激光在检测计量中的应用

激光在检测计量中的应用目录第1章综述激光在检测计量方面的应用...................11.1激光准直导向.................................................................11.2激光测长.......................................................................11.3激光测距........................................................................21.4激光雷达........................................................................21.5激光测速.......................................................................31.6激光超声.......................................................................31.7全息检测........................................................................41.8本章小结........................................................................4第2章激光超声.............................................................62.1定义及基本原理..............................................................62.1.1激光超声的定义........................................................62.1.2基本原理..................................................................62.2激光超声的应用...............................................................62.2.1用压电换能器接收激光超声脉冲...................................72.2.2用外差干涉仪接收激光超声脉冲...................................72.2.3用共焦法布里—泊罗干涉仪接收超声波.........................82.3激光超声的优缺点和应用前景............................................82.3.1激光超声的优缺点......................................................82.3.2应用前景...................................................................8第3章激光全息干涉检测技术...................................93.1激光全息术的基本原理...................................................93.2激光全息干涉技术的应用...............................................123.2.1激光全息干涉技术原理............................................123.2.2用激光全息干涉技术对文物进行检测.........................133.3激光全息干涉技术的优点及其局限...................................143.3.1激光全息技术的优点................................................143.3.2激光全息技术的局限................................................143.4本章小结......................................................................14参考文献................................................................................151第1章综述激光在检测计量方面的应用引言激光是高强度的相干光，具有单色性和方向性，因而是精密计测的理想光源[1]。当前激光检测已发展为一个广阔而活跃的激光应用领域，受到科学与工业界的极大重视。利用激光的某一特性或几种特性，可以进行多种几何和物理参数的激光检测。目前,激光检测技术已涉及精密测量、计量、生产过程的自动监控以及科学研究多方面的应用。现选择准直导向、测长、测速、产品尺寸与表面缺陷检测、全息检测等几方面来分析一下国内外激光检侧的发展与应用现状。1.1激光准直导向原理：利用激光的方向性,把激光当作直线，或由激光扫出一个光束平面,就可以用来进行精密的定位、导向、安平等[2]。优点：与目视光学仪器相比，具有工作距离长、测量精度高、便于自动控制、操作方便等。缺点：在自由度测量时，分辨力较低。这类激光仪器在建筑、工矿、农业以及大地测量等方面得到满意效果，有些已得到普遍应用。国外在大型土木建筑工程中，如管道工程、隧道工程、土方工程、疏浚工程、高层建筑以及设备安装等工作中采用了激光，达到了很好的效果。这种激光应用提高了测量精度，也提高了生产效率。1.2激光测长原理：利用激光的良好方向性和极高的亮度，以光的干涉现象为基础，用干涉条纹来反映被测量的信息[1]。方法：干涉法、扫描法、光强法和准直法。优点：非接触测量、具有高的测量灵敏度和精度，而且应用范围广泛。缺点：与环境控制、湿度、温度、气压等的控制有关。目前,国际上已能达到氦氖激光频率稳定值10-12~10-13，复现性为10-11，激光测长干涉仪准确度为10-8量级。今年10月的国际第17届计量大会确定基于光速值的新的米定义。全世界将统一采用激光代替氪86作为长度标准。2随着激光测长技术的发展,各种激光干涉仪产品也发展起来。1965年美国杂志报导激光干涉仪已在车间使用后，1970年美国已有6家大厂生产激光干涉仪。近来，美国在激光干涉仪方面已有多种产品提供各种应用，包括测量波长、表面不平度、距离等。1.3激光测距原理：利用激光集中不发散的特性，根据发出和返回光束之间的时间差乘以光速，来测量距离[3]。方法：脉冲法、相位法等。优点：较红外测距来讲，具有探测距离远、测距精度高，抗干扰能力强、保密性好，且激光测距仪具有体积小、重量轻、重复频率高等特点[4]。缺点：对气候的依赖关系很强。在生产实践和科学研究中，常常会遇到测量距离的问题。例如，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，需要测量大江两岸的间隔；在军事上，炮位的瞄准、远距离打击等更离不开对距离的正确测量。不同于激光测长，激光测距所能测量的长度要大得多。若按策程划分，激光测距大体有三类：短程激光测距仪，它的测程仅在5km以内，适用于各种工程测量；中长程激光测距仪，测程为五至几十千米，适用于大地控制测量和地震预报等；远程激光测距仪，用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离。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。1.4激光雷达原理：利用分光方法，对特定的大其成分的分布进行测定，是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理与构造与激光测距仪极为相似。优点：与普通微波雷达相比，具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小、重量轻等。缺点：工作时受天气和大气影响大、波束窄，在空间搜索目标困难等。目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制3能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。1.5激光测速原理：利用激光照射到运动物体上所产生的多普勒效应来测量运动物体速度。激光多普勒测速仪就是利用这个原理[1]。方法：脉冲法测速、相位法测速、多普勒测速等。优点：与传统测速方法相比，具有非接触测量，不影响流场分布;测速精度高，一般可达1~2%；空间分辨率高，已可测直径10um、深度100um的小体积流速，测速范围广，可从10um/s至8M；动态响应快，可实时测量,是研究湍流、测量脉动速度的有效手段;可同时进行多维测量，具有良好的方向灵敏度等。缺点：散射影响较大。首先，人们利用这项测速技术，进行了大量的空气动力学和流体力学研究。从层流的流场分布到湍流强度的测量，这些测量工作现在启经变成常规。血流测速是低速测量中较为困难的一种应用，因为各种散射影响很大，光的利用差，而且信噪比很低，这就必须使用合适的信号处理机来获取数据。虽然存在这些困难，但是对于复杂的光散射作了理论分析,信号处理方法也有改进，正在取得重大进展。较困难的应用有内燃机、透平机以及磁流体动力学装置中的侧量。这类测量，由于环境复杂，光的利用差，粒子引入困难。激光多普勒测速往往是获得理想结果的唯一方法，经过努力，在这些复杂测量方面取得了重大进展。例如，近几年来英、美、日等国特别热心于激光流速计在内燃机中的研究。1.6激光超声原理：激光超声是样品在激光脉冲的作用下产生的，超声波在样品表面和内部的传播情况与样品的性能和结构有关。在遇到异质界面时，激光超声会产生反射、透射、折射和散射等现象。通过对探测到的激光超声信号进行分析和处理，可以获得样品信息[5]。方法：缺陷共振法、反射系数法、飞行时间方法以及脉冲反射法。4优点：非接触、高速、高精度、大量程、远距离、检验一致性等。近年来，国内外对激光超声进行了大量实验，尤其是德国、美国、加拿大等国家对激光超声的研究比较先进。我们实验室从1989年开始进行了激光超声的研究工作。已成功地用YAG脉冲激光器分别在铜、钢和铝质样品中激发出激光超声脉冲并对激光超声在金属中的传播样品材料的厚度，缺陷对激光超声的响应等进行了初步研究。在接收方面除成功地用压电换能器接收到激光超声外，还研制了用光外差干涉仪和共焦法布里—泊罗干涉仪探测激光超声，并取得了一定的进展。1.7全息检测原理：利用全息干涉计量技术，把相干性好的激光照射到试件表面，通过热、机械等加载方式使试件表面产生微小变形，比较加载前后的两组光波波前的形状，根据干涉条纹的变化来判断是否有缺陷[6]。方法：实时法、二次曝光法、时间平均法。优点：激光全息干涉计量技术具有灵敏度高、检测速度快、不用探头接触零件表面、不需要耦合剂、对构件的形状和表面状态无特殊要求、能全面直观显示缺陷情况等优点，而且检测结果易于保存。缺点：对环境要求十分苛刻，严格的防震性和避光性要求，加载条件也十分严格，同时还具有银盐记录介质在实施全息干涉记录中无法记录瞬态连续变化等问题。近期，于在实验室之外获得了更实际应用。国外现在常可在工业流水线上看到全息系统。随着新技术、新材料的出现，全息检测技术终于在实验室之外获得了更实际应用。国外现在