【第3章-激光测试基础】2of3

光机电测控技术基础任课教师:严晗武汉理工大学机电工程学院第3章激光测试基础目录3-1激光的基本性质3-2激光原理概述3-3激光器的分类和特点3-4激光准直技术3-5激光多普勒测速技术3-6激光测距技术激光准直测量原理直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量；直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础传统方法:建筑:垂线法,拉钢丝法大型设备安装:拉钢丝法木工:划线法机械加工:钳工的划线法,定位传统方法的特点:简单,直观,垂线法,拉钢丝法易受环境因素影响,精度低自准直光管和准直望远镜测量精度10um，使用自准直光管具有0.1s级的灵敏度。缺点，如操作不方使，存在瞄准、调焦误差等。同时，在较长的距离下，像质模糊，照度低。一般可靠的工作距离小于30m，此外也存在空气的十扰。1-物管，带消色差透镜的物管1.12-准直测头，2.1分束器、目镜刻线2.2及准直刻线2.33-目镜4-带灯泡4.1的光源，4.2过滤玻璃及4.3聚光器自准直光管和准直望远镜⑵反射像叉丝像⑶⑴伸缩目镜筒透光窗分划板视场旋转目镜调节鼓轮激光准直技术具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通光学准直的精度，并可实现自动控制。现有的激光准直仪按照工作原理可以分为1)振幅测量法2)干涉测量法3)偏振测量法1.振幅（光强）测量法利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量其基本原理:原理：振幅测量型准直仪以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收。探测器输出对中和偏心信号。这种方法比用人眼通过望远镜瞄准方便，瞄准的不确定度上也有一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳动等的影响。缺点:激光器的光束漂移光束的非均匀性探测器灵敏度不对称空气的折射率梯度气流的扰动等影响(1)菲涅耳波带片法强分布均匀,当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，还可克服光强分布不对称的影响。(2)位相板法在激光束中放一块二维对称位相板，它由四块扇形涂层组成，相邻涂层光程差为λ/2（即位相差π）。在位相板后面的光束任何截面上都出现暗十字条纹。暗十字线的中心连线是一条直线，利用这条直线作基准可直接进行准直测量。若在暗十字中心处插一方孔PA，在孔后的屏幕PB上可观察到一定的衍射分布。假若方孔中心与光轴有偏移，那么在PB上的衍射图像就不对称。这些亮点强度的不对称随着孔的偏移而增加。因此，这个偏移的大小和方向可以通过测量PB上的四个亮点的强度来获得。激光器位相板方孔PA屏幕PB1432位相板法激光准直测量原理(3)双光束法该准直法使用一个复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个光束的漂移方向相反，采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动影响。2.干涉测量法干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。主要有以下几种方法:(1)楔形板干涉法(2)频激光干涉法(3)光栅干涉法3.偏振测量法光束从光楔组的正中央穿过时，由于左旋和右旋石英的厚度相同，不产生附加的旋光量激光准直仪的组成主要组成(三部分):激光器光束准直扩束系统光电接收及处理电路部分1.激光器利用激光束的能量中心,照射在光电探测器上,因此需要光场能量分布均匀,TEM00,常采用单模的He-Ne激光器.激光束横向漂移(平漂和角漂两种)要小,激光器输出功率的稳定及激器的噪声小漂移原因:谐振腔的两反射镜稳定性差:反射镜支架变形(热、振动),谐振腔的变形(热、振动)(1)补偿措施:热稳定装置整个装置的作用是使激光器沿长度方向的温度梯度减少，同时使装置维持在较低的工作温度，从而减少变形。(2)补偿措施:光束补偿腔反射镜8和5的位置靠得很近，处于相同的环境条件，因此两个面之间的相对运动是很小的。所以，当激光器壳体变形时，输出激光束对原来的位置只产生很小的横向位移和角度偏移。(3)补偿措施:主动温控加热器(4)补偿措施:其他措施•采取激光器与其反射镜系统对周围环境隔热•用锥形腔代替圆柱形腔及增加毛细管刚度•隔振•实验室环境控制•特殊材料,结构设计等措施都可以降低激光器输出激光束的漂移2.光束准直扩束系统激光是高斯光束:其发散角:2θ=2λ/πR光斑大小,随传输距离的增大,而增大而实际应用中:接收器的尺寸一定环境、光束出射漂移影响原理上需要大平面平行光束照射所以：需要准直及扩束系统常用扩束系统的种类：1）开普勒式望远镜2）伽利略式望远镜3）组合式倒置望远镜f1f2θ=2=θ11M=βω0=f2f1ω=Mω1）.开普勒式望远镜特点：镜筒较长，可以方便的加空间滤波器图4.13方式，镜筒较短，体积较小，增加了反射杂散光和光能吸收2）.伽利略式望远镜特点：镜筒短，体积小，不可以加空间滤波器光可能反射回激光器，使激光器频率不稳定，反射回来激光也会造成光输出强度，产生干涉，或者亮度不均使用时，倾斜L2，增加反射杂散光，使光输出稳定3）.组合式倒置望远镜对伽利略式的改进：避免了杂散光，使光束均匀和频率稳定这种方式，可方便组成准直测量系统，减少可调节点3.光电接收系统及处理电路部分常用激光准直的光电探测器:1）.硅光电池二分型四象限器(四分型)2）.PSD一维PSD二维PSD3）.光电倍增管4）.CCD1）.四象限光电池在同一硅片上制作的光电池,价格便宜,缺点暗电流较大,各个单元的转换效率不一致Vx=V1+V4-(V2+V3)Vx=V1+V2-(V3+V4)orVx=Vx=V1+V4-(V2+V3)V1+V2+V3+V4V1+V2-(V3+V4)V1+V2+V3+V42）.PSD位置敏感探测器(PositionSensitiveDetector)简称PSD，是一种具有特殊结构的大光敏面的光电二极管，又称为p—n结光电传感器。PSD与象限位置探测器和CCD不同，它有一个完整的光敏面，通过不同电极之间的电流输出，能连续给出入射光点中心在光敏面上的位置。常用的结构类型有:一维PSD二维PSDL2RRRL(L2L2==L2LRL+x2L=L-x2L=I-I×I+I一维PSDRand=RBC//RAC=22(0.25L-x)I0=IAC=UandUAC==UL2R(0.25L2-x2)ULR(-x)2设:AB电阻率均匀,RAB=R-x)RAC=LR(+x)RBC=LRIBC=IACI0IBCI0x=UUL=ACR(+x)2L+2x2LL-2x2LACBCACBC二维PSD3）.光电倍增管对于弱光,常采用此法4).CCD线阵CCD一维测量面阵CCD二维测量特点:可采集光斑的大小,及其能量分布,计算机识别能量中心的位移大小及方向2大气扰动及激光束漂移1.大气挠动实际大气存在:气流,温度梯度等,使空气密度变化,从而折射率n变化。实际空气折射率变化一般用结构函数来表示:Dn(ρ)=[n(r2)-n(r1)]2经验与理论公式:Dn(ρ)=Cnρ3/2;l0≤ρ≤L0Cn称作l0到L0区间的结构参数．是折射率起伏变化的描述，它与大气参数如热流、风速,高度有关。l0为最小非均幻旋涡的尺寸，典型值为1-10mm、；L0为最大非均匀尺度，它和离地面的高度有关，近地表面处的干扰要大一些。克服大气挠动的方法主要有:机械法光学法机械法常用:1)选择空气扰动最小的时间工作，如在早晨太阳升起之前。另外，控制外界环境也能起到一定作用，如在光束传输路程上避免有热源和温度梯度及气流等的影响2)将光束用套管屏蔽，甚至将管子内抽成真空3)沿着激光束前进的方向以适当流速的空气流喷射，因为空气流提高空气扰动的频率，可用时间常数比较小的低通滤波器，消除输出信号的交变成分。4)对频率为50—60Hz的扰动可采取积分电路消除激光准直测量的应用应用场合:测绘建筑施工大型设备安装仪器设备制造形位误差测量误差修正激光准直测试技术的应用①大尺寸设备的装配和制造的准直激光头透明靶（PSD）端靶(PSD或反射镜)激光二极管微型柱面镜准直系统滤波针孔自准直探测器光阱输出窗波音777客机装配用激光准直系统测量水平：如机翼长度约61m，其所有部件，如机翼前缘的对准标准不确定度小于0.13mm，整个机翼装配合成标准不确定度为0.76mm。可以以0.025mm的不确定度探测激光束的位置。激光准直测试技术的应用②直线度的测试激光头光电靶标机床床身测量机床床身直线度的激光准直系统激光准直测试技术的应用③多自由度准直测量PSD激光器角锥棱镜机床五维激光准直测量系统美国MichiganUniversity0.5m范围内的测试分辨力：线位移为2µm，角位移0.05〞，但滚转角分辨力较低。激光准直测试技术的应用③多自由度准直测量PSD激光器光电探测器六自由度激光测量系统日本NihonUniversity和SophiaUniversity同轴度测量用激光准立仪制导镗内孔生产上自动控制