光电检测技术课件 第二章

§2-2
激光衍射计量技术
间隙法作移位和应变测量时，有两种基本计量方法：
绝对法。位移或应变值δ相当于w的变化值，即
nR nR 1 1 w w' nR ( ) xn xn ' xn xn '
测量位移前后n级衍射条纹中心距中央零级条纹中心的位 置xn及xn’就可以求得位移量。
§2-2
激光衍射计量技术
增量式。
n n' w w' ( n n' ) N sin sin sin sin
式中：△N=n－n’ 测量△N=n－n’，是通过某一固定的衍射角θ来记录 条纹的变化数。通过对干涉条纹的计数得到。
§2-2
激光衍射计量技术

§2-2
激光衍射计量技术
得到如下结论：
测量灵敏度随被测尺寸的减小而很快增加，而且，衍射级次大，更为 有利。
灵敏度与激光强度无关，不要求功率稳定，而且允许被测物体空间移 位而不影响测量。

测衍射条纹的间距比测衍射条纹的光强在方法上有利得多。而且记录 的角度尺寸θmn与ω的关系是单调函数，因而测量范围原则上不受限制。 衍射角与被测尺寸ω的关系取一级近似，则
图2-11 用间隙法作应变测量
xn’为加载后同一衍射条纹的中心位置值。
§2-2
激光衍射计量技术
压力传感器。具有一定压力的气流 进入膜盒，膜盒作为初级压力传感 器，将位移通过杠杆传到衍射传感 器上，缝隙的变化使衍射条纹移动， 由光电器件检测出来，灵敏地反应 压力及其变化。 各种压力，液面、温度、流量、加 速度、电磁场等物理量的变化都可 以用激光衍射技术来进行监测和控 制。
则有
2wx n xn (cos sin ) n R 2R
整理得
xn w nR / 2 xn (cos sin ) 2R
给定φ，已知R，λ，认定衍射条纹级次n，测定xn,就可求得ω。
由于反射效应，装置的灵敏度提高近一倍左右。
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激光衍射计量技术
表中的结果说明：

条纹级次越高，条纹位置与理论值趋于一致。

各级衍射条纹的间隔是近似等距的。误差对n＝4时为
0.02λ(λ/50)，此误差很小，可以略去。因此，直接测定条 纹间隔进行计算是精确的。 随着衍射级次的增加，亮条纹的光强迅速衰减，只有利用 大功率的激光器才能获得高级次的衍射条纹。
m,n (m n) / w
§2-2
激光衍射计量技术
实际上的测量系统大多利用物镜焦面上的衍射条纹，衍射极值间的线尺 寸Lmn与被测物尺寸ω 的关系是
Lm,n f (tg sin 1 m / w tg sin 1 n / w)
式中：f表示观察物镜的焦距。
右 图不同焦距f值时，规定m,n 和λ值时L与w的关系。显然，为 保证测量有最大的线性，必须正 确选定焦距f或f（m－n）的乘积。
激光衍射计量技术
测量，即 w n R 衍射条纹间隔 xn
。测量xn来计算w。
xn t n
式中：t为衍射条纹的间隔。 则
R w t
已知R，λ，测定两个暗条纹的间隔t，按式（2-27）就可求出w。 对生产具有实际意义。
§2-2
激光衍射计量技术
任意两个夫朗和费衍射条纹的间隔t是否相等？它对计量精度有什 么影响？
§2-2
激光衍射计量技术
间隙计量法是衍射技术的基本方法，主要适合于三种用途： （1 ）作尺寸的比较测量（图2-8a） （2）作工件形状的轮廓测量（图2-8b） （3）作应变的传感器使用（图2-8c）
图2-8 间隙计量法的应用
§2-2
激光衍射计量技术
基本装置
图2-9 间隙计量法的基本装置
§2-2
图2-1 近场与远场衍射原理图
§ 2－1
激光衍射计量原理

衍射计量的原理图。 利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射; 等效于单缝的远场衍射,长度为L，宽度为w的单缝上(L>W>λ ); 在观察屏E上记录或测量衍射条纹。
(a)计量原理图，（b)是等效衍射图。这时，在观察屏E上由单缝形成的 衍射条纹，其光强I的分布由物理光学知道有：
当θ增大（衍射级次增加），动态范围减小，因此，接近中央零级处具 有最大的动态范围。
§2-2
激光衍射计量技术
第二种基本方案是测量极值点之间的距离，通常是用最小强度（暗纹） 之间的角度θ mn来表示
mm sin 1 m / w sin 1 n / w
式中：m,n分别表示二维衍射条纹极小值的衍射级次，m,n±1，±2， ±3，…。
到0.05mm，那么，检测灵敏度最高达到0.1μm。衍射计量系统的放大比可能达到 1000～10000倍。
（2）精度有保证。这首先是激光下的夫琅和费衍射条纹十分清晰、稳定。其次，
这是一种非接触测量。能采用照相或光电系统测量衍射条纹，精度在微米级。
（3）装置简单、操作方便、测定快速。 （4）可实现动态的联机测量和全场测量，测定时物体不必固定，能为工艺过
图2-12 用作压力传感器的例子
§2-2
激光衍射计量技术
三、反射衍射法
反射衍射法主要是用反射镜形成 狭缝。
右图是反射衍射法的原理图，狭缝由 刀刃A与反射镜B组成。反射 镜的作 用是用以形成A的像A‘。 相当于以φ角入射的，缝宽为2ω的 单缝衍射。
显然，当光程差满足下式时，出现暗 条纹： 反射衍射法
2w sin 2w sin( ) n
式中：φ为激光对平面反射镜的入射角；θ为光线的衍射角；w 为试件A的边缘与反射镜之间的距离。
按三角级数将上式展开，则
§2-2
激光衍射计量技术
2w(cos sin 2 sin sin
对远场衍射，则
2

2
) n
xn sin R
第二章
§2－1 §2－ 2 §2－ 3
光电衍射检测技术与系统
激光衍射计量原理 激光衍射计量技术 实际的应用
§ 2－ 1
一、概述
激光衍射计量原理
激光衍射计量方法是一种利用激光衍射条纹的变化来精密测量长
度、角度、轮廓的一种全场计量方法。
与干涉计量法、全息计量法、莫尔条纹法相比，具有简单、快速、 精密以及价廉的优点。
w sin n , (n 1,2,3,)
(2)
矩形孔的衍射
§ 2－1

激光衍射计量原理
(3)当θ不大时，从远场条件，有
xn sin tg R
式中：xn为第n级暗条纹中心距中央零级条纹中心的距离； R为观察屏距单缝平面的距离。
xn w n R
Rn w xn
(3)
测量方法的灵敏度是 m,n
m 2 2 n 2 2 S ( w) 2 {m[1 ( ) ] n[1 ( ) ] } w w w w
1 1
将上式用级数展开、并取前三项，则
2 4 3 3 15 5 3 5 S ( w) 2 [(m n) (m n ) 2 (m n ) 4 ] 2 8 w w w
利用间隙法作测量的例子。
应变测量，当构件被加载时，参考 物棱边位置发生变化，w值有△w的
改变，衍射条纹就发生移动，移动
对应的应变值ε
l w nR 1 1 ( ) l l l xn xn '
式中：△l为参考物两个固定点距离l的
变动量；
xn为加载前n级衍射条纹的中心距中央 零级条纹中心的位置值；
图2-2 衍射检测的原理图
§ 2－1
激光衍射计量原理
观察屏E光强 I 的分布
(2-1)
式中： (
光强度。

w ) sin ，θ为衍射角， I 0 是θ＝0°时的光强，即光轴上的
衍射光强是随sinβ的平方而衰减。 当β＝±π，±2π，±3π……±nπ处将出现强度为零的条纹，即I ＝0的暗条纹。 测定任一个暗条纹的位置变化就可以精确知道间隔w的尺寸和尺寸 变化。

2
表2-1远场衍射条纹的位置及光强
衍射级亮 条纹位置 和强度
n=±1
n± 2
n± 3
n± 4
wsinθ的 近似位置
wsinθ的 严格位置 条纹光强
±1.5λ
±1.43λ 0.047I0
±2.5λ ±3.5λ
±4.5λ
±2.46 ±3.47 ±4.48λ λ λ 0.017I0 0.008I0 0.005I0
在70年代开始形成，受到各方面的重视，逐步发展为一种专门的
计量测试技术学科。 一种新的非接触计量测试方法，特别适合于自动检测。
§ 2－1
激光衍射计量原理
二、 检测原理
衍射： a)近场衍射，也称为菲涅耳衍射。 b)远场衍射，观察屏E3处在较远的位置上， 利用透镜才能观察到的衍射，称夫琅和费 衍射。 激光衍射计量的基本原理是利用激光下 的夫琅和费衍射效应。 基本的远场衍射装置 。 平行光照射E1上的H孔时，远场衍射发 生在无穷远。用透镜接收后，在透镜的焦 点上就观察到十分清晰的远场衍射条纹。 （图c）
程提供反馈信号，显著提高工艺效率。
（5）绝对量程小，量程范围约0. 01~0.5mm。
§2-2 激光衍射计量技术
一、基本方案及其分析
（1） 利用衍射条纹进行精密测试，其方法归纳起来分为两大类：
记录固定点衍射强度的方法（图中A和B点）； 记录衍射分布特征尺寸（指衍射分布极值点之间的距离或角量）的方 法（图中的t）。
图2-7 不同焦距时的L-w特性
§2-2
激光衍射计量技术
目前在实际应用中得到发展的技术方案大多属第二种基本 方案，这些技术方案归纳起来，主要有：