贸易等活动的开展，需要更多的测量工具及简单的测量仪器，如土地丈量、漏量计时以及逐步统一的度量衡器。随着人类文明时代的到来，科学技术和生产活动的大规模开展及一系列重
2、大突破催生并发展了这一科学。同时，测量器具、技术和理论的发展又促进了生产和技术的发展。,3,7.1.1 高准确度测量技术概述,近代科学和工业化的发展，促使测量学科一方面需要进行专业化分工；同时测试技术也要求突破经典的测量方法和技术，寻求新的测试原理与手段。,随着激光技术，精密计量光栅制造技术，计算机技术以及图像获取和处理技术的迅猛发展，已经开始将它们应用到高精度测量领域，并形成了新的测量技术高精度测量技术。高精度测量技术以光学为基础、融入了光电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术，组成光、机、电、算和控制技术一体化的综合测量系统。,4,7.1.1 高准确度测量技术概述,激光由
3、于有优异的单色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到应用。例如，激光在加工工业中被用来完成打孔、焊接、切割、快速成型，在医学中制造了激光手术刀、激光近视眼治疗仪、激光辐照仪，在IT产业中大量用来做光通讯、光存储、光信息处理的光源，在近代的科学研究中用于受控核聚变、光谱分析、操纵原子、诱导化学反应、乃至探索宇宙的起源，但是其最早期的应用还是在计量领域。,激光的高度相干性使它一经发明就成为替代氪86作为绝对光波干涉仪的首选光源，经过四十年的发展，激光干涉计量已经走出实验室，成为可以在生产车间使用的测量检定标准，激光衍射测量也成为许多在线控制系统的长度传感器。激光的良好方向性和极高的亮度不仅为人们提供
4、了一条可见的基准直线，而且为长距离的光电测距提供了可能。,5,1.激光干涉测长,干涉测长的基本原理 激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,如图6-1示,用干涉条纹来反映被测量的信息。,激光干涉测长仪的原理图,6,迈克尔逊干涉仪的工作原理,原理：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。 因此，M2沿光束2方向上每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。 这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计数器计数，
5、并由显示和记录装置加以显示和记录。我们只要记下M2移动时干涉条纹变化的周期数N就可以得到被测长度(即M2移动的距离)。 被测长度L通过运算和显示电路直接显示出来,7,激光干涉测长仪的主要结构,激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器，输出的是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措施； 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） 可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动； 光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数； 显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中
6、记下的干涉条纹移动的个数或与之对应的长度； 光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号；,8,干涉仪的分光器件和反射器件,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。 干涉仪的分光器件原理：可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法。,干涉仪中常用的反射器件：平面反射器、角锥棱镜反射器（图6-2a）、直角棱镜反射器（图6-2b）、猫眼反射器（图6-2c）,图6-2 反射器,10,干涉仪的典型光路布局和移相器,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,图6-3 典型光路布局,11,可逆计数器,实际应用的激光干涉仪的光路与原
7、理光路的最主要区别是可逆计数； 如果只有一组干涉条纹信号输入计数器，工作台的微小倒退信号也会引起计数器增加计数，带来误差，因此需要判断工作台的运动方向，而且计数器具有减的功能，即需要“可逆计数器”； 设计方向判别部分，将记数脉冲分为加脉冲和减脉冲两种。 当测量镜正向移动时产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时产生的脉冲为负脉冲。,图6-1 激光干涉测长仪的原理图,Figure 1,L,17,激光外差干涉测长技术,直流干涉仪：前置放大器为直流放大器。动镜从静止运动静止；干涉条纹变化频率从0 最大值0；光强转化的直流信号的频率变化范围也从0开始，需用直流放大器。 缺点：外界环境干扰能力差，只能在恒温防震
8、条件下使用。 外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝外界环境干扰造成的直流电平漂移。 载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的两束光干涉会产生“光学拍”现象，转化为电信号得到差频信号。（光外差干涉）。,激光衍射现象类型 激光衍射测量方法 （1）单缝衍射测量 （2）圆孔衍射测量,2.激光衍射测量,光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象。,单缝衍射图样的光强分布,波长一定，缝宽越窄，衍射现象越明显,单缝衍射测量,单缝衍射测量的原理：
9、单缝夫琅和费衍射。条纹的光强可表示为：,单缝衍射测量的基本公式: 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,衍射测量原理图,24,间隙测量法,其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图6-11(a)。作工件形状的轮廓测量，如图6-11(b)。作为应变传感器使用，如图6-11(c)。 用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b-b,可采用绝对法,求出变化前后的两个缝宽b和b，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为,图6-11 间隙测量法的应用,25,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来进行衍射测量的。,图6-12 反射衍射法
10、原理图,在P点处出现第级暗条纹的光程差应满足 ,在该图的几何关系下缝宽可以表示为,27,圆孔衍射测量,图（6-10）表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为 中心亮斑(即第一暗环)的直径为,图6-10 圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图,28,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。 原理：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。 图6-15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。,图6-15 喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图,29,互补测量法,激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅互补定理。 巴俾互补涅定理：如下两个互补屏。当用平面
11、波照射时，它们产生的衍射图形的形状和光强完全相同，仅相位相差。 可以测量细丝、薄带； 互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.010.1mm，测量精度可达到0.05微米。,图6-14 巴比涅互补衍射屏,互补测量法,因此, 细丝,薄带进行衍射测量: 互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0lO1mm，测量精度可达0.05um,31,激光衍射测量的应用,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。图6-17是薄带宽度测量原理图。,图6-17 薄带宽度测量原理图
12、,7.1.2 高精度测量仪器,1激光干涉仪 激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪如图7.1-10所示，主要是以迈克尔逊干涉仪，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。,图7.1-10 激光干涉仪,2影像测量仪 影像测量仪是一种由高解析度CCD彩色镜头、连续变倍物镜、彩色显示器、视频十字线显示器、精密光栅尺、多功能数据处理器、数据测量软件与高精密工作台结构组成的高精度光学影像测量仪器，如图7.1-11所示。,图7.1-11 影像测量仪,3水准仪 水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。主要部件有望远镜、管水准器（或补偿器）、垂直轴、基座、脚螺旋。按结构分为微倾水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和数字水准仪（又称电子水准仪）。按精度分为精密水准仪和普通水准仪。其中数字水准仪如图7.1-12所示。,图7.1-12 水准仪,
