激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
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我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
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6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，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、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/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π/2 的脉冲信号（图6-5）。
图6-2 反射器
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6.1.2 激光干涉测长系统的组成
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，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
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（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
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基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
激光技术在精密测量中的应用
激光技术在精密测量中的应用激光技术在近年来得到了广泛的应用，其中之一便是在精密测量领域中。
它的特点是精度高、速度快、准确度高、量程大等，具有非常强的竞争力。
本文将探讨激光技术在精密测量中的应用。
一、激光测距仪激光测距仪是利用激光测量物体距离的一种测量仪器。
激光测距仪测距原理是根据光的反射原理，通过测量激光光束从发射到接收所需的时间，并与光的传播速度相乘，可得到待测物体到激光测距仪的距离。
激光测距仪适用于对精度要求较高的测量场合，如工程地形测量、建筑测量、道路测量、水库测量等。
激光测距仪具有测量快速、测量范围广、精度高等特点。
二、激光剖面仪激光剖面仪是一种测量工具，它可以通过对表面的激光扫描来进行非接触式测量，获得高精度的表面信息。
它广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造、机械制造等领域。
它可以测量曲面的立体尺寸，如长、宽、高、倾斜度等，也可以测量曲率半径、表面粗糙度等。
三、激光干涉测量激光干涉测量是一种精密测量方法，通常用于测量小的形状变化或表面形貌。
它使用激光干涉仪来测量物体表面形变的微小变化。
由于其可靠性和高测量重复性，广泛应用于机械工业、光学制造、电子工业和地质测量等领域。
四、激光测量在工程测量中的应用激光测量技术对于工程测量具有重要意义。
它可以用于测量大型结构物的尺寸、形状和变形；通过激光剖面仪可以对车身表面进行非接触式测量，从而得到更精确的数据和更优秀的设计；激光干涉仪用于测量钢制桥梁的振动，从而可以确定其固有频率等参数。
综上所述，激光测量技术在精密测量和工程测量领域中具有许多优势和广泛应用，随着技术的进步和应用领域的扩大，它在未来的发展中也将扮演着重要的角色。
激光技术在精密测量中的应用研究
激光技术在精密测量中的应用研究1. 引言精密测量是现代科学研究和工程技术领域中不可或缺的一部分。
随着科技的不断进步和工程需求的增加，对精度和稳定性要求越来越高，因此需要借助先进的技术手段来实现更准确的测量。
激光技术作为一种重要的测量手段，具有较高的精度和灵敏度，因此在精密测量中得到了广泛的应用。
本文将探讨激光技术在精密测量中的应用研究。
2. 激光干涉测量激光干涉测量是一种基于干涉原理的精密测量技术。
它利用激光光源发出的单色、相干光经过光学系统的调制和分光，进一步通过干涉产生明暗交替的干涉图样，从而获得被测物体的形状、表面粗糙度等信息。
3. 光学测距方法激光技术在精密测量中的另一个应用是测距。
传统的测距方法常常受到环境因素的限制，精度不高。
而利用激光器发射一束激光束，通过接收激光波的回波时间来测算目标物体与测量设备之间的距离，可以实现高精度的测距。
这种方法在建筑工程、地质勘探和工业制造等领域中广泛应用。
4. 激光全息技术激光全息技术是一种借助激光技术记录和再现物体全息图像的方法。
它利用激光的相干性和干涉现象，可以记录物体的全部信息，包括形状、颜色和光的传播方向等。
通过再现全息图像，可以实现对物体的三维形状和光学特性的详细观察和分析。
激光全息技术在精密测量、光学显微镜和遥感等领域中有重要的应用价值。
5. 光纤传感器光纤传感器是一种利用光纤传输光信号，并通过测量光的传输特性来实现各种测量目的的传感器。
激光光源作为光纤传感器的光源可以提供稳定的激光信号，并经由光纤的传输，实现对温度、压力和形变等物理量的测量。
光纤传感器具有体积小、重量轻、抗干扰性强等优点，在工程领域中有广泛的应用。
6. 激光雷达测距激光雷达是一种通过发射激光波并接收其回波，通过测算时间差来测量目标物体与测量设备之间的距离的技术。
激光雷达利用激光束的走时和回波时间的差值，可以准确测量距离，并通过多次测量的数据处理，获得目标物体的位置和空间分布。
激光技术在精密测量中的应用
激光技术在精密测量中的应用激光技术是一种高度精密的技术，其在精密测量中的应用已经得到广泛的认可与应用。
激光技术的优点在于其高度集中与直线传播特性，这使得其在测量领域具备了独到的优势。
一、激光干涉测量激光干涉测量是一种利用激光干涉现象来实现高度精确测量的方法。
其主要原理是通过将激光光束分为两束，一束射向待测物体，另一束作为参考光束，通过二者的干涉现象来实现测量。
这种测量方法具有非常高的精确度，并且可以测量多种参数，如长度、角度等。
二、激光测距激光测距是一种通过测量光束的飞行时间来确定距离的方法。
它利用激光光束的高度集中性和直线传播特性，可以实现非常精确的距离测量。
激光测距广泛应用于工程测量、地理测量等领域，在地震监测、地质勘探等方面也发挥着重要作用。
三、激光扫描仪激光扫描仪是一种利用激光束扫描物体表面，并通过接收反射光来获取物体表面三维信息的设备。
激光扫描仪具备高度精确和高速扫描的能力，可以实现对物体形状、轮廓等方面的准确测量。
激光扫描仪广泛应用于数字化设计、三维建模等领域，在制造业、文化遗产保护等方面都发挥着重要作用。
四、激光切割激光切割是一种利用激光束对材料进行切割的方法。
激光束高度集中的特性使得其能够在很小的区域内产生高能量密度，从而实现对材料的切割。
激光切割精细度高、速度快、适用于多种材料，因此在工业制造中得到了广泛应用。
五、激光雷达激光雷达是一种利用激光光束来实现远距离探测与测量的设备。
它利用激光束的高度集中和直线传播特性，可以实现对目标物体的高精度、高分辨率的三维测量。
激光雷达广泛应用于地理勘测、气象研究、无人驾驶等领域，在智能交通、环境监测等方面发挥着重要作用。
总结起来，激光技术在精密测量中的应用是非常广泛的。
其高精度、高度集中和直线传播的特性，使得激光技术成为了精确测量领域的重要手段。
激光干涉测量、激光测距、激光扫描仪、激光切割和激光雷达等应用形式，为我们提供了准确测量和高效生产的技术支持。
激光在精密测量中的应用解读
第六章激光在精密测量中的应用激光由于有优异的单色性、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。
尤其因为它可以与自然基准——光的波长直接相联系，实现高精度测量，在长度测量领域得到了大量的应用。
以下本书将要对激光在各方面的应用进行讨论，本章首先介绍激光在精密测量中的应用。
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。
激光同时具有高亮度和高相干性使得光的多普勒效应能够在测速方面得到应用。
激光雷达则综合应用了激光的各方面的优点，成为环境监测的有力武器。
6.1激光干涉测长干涉测量技术是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术。
在激光出现以后，加之电子技术和计算机技术的发展，隔振与减振条件的改善，干涉技术得到了长足进展。
干涉测量技术大多数是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度，而且应用范围十分广泛。
常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫—曾德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼—格林干涉仪[22-24]等；70年代以后，具有良好抗环境干扰能力的外差干涉仪，如双频激光干涉仪[25-27]、光纤干涉仪也很快的发展了起来。
激光干涉仪越来越实用，其性能越来越稳定，结构也越来越紧凑。
6.1.1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。
6-3激光在精密测量中的应用-激光测距
6.3.1 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：
d= 1 ct 2
2.激光脉冲测距仪的结构 测距仪的简化结构如图(6-18)所示。 3. 激光脉冲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 。 光脉冲的 。 光脉冲的 度 。
el 设本地振荡信号（图中的“本振”）为 = C cos(2πνl t + θ )
输送到参考混频器与 ed 和ems 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 er = D cos[2π (νd νl )t + (φ0 + θ )] em = E cos[2π (νd νl )t + (φ0 + θ ) + φm ] 经过差频后的
6.3.2 激光相位测距
1. 激光相位测距原理
直接测尺频率
测尺长度Ls 10m 100m 1km 10km 100km
精度 1cm 10cm 1m 10m 100m
ν sb ν s1 ν s2 ν s3
§ 6 3 激 光 测 距 .
15MHz 1.5MHz 150KHz 15KHz 1.5KHz
ν s4
1. 激光相位测距原理 原理:测定连续的调制激光在待测距离d上往返的相位差q来间接测量传播时间 的。图（6-20）所示激光相位测距仪的光路。
§ 6 3 激 光 测 距 .
图6-20 激光测距仪原理 图
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第 六 章 激 光 在 精 密 测 量 中 的 应 用
激光在精密测量中的应用
激光在精密测量中的应用激光作为一种高效、精密的测量工具，在现代科研和工业应用中得到了广泛的应用。
它的应用涵盖了多个领域，包括工业、医学、建筑等。
其中，在精密测量领域中，激光具有独特的优势和应用前景，因此越来越多的研究者将精力投入激光测量技术的研究与开发中，以逐渐拓展激光在精密测量中的应用范围。
一、激光测距技术激光测距技术是一种高精度的定量测量方法，广泛应用于精密工业、地理测量、地球物理学、航空等领域。
在激光测距技术中，激光束被发射出去，并在遇到物体后发生反射。
接收器会记录下激光束的反射时间，通过乘以光速的值，就可以计算出物体与传感器之间的距离。
激光测距技术是一种非接触式测量方法，具有高精度、快速、无损、可重复性强等优点。
在工业应用中，可以用于工件的三维测量、表面粗糙度的检测、工艺装备的定位等。
在医学领域，可以用于眼部手术前的角膜测量等。
这些应用都需要高精度、高分辨率的测量技术，而激光测距技术则提供了一种可靠的方案。
二、激光扫描技术激光扫描技术是一种利用激光束实现物体三维模型获取的测量方法。
通过使用激光扫描仪对物体进行扫描，可以获取到物体表面的点云数据。
利用这些数据，可以生成高精度的三维模型，为后续的设计、加工等提供了重要的参考依据。
激光扫描技术具有高精度、高效率、非接触等特点。
在工业设计中，可以用于对复杂结构的产品进行三维扫描，为产品的仿真设计提供数据支持；在航空航天中，可以用于对飞机结构、火箭发动机等进行三维扫描，为后续的模型设计和实验研究提供数据支持；在文物保护中，可以用于对文物进行三维扫描和数字化重建，为文物保存和研究提供支持。
三、激光干涉技术激光干涉技术是一种常用的精密测量方法，主要用于测量物体表面的形状和运动状态。
在激光干涉技术中，激光束被分为两路，一路经过参比光路，一路经过测试光路。
两路激光束折射后在接收器处重合，形成干涉条纹。
通过分析干涉条纹的变化情况，可以计算出物体表面的形状和运动状态。
第讲 激光在精密计量中的应用(一)-实用PPT
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式中 K＝1，2…正整数。 正负号表示亮暗条纹对称 地分布在中央亮条纹的两 侧，＝0给出了中央亮条 纹P0的中心位置。图为衍 射条纹的光强分布图。由 图可见，随着衍射角 的 增加，亮条纹的光强将迅 速降低，暗点位置是等距 分布的。如采用激光作为 光源，由于能量高度集中， 条纹可以更加清晰，衍射 级次也更高(即能见到的 衍射条纹数目多)。
L＝N·λ/2
式中 L—待测物体的长度； λ—光的波长；N —计数器 测得的脉冲数。
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可认为是平行光，所以可免除透镜L1；并将衍射屏幕放
置离细丝较远处(譬如l＞500mm)，这样又可免除透镜L2。
于衍射场P处即可获得一组明暗相间的衍射条纹，只要测
得衍射条纹距屏幕中心的距离Sk，便可求得细丝直径。
由于l»a (即d)，此时角很小，故可取:
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sin
ta n
Sk l
由于衍射条纹的条件是：
出
λ=c/f
5
实际上为了使用方便，在B点设置反射器
则2D=λ(N+Δn)或 D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)
式中 N—零或正整数，为波长λ或相位2π的倍数； Δn—是个小数, Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；Ls—称它为测尺长度，Ls ＝λ/2
当距离D大于测尺长度Ls时，仅用一把 “光尺”是无法测定距离的。但当距离 D小于测尺长度Ls，即N等于零时，式上 变为 D＝LsΔn ＝LsΔφ/2π
下面按标准直径为D0、大于或小于D0三种情况讨论。
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图6-4 机械法移相原理图
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，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、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/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 π/2的脉冲信号（图6-5）。
图6-5 判向计数原理框图
激光干涉测长仪chelson interferometer( the core part) Laser source( Single-mode helium neon gas laser;Output for 632.8 nm red wavelengths) Mobile platform( Along the direction of incident light translation) Photoelectric microscope Photoelectric counter Display record device( Output measurement results, can be replaced by special computer or PC)
基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
6.1 激光干涉测长
激光干涉测长
干涉测量技术是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术 6.1.1 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6-1示,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
ni li n j l j
i 1 J 1
He-Ne Laser
computer
Detector module
A brief introduction about Michelson
Albert Abraham Michelson(1852~1931) was born in what was then Germany (now Poland) and emigrated with his family to the United States in 1855.He became a professor of physics at the Case School of Applied Science (Cleveland, Ohio), then at Clark University( Worcester, Massachusetts), and then at the University of Chicago. In 1907 he became the first American to receive a Nober prize; the prize citation reads: “For his optical precision instruments and the spectroscopic and meteorological investigations carried out with their aid.”
N
M
2.被测长度与干涉条纹变化的次数 和干涉仪所用光源波长之间的关系是 3.从测量方程出发可以对激光干涉 测长系统进行基本误差分析
L N L N
即L N
图6-1 激光干涉测长仪的原理 图
6.1.2 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 分振幅平行平板分光器和立方棱镜分光器 偏振分光器(参见图6-6中的B2)以及由晶轴正交的偏光棱镜组成如沃拉斯顿棱镜
。
。
4.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
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
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，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
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（图64），翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。