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1、第九章第九章光学检测技术 引言引言光学方法的主要优势：光学方法的主要优势：u 非接触性非接触性u 高灵敏度高灵敏度u 高精密性高精密性u 光学图像的二维计量性光学图像的二维计量性主要内容主要内容u 衍射法衍射法u 扫描法扫描法u 全息法全息法u 散斑法散斑法u 莫尔法莫尔法u 激光测距激光测距 u 多普勒测速多普勒测速光传感与光检测技术9.1 激光衍射法激光衍射法特点：特点：简单、快速、精密、廉价、性能可靠。简单、快速、精密、廉价、性能可靠。9.1.1 激光衍射传感的基本原理激光衍射传感的基本原理衍射计量的基本原理：衍射计量的基本原理：检测单缝的远场衍射，即夫检测单缝的远场衍射，即夫朗和费衍射
2、。朗和费衍射。远场衍射条件远场衍射条件：检测面上衍射光强分布检测面上衍射光强分布：激光衍射传感器检测的激光衍射传感器检测的基本原理：基本原理：暗条纹位置：暗条纹位置：引申：测量物体的尺寸变化引申：测量物体的尺寸变化最后缝宽和起始缝宽最后缝宽和起始缝宽x变动后衍射条纹中心变动后衍射条纹中心位置和起始衍射条纹位置和起始衍射条纹中心位置（中心位置（n不变）不变）激光衍射测量的基本思想：激光衍射测量的基本思想：把难于测量的微小尺寸把难于测量的微小尺寸W或或，通过远场衍射转为大，通过远场衍射转为大尺寸尺寸xn的测量，即利用衍射条纹的精确测量达到精的测量，即利用衍射条纹的精确测量达到精密传感。密传感。对衍
3、射条纹的测量对衍射条纹的测量 记录固定的衍射强度记录固定的衍射强度 记记录录衍衍射射分分布布特特征征尺尺寸寸衍衍射射分分布布极极点之间的距离点之间的距离 9.1.2 激光衍射技术激光衍射技术（一）间隙计量法（一）间隙计量法应变的感应器应变的感应器尺寸比较测量尺寸比较测量工件形状轮廓测量工件形状轮廓测量衍射条纹间隔衍射条纹间隔 间隙间隙两种计量方法两种计量方法v（1）绝对法：测量位移前后）绝对法：测量位移前后n级条纹距中央零级条纹中心位级条纹距中央零级条纹中心位置置xn及及xn就可求出位移量就可求出位移量。v（2）计数法：测得条纹计数值）计数法：测得条纹计数值N（n-n ），就可求出试件），就可
4、求出试件的位移或应变值的位移或应变值。两个例子两个例子（二）爱里圆斑法（二）爱里圆斑法第一暗环直径第一暗环直径作用：精确测定微小内孔的尺寸作用：精确测定微小内孔的尺寸基本原理：基于圆孔远场衍射基本原理：基于圆孔远场衍射9.2 激光扫描法激光扫描法v一种动态光传感技术一种动态光传感技术v适宜对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量适宜对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量9.2.1 9.2.1 激光光点扫描技术激光光点扫描技术 利用激光束的扫描运动来测定物体的尺寸。利用激光束的扫描运动来测定物体的尺寸。 特点特点：非接触、动态、远距离（：非接触、动态、远距离（1m）为保证测量精度，三点要求为保证测量精
5、度，三点要求 （1 1）激光束垂直照射被测表面）激光束垂直照射被测表面 （2 2）光束对物面作匀速直线扫描运动）光束对物面作匀速直线扫描运动 （3 3）精确测定扫描时间）精确测定扫描时间（a）转镜扫描）转镜扫描 光光束束在在物物面面上上的的运运动动速速度度是是非非均均匀匀的的，而而且且光光束束不不垂垂直直物物面面。因因此此这这种种扫扫描描方方式式不不能能满满足足基基本要求（本要求（1）和（）和（2）。）。（b）反射镜准直扫描）反射镜准直扫描 为为保保证证基基本本条条件件（1）和和（2）通通常常采采用用f-透透镜与与转镜组合合的的反反射射镜准准直直扫描描装装置置。f-物物镜是是专用用于于光光扫描
6、描系系统的的物物镜，是是一一种种负畸畸变物物镜。可可保保证y与与的的线性性关系：关系：光点扫描技术：光点扫描技术：采用时间脉冲计数测定工件尺寸。工件采用时间脉冲计数测定工件尺寸。工件边缘衍射效应，测量误差大，精度在边缘衍射效应，测量误差大，精度在0.01mm0.01mm左右；左右；位相扫描技术位相扫描技术 光调制扫描法光调制扫描法 外差扫描法：测量微小变形，适用于振动条件下的高精外差扫描法：测量微小变形，适用于振动条件下的高精度测量，精度达度测量，精度达0.1m0.1m。9.2.2 9.2.2 位相调制扫描技术位相调制扫描技术一束细的激光束扫描有振动的物体表面一束细的激光束扫描有振动的物体表面
7、反射光的位相对应于物体表面的形状反射光的位相对应于物体表面的形状设设法法组组合合参参考考光光（扫扫描描入入射射光光）与与反反射射的的相相位位调调制制光光 用外差技术检测用外差技术检测 z ( x(t) )外差扫描法外差扫描法 应用：应用：表面的瑕疵弊病检查、表面异物探测、形表面的瑕疵弊病检查、表面异物探测、形状规则度检查；状规则度检查；1 1 反射光检测法反射光检测法9.2.3 9.2.3 表面特征抽取的扫描技术表面特征抽取的扫描技术检测装置检测装置 （a）飞飞点点成成像像式式：在在y方方向向上上用用线线光光束束照照明明，反反射射光光用用旋旋转转多多面面体体沿沿y方方向向扫扫描描接接收收。在在
8、被被测测表表面面的的像像面面上上设设置置针针孔孔以以检检测测反反射射光光的的变变化化，从从而而评评定定表表面面有有否否损损伤伤与与划痕。划痕。 （b）飞飞点点扫扫描描式式：直直接接用用激激光光束束扫扫描描表表面面，扫扫面面方方向向（y方方向向）与与被被检检表表面面行行进进方方向向垂垂直直。反反射射光光由由列列阵阵光光电电检检测测器器件检测。件检测。2 2 散射光检测法散射光检测法基本原理基本原理：漫反射表面的光洁：漫反射表面的光洁度与散射光的散射角之间有一度与散射光的散射角之间有一固定关系。固定关系。方法方法：激光束垂直照射待测表：激光束垂直照射待测表面，检测垂直的反射光强和某面，检测垂直的反
9、射光强和某一角度下色散射光强，两个光一角度下色散射光强，两个光强之比确定强之比确定表面光洁度表面光洁度。基于。基于边界衍射波理论，衍射波的频边界衍射波理论，衍射波的频谱分布反映的边界图形的特征，谱分布反映的边界图形的特征，可以判定可以判定表面瑕疵表面瑕疵情况。情况。9.3 全息法全息法 1948年，年，Gabor提出的，提出的，1960年激光出现后获得发展。年激光出现后获得发展。与普通照相的比较：与普通照相的比较： 普通照相：普通照相：透镜成像，感光胶片上只记录物体的透镜成像，感光胶片上只记录物体的光强分布光强分布，平面像，胶片破碎后只能冲洗照片的一部分；平面像，胶片破碎后只能冲洗照片的一部分
10、； 全息照相：全息照相：不用透镜，借助参考光与来自物体的反射光（散不用透镜，借助参考光与来自物体的反射光（散射光）在全息干板上产生干涉，记录物光的射光）在全息干板上产生干涉，记录物光的振幅和相位振幅和相位，可再，可再现立体像，干板打碎后用一碎片仍可再现全部立体像，只是清现立体像，干板打碎后用一碎片仍可再现全部立体像，只是清晰度有所下降。晰度有所下降。9.3.1 9.3.1 激光全息术激光全息术为为什什么么一一小小块块全全息息图图能能包包含含物物体体的的整整个个三三维维几何信息？几何信息？ 基本出发点：物体都是点的集合体。基本出发点：物体都是点的集合体。研究一个物点研究一个物点的记录和再现过程。
11、的记录和再现过程。记录记录 一组一组同心同心圆的圆的干涉干涉条纹条纹再现再现假假如如点点物物放放在在O点点，则则O点点散散射射波波在在a，b，c，f点点的的相相位位分分布布和和把把再再现现光光照照射射在在全全息息图图上上时时，全全息息图图上上点点a，b，c，f的的散散射射波波的的相相位位分分布布是是完完全全相相同的。同的。相干性很高的光源：相干性很高的光源：激光激光被摄物均匀照射：被摄物均匀照射：扩束镜扩束镜获获得得明明显显的的干干涉涉条条纹纹：参参考考光光与与物物光光的的分分束束比：比：2:110:1记记录录介介质质要要求求有有较较高高的的分分辨辨本本领领：溴溴化化银银照照相乳胶相乳胶曝光期
12、间要求实验装置有曝光期间要求实验装置有很高的机械稳定性很高的机械稳定性全息术要求全息术要求（a）透明物透射光作为物光；）透明物透射光作为物光；（b）非透明物反射光作为物光）非透明物反射光作为物光9.3.2 9.3.2 全息干涉技术全息干涉技术应用应用：高精度传感测量物体的位移或形变。：高精度传感测量物体的位移或形变。基本原理：基本原理： 将将相隔一段时间相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张拍摄的物体波分别记录在同一张全息图上，再现此全息图时，再现的二光波就发生全息图上，再现此全息图时，再现的二光波就发生干涉。通过干涉条纹的检测，就可获得被测物体在干涉。通过干涉条纹的检测，就可获得被测物体在
13、拍摄时间间隔内发生的变化。拍摄时间间隔内发生的变化。拍摄方法：拍摄方法： 静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法v再现像中光强分布再现像中光强分布受到物体位移后产生的位相差的调制，形成干涉条纹受到物体位移后产生的位相差的调制，形成干涉条纹静态二次曝光法静态二次曝光法v全息图上记录的是许多像的总效果。再现时再现像全息图上记录的是许多像的总效果。再现时再现像是各个再现波前的复振幅之和。是各个再现波前的复振幅之和。v产生的干涉条纹将反映振动物体的极限位置。产生的干涉条纹将反映振动物体的极限位置。v动态时间平均法动态时间平均法，又称长，又称长时间一次曝光法。用来研
14、时间一次曝光法。用来研究物体振动。究物体振动。v记录的曝光时间要大于物记录的曝光时间要大于物体的振动周期。体的振动周期。v曝曝光光一一次次，曝曝光光时时间间短。短。v再再现现时时，再再现现像像叠叠加加在原物体上。在原物体上。v如如果果物物体体稍稍有有位位移移或或形形变变，即即能能观观察察到到干干涉条纹。涉条纹。v适适合合于于测测试试透透明明物物体体中的一些现象。中的一些现象。实时法实时法9.3.3 9.3.3 全息等高线技术全息等高线技术应用应用：物体表面三维形貌测量。：物体表面三维形貌测量。主要包括：主要包括： 线投影等高技术线投影等高技术 双频全息技术双频全息技术 变折射率全息技术变折射率
15、全息技术 视频和散斑技术视频和散斑技术线投影等高技术线投影等高技术v等高线是一系列等间隔等高线是一系列等间隔的平行平面与被检测表的平行平面与被检测表面的交线。面的交线。v线投影等高技术是用光线投影等高技术是用光学方法产生一组等间隔学方法产生一组等间隔的平行平面来照明物体，的平行平面来照明物体，当沿着垂直于照明平面当沿着垂直于照明平面的方向去观察物体，就的方向去观察物体，就不难看到待测物体的等不难看到待测物体的等高线图。高线图。干涉线投影技术干涉线投影技术9.4 散斑法散斑法（1）散斑现象）散斑现象: 当一束激光射到某粗糙表面上时当一束激光射到某粗糙表面上时,观察被照区域有许多明暗观察被照区域有
16、许多明暗相间、杂乱无章的亮斑和暗斑，这种现象称为散斑。相间、杂乱无章的亮斑和暗斑，这种现象称为散斑。成因：成因： 粗糙表面（或散射介质）的散射光粗糙表面（或散射介质）的散射光干涉干涉所形成的。所形成的。9.4.1散斑概念及统计性质散斑概念及统计性质v起初：散斑点起初：散斑点条纹的反差受到影响条纹的反差受到影响噪声噪声v发展：单个斑点的大小和位置随机分布发展：单个斑点的大小和位置随机分布 所有斑点的综合符合统计规律所有斑点的综合符合统计规律 漫反射表面漫反射表面散斑场散斑场 物体表面上各点的运动物体表面上各点的运动散斑场的运动散斑场的运动v启发：散斑运动启发：散斑运动物体表面的运动信息物体表面的
17、运动信息位位移、应变、应力移、应变、应力形成散斑的条件：形成散斑的条件：粗糙表面和相干光照射粗糙表面和相干光照射v客观（直接）散斑：客观（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干由粗糙表面的散射光干涉面直接形成。涉面直接形成。v主观（成像）散斑：主观（成像）散斑：在成像光组像面上在成像光组像面上P点形点形成散斑。成散斑。（2）散斑大小）散斑大小v空间结构：空间结构： 随机分布的颗粒形状，用二相邻亮斑间距随机分布的颗粒形状，用二相邻亮斑间距的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。v对圆形照亮区域，散斑的横向平均直径为对圆形照亮区域，散斑的横向平均直径为v结论：结论： 散斑横向
18、平均直径与照明区域大小有关，散斑横向平均直径与照明区域大小有关，大的照明区域对应大的大的照明区域对应大的u值，散斑变小，反值，散斑变小，反之变大。之变大。（3）散斑的光强分布）散斑的光强分布v散射波的位相是无规则地分布在散射波的位相是无规则地分布在02范围内，且范围内，且同偏振，散斑强度概率分布为同偏振，散斑强度概率分布为v结论：结论： 最可能出现的强度是接最可能出现的强度是接近于近于0的，即黑散斑比其它的，即黑散斑比其它强度的散斑要多。强度的散斑要多。9.4.2 散斑计量技术散斑计量技术v（1）散斑照相法）散斑照相法v物体表面运动与散斑场的运动有物体表面运动与散斑场的运动有确定关系。确定关系
19、。v第一次拍摄：底片上记录了物面第一次拍摄：底片上记录了物面的散斑图。的散斑图。v第二次拍摄：物体变形后进行，第二次拍摄：物体变形后进行，同一底片上记录了两个散斑图。同一底片上记录了两个散斑图。v物镜孔径角物镜孔径角u没有变，两个散斑没有变，两个散斑图是相同的。位置因物体表面的图是相同的。位置因物体表面的移动而产生了相应的移动。移动而产生了相应的移动。v测量出两个散斑图的移动量，也测量出两个散斑图的移动量，也就知道了物体表面的移动量。就知道了物体表面的移动量。（2）散斑干涉法）散斑干涉法v 将另外一束均匀激光束作为参考光束与将另外一束均匀激光束作为参考光束与散斑图组合在一起，或将两个散斑图组合
20、在散斑图组合在一起，或将两个散斑图组合在一起，使之产生干涉作用，获得第三个散斑一起，使之产生干涉作用，获得第三个散斑干涉图，分析处理这第三个散斑干涉图可获干涉图，分析处理这第三个散斑干涉图可获得待测物面的位移。得待测物面的位移。9.4.3 电子散斑干涉测量技术电子散斑干涉测量技术优点：优点：v采采用用CCD记记录录物物面面散散斑斑场场的的光光强强信信息息，实时显示干涉条纹，快速方便；实时显示干涉条纹，快速方便；v可可以以在在明明室室下下操操作作，这这给给工工作作人人员员带带来了方便；来了方便；v使使用用图图像像采采集集卡卡高高帧帧速速采采集集散散斑斑场场信信息，对工作环境的防震要求大大降低。息
21、，对工作环境的防震要求大大降低。v条条纹纹图图以以数数字字形形式式存存储储，便便于于条条纹纹后后处理，结合计算机技术自动分析条纹。处理，结合计算机技术自动分析条纹。无损伤，非接触无损伤，非接触光路简单，操作方便光路简单，操作方便抗震性好抗震性好计算方便，精度可靠计算方便，精度可靠（Electronic speckle pattern interferometry，简称，简称ESPI）应用：应用：测取物体的位移、应变，无损检测测取物体的位移、应变，无损检测 （1）测量离面位移的电子散斑干涉系统）测量离面位移的电子散斑干涉系统 R点与成像透镜的光束共点与成像透镜的光束共轭，参考光束好像从轭，参考光
22、束好像从O点射点射出一样，这样，参考光束出一样，这样，参考光束就与物光束一致，产生干就与物光束一致，产生干涉作用。电视摄像机记录涉作用。电视摄像机记录并存储散斑图样。并存储散斑图样。（2）测量面内位移的电子散斑干涉系统）测量面内位移的电子散斑干涉系统 两两束束相相干干平平面面波波激激光光束束以以相相同同入入射射角角i在在法法线线两两侧侧平平行行入入射射到到粗粗糙糙物物面面上上。被被物物面面散散射射的的光光通通过过物物镜镜成成像像在在电电视视摄摄像像机机摄摄像像管管平平面面上上。摄摄像像管管平平面面垂垂直直于于物物面面法法线线，记记录并存储散斑图。录并存储散斑图。光传感与光检测技术光传感与光检测
23、技术9.5 莫尔技术莫尔技术2024/8/851光传感与光检测技术光传感与光检测技术2024/8/852光传感与光检测技术光传感与光检测技术播放中播放中单击准备演示单击准备演示2024/8/853光传感与光检测技术光传感与光检测技术单击准备演示单击准备演示播放中播放中2024/8/854光传感与光检测技术光传感与光检测技术莫莫尔条条纹是是两条两条线或或两个两个物体之物体之间以恒以恒定的角度和定的角度和频率率发生干涉的生干涉的视觉结果。果。概念概念2024/8/855光传感与光检测技术光传感与光检测技术2024/8/856光传感与光检测技术光传感与光检测技术遮光阴影理论遮光阴影理论衍射干涉理论衍
24、射干涉理论 2024/8/857光传感与光检测技术光传感与光检测技术亮带：透光面积大亮带：透光面积大黑带：互相遮挡黑带：互相遮挡 (a) 光光栅I(b) 光光栅II(c) 两个光两个光栅叠加的叠加的结果果2024/8/858光传感与光检测技术光传感与光检测技术d dmmAAB BCCDD光栅光栅光栅光栅I I 光栅光栅光栅光栅II II 莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹 2024/8/859光传感与光检测技术光传感与光检测技术d dmmAAB BCCDDa ab bc c（9-1） 2024/8/860光传感与光检测技术光传感与光检测技术 所所有有级级次次代代数数和和Mi+Ni相相同同的的衍衍
25、射射光光束束称称为为(Mi+Ni)级级 群群 光光 束束 ， 它它 们们 有有 相相 同同 的的 传传 播播 方方 向向 。GG11GG22-1-10 0( , )( , )( ,1)( ,1)( ,2)( ,2)(0,-1)(0,-1)(0,0)(0,0)(0,1)(0,1)(1,-2)(1,-2)(1,-1)(1,-1)(1,0)(1,0)-1级群光束级群光束0级群光束级群光束1级群光束级群光束1 1-1 0-1 -1 2024/8/861光传感与光检测技术光传感与光检测技术2024/8/862光传感与光检测技术光传感与光检测技术被被测物体位移物体位移= =栅距距脉冲数脉冲数数字数字显示示
26、 整整形形 放放大大 电子子计数器数器 光光电元件元件 整整流流 微微分分 光源光源 透透镜 透透镜 主光主光栅 指示光指示光栅2024/8/863光传感与光检测技术光传感与光检测技术基本原理基本原理 通过光栅及光栅在物体表面的投影叠加形通过光栅及光栅在物体表面的投影叠加形成莫尔条纹，同级莫尔条纹就是物体表面距主成莫尔条纹，同级莫尔条纹就是物体表面距主光栅深度相同的等高线分布，实现三维物体的光栅深度相同的等高线分布，实现三维物体的形貌测量。形貌测量。2024/8/864光传感与光检测技术光传感与光检测技术N级等高等高线深度：深度： dlP12N光光栅 （9-2） hNd：观察者到光源之察者到光
27、源之间距离。距离。P：光：光栅常数；常数；l：光源与光：光源与光栅之之间距离；距离；65光传感与光检测技术光传感与光检测技术接收器接收器光源光源C1G1L1C2G2L2（9-3） blh1h2b：L1到到L2之之间的距离。的距离。 l：透：透镜L1和和L2到物体表面的距离；到物体表面的距离；f：透：透镜L1和和L2的焦距；的焦距；P：光：光栅G1和和G2的光的光栅间距距；2024/8/866N级等高等高线深度：深度： 光传感与光检测技术光传感与光检测技术莫尔条纹的应用：莫尔条纹的应用：莫尔计数技术和莫尔形貌技术莫尔计数技术和莫尔形貌技术3莫尔条纹的原理：莫尔条纹的原理：遮光阴影理论和衍射干涉理
28、论遮光阴影理论和衍射干涉理论21莫尔条纹现象莫尔条纹现象2024/8/867光传感与光检测技术光传感与光检测技术9.6 激光测距激光测距 引言引言 应用：应用：激光雷达、精确制导、目标指示、火控系激光雷达、精确制导、目标指示、火控系 统、飞机防撞系统、大地勘测、天体测量统、飞机防撞系统、大地勘测、天体测量两类：两类： 脉冲测距法：脉冲测距法：军事用途等非合作目标（反射能军事用途等非合作目标（反射能力差，必须使用能量高度集中地窄脉冲来测距）力差，必须使用能量高度集中地窄脉冲来测距） 连续波测距连续波测距（调频法、相位法）：合作目标（调频法、相位法）：合作目标9.6.1 脉冲测距原理脉冲测距原理v
29、原理原理:v关键：关键：准确测量渡越时间准确测量渡越时间T，即精确确定发射和，即精确确定发射和接收时刻接收时刻t1和和t2。测距机测距机v光电系统：光电系统：光转换、放大整形电路光转换、放大整形电路v计数部分：计数部分：电子门、时钟发生器、计数器电子门、时钟发生器、计数器v所测脉冲渡越时间所测脉冲渡越时间计时脉冲数计时脉冲数 时钟周期时钟周期接收脉冲和时钟是异步的，接收脉冲和时钟是异步的，有一个周期的测量误差。有一个周期的测量误差。v目标距离为：目标距离为：v分辨率为：分辨率为：时钟频率越高，距离分辨率越好。时钟频率越高，距离分辨率越好。如何在较低的时钟频率下获得高精度的距离测量？如何在较低的
30、时钟频率下获得高精度的距离测量？ 内差时间扩展测距法内差时间扩展测距法v所测脉冲渡越时间：所测脉冲渡越时间：v通过一个通过一个RC电路对电路对T1、T2进行放大。进行放大。 在在T1时间对电容充时间对电容充电，经一较大电阻电，经一较大电阻使之缓慢放电，并使之缓慢放电，并保证放电时间正比保证放电时间正比于充电时间。于充电时间。u目前脉冲法非合作目标测距在大气层内的最大测距目前脉冲法非合作目标测距在大气层内的最大测距距离约距离约30km，精度达几十厘米。，精度达几十厘米。主要影响因素主要影响因素：大气吸收，雾、雨、雪、烟尘等散：大气吸收，雾、雨、雪、烟尘等散射限制了作用距离。射限制了作用距离。激光
31、测距在激光测距在卫星定位、天体测量卫星定位、天体测量中有重要应用。中有重要应用。9.6.2 9.6.2 连续波测距连续波测距 适用于合作目标测距。适用于合作目标测距。1 1 调频法测距调频法测距原理：原理：利用利用线性调频的微波信号线性调频的微波信号对连续输出的激光对连续输出的激光作光强度调制；目标回波收到后，通过比较发、收作光强度调制；目标回波收到后，通过比较发、收信号调制波型的信号调制波型的频率差频率差来确定目标距离。来确定目标距离。线性调频的微波信号其发射频率为：线性调频的微波信号其发射频率为：距离距离R处的目标反射回的光信号的频率为：处的目标反射回的光信号的频率为：发射信号与回波信号的
32、频率差为：发射信号与回波信号的频率差为：最大测距范围：最大测距范围：发射点到接收点的往返距离：发射点到接收点的往返距离：用长度为用长度为的尺子去度量的尺子去度量D2 2 相位法测距相位法测距原理：原理：利用利用单频电信号单频电信号对激光作光强度调制，通过对激光作光强度调制，通过检测回波与发射信号的检测回波与发射信号的相位差相位差来确定目标距离。来确定目标距离。关键：关键：测量发射波与反射波的相位差。测量发射波与反射波的相位差。问题：问题：只能得到相位差的尾数只能得到相位差的尾数必须将尺子增大必须将尺子增大，D 。由于鉴相器相对精度达由于鉴相器相对精度达0.1%0.1%，导致绝对精度低。，导致绝
33、对精度低。解决方法解决方法：“粗尺粗尺”和和“细尺细尺”联合测量。联合测量。例：为了测量例：为了测量625.45m625.45m的距离的距离用用1000m1000m粗尺测：粗尺测：625m625m用用10m10m细尺测：细尺测：5.45m5.45m得到距离为得到距离为625.45m625.45m。9.7 9.7 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术 引言引言 应用：应用：流体力学测量，如流速分布、湍流、燃烧、流体力学测量，如流速分布、湍流、燃烧、 爆炸爆炸优点：优点： 不干扰流场不干扰流场 无损伤无损伤9.7.1 光学多普勒效应光学多普勒效应v多普勒效应原理多普勒效应原理: 观察者相对于光源以
34、速度观察者相对于光源以速度v运动时，观察者感受到波运动时，观察者感受到波的频率发生变化：的频率发生变化：v光学多普勒测速：测量透明流体（液体、气体）中光学多普勒测速：测量透明流体（液体、气体）中的流速分布。的流速分布。v测速原理：测速原理：悬浮在流体中的微小粒子随流体运动，悬浮在流体中的微小粒子随流体运动，散射光束会产生多普勒频移。通过测量频移量测流散射光束会产生多普勒频移。通过测量频移量测流体的速度。体的速度。v光源发出的光照射到粒子后散射，至被观察者接收，光源发出的光照射到粒子后散射，至被观察者接收，发生两次频移：发生两次频移：v粒子接收到的光波频率因光源、粒子相对运动产生粒子接收到的光波
35、频率因光源、粒子相对运动产生频移：频移：v观察者接收到的光波频率因粒子、观察者相对运动观察者接收到的光波频率因粒子、观察者相对运动产生频移：产生频移：观察者感受到的频移：观察者感受到的频移：9.7.2 差动多普勒技术差动多普勒技术v激光器的输出光激光器的输出光分为相等的两束分为相等的两束平行光，经一大平行光，经一大口径透镜使它们口径透镜使它们在焦点处相交，在焦点处相交，并照射到散射粒并照射到散射粒子上。子上。v检测器观察到的这两散射光的频差为：检测器观察到的这两散射光的频差为：v散射光经光电器件后产生频差电流，检出光电流的散射光经光电器件后产生频差电流，检出光电流的频率即可算出粒子速度。频率即
36、可算出粒子速度。v从干涉条纹的观点解释：从干涉条纹的观点解释：条纹间距：条纹间距：粒子被照明的频率：粒子被照明的频率：透射型透射型反射型反射型9.7.3 多普勒测速系统的光电检测与信号处理多普勒测速系统的光电检测与信号处理v要求：高灵敏度、低噪声和一定的响应速度。要求：高灵敏度、低噪声和一定的响应速度。v常用器件：雪崩光电二极管、光电倍增管。常用器件：雪崩光电二极管、光电倍增管。本章重点v衍射法、扫描法、全息法、散斑法、莫衍射法、扫描法、全息法、散斑法、莫尔法、激光测距、多普勒测速技术的基尔法、激光测距、多普勒测速技术的基本原理。本原理。v要求能看懂光路图，可根据光路说明上要求能看懂光路图，可根据光路说明上述各种技术的工作过程。述各种技术的工作过程。
