第二章激光干涉测量技术ppt课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《第二章激光干涉测量技术ppt课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二 激光 干涉 测量 技术 ppt 课件
- 资源描述:
-
1、激光测量技术Laser Measurement Technology第二章 激光干涉测量技术2.1 激光干涉测量长度和位移一、干涉测长的基本原理激光干涉的条件1.频率相同2.相位差初始恒定3.振动方向相同(非正交)4.小于波列长度(1/)干涉数学表达式:设两路激光分别为E1 =A cos(t+?1)E2 =B cos(t+?2)则合成有:E=E1+E2 =A cos(t+?1)+B cos(t+?2)=A cos(t+?1)+B cos(t+?1?)=A cos(t+?1)+B cos(t+?1)cos?+B sin(t+?1)sin?=(A+B cos?)cos(t+?1)+B sin?si
2、n(t+?1)=A cos(t+?1+?2)=1 -22 =arctanA+BcosABsinA=A2+2 AB cos?+B 2I A2+2 AB cos?+B 22 2 22 nl)=2光的相位与走过的光程有关:A cos(t+?)=B cos(t+?0 2nl)满足相干条件时有A cos(t+?)=B cos(t+?0 I A +B +2 AB cos (n1l1 n2l2)条纹可见度M=I max I min 2 ABI max +I min A +B 2结论合成干涉光的光强是两路光的光程差的余弦函数I A2+B 2+2 AB cos 当2N N=ni li n j l ji=1 j=
3、1(n1l1 n2l2)=2k合成干涉光光强最大,光越亮2当(n1l1 n2l2)=(2k+1)合成干涉光光强最小,光越暗应用光强调制Icos测量臂差测量明暗变化次数,可测量臂差测量折射率L均固定,只有一处折射率变化传感器通过物理量引起n或者L的变化,测出其变化,再经过处理,反演出物理量的变化n均固定/已知,一路光的光程固定,由下公式可知,即测量位移和长度N N=ni li n j l ji=1 j=1通过测量光强的变化的次数,测量某臂的光程变化:所以激光干涉测量一般是:1.相对测量2.增量式测量3.中间过程不可忽略,要监视整个测量测量的过程以Michelson干涉仪为例:开始测量时,两束光的
4、光程差为1=2n(Lm Lc)测量结束时,两束光的光程差为 2 =2n(Lm+L Lc)=2nL+1光程差变化量d=2 1=2nL移动距离L=K2二、测量系统组成1.激光干涉系统2.条纹计数计数和处理结果的电子机械系统(一)干涉仪系统主要包括:光源、分束器、反射器、补偿元器件1.激光干涉仪常用光源He-Ne激光器:激光的功率和频率稳定性高、连续方式运转、在可见光和红外光区域有谱线1.干涉仪常用分束方法(1)分波阵面法(2)分振幅法(3)分偏振法(PBS)3.常用反射器(1)平面反射器(2)角锥棱镜反射器(3)直角棱镜反射器(4)猫眼反射器4.典型的光路布置布置原则:1)共路原则 消除振动、温度
5、、气流等影响2)考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素3)避免光返回激光器(1)使用角锥棱镜双角锥棱镜光路单角锥棱镜光路两半反半透镜一体化光路双光程光路(2)整体布局优点:抗干扰好、抗动镜多自由度变化能力、灵敏度高一倍缺点:不方便、吸收严重(3)光学倍频(4)零光程差的结构布局(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统干涉条纹计数的要求:能够判断方向,避免反向、大气、环境振动以及导轨的误差影响,能够细分,提高分辨率这样需要相位相差90度的两个电信号输出,即一个按光程正弦变化,一个余弦变化常用移相器种类(1)机械法移相形成等厚干涉特点:简单条纹间距易变,使信号不完全正交属于分波阵面移相,容易受
6、大气扰动引起波阵面畸变的影响。(2)阶梯板和翼形板移相属于分波阵面移相,容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响(3)金属膜移相原理:利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差的原理,在分光器的分光面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器优点是两光束受振动和大气扰动的影响相同,元件少,结构紧凑。两反两透均一透一反缺点是两相干光束的光强不同,影响条纹对比度(4)分偏振法移相特点:结构较复杂不受大气影响,可靠2.干涉条纹的计数及判向原理当1 3 2 4 定义为正向当存在反向时1 后边出现的应该是?所以只须判断第二和第四信号的脉冲次序即可由于相差为90度,一个计数对应的是0.25个波长所以L=K/8,分辨率提高
7、4倍,称为四倍频计数如何提高分辨率(细分)?=2三、条纹的对比度定义:明暗变化的比值M=I max I min 2 ABI max+I min A +B 21.明暗变化的强度越大,PD感测出的信号信噪比越好2.当两干涉光的光强相等时,对比度越好3.影响干涉条纹对比度的因素:相干性、偏振态、光强、背景光、各种环境因素如振动、热变性等四、应用举例1.激光比长仪2.激光跟踪干涉仪3.Renishaw新型单频激光干涉仪4.激光小角度干涉仪H =k4 =arcsinHRH =k8 =arcsinHR小角度测量仪:测量范围一般在1以内,最大测量误差 0.05,采用下图,可达95,测量精度0.32.2 激光
8、外差干涉测量系统传统干涉测量系统的特点1.测量精度高,前置放大器为直流放大器2.对环境要求高,不允许光强有较大的变化3.抗干扰能力差,一般工作在恒温、防震条件下 在某一光臂中引入一定频率的载波,被测信息通过载波传递,使前置放大器可采用交流放大器,可以隔绝由于外界条件引起的直流电平漂移,可在现场稳定工作 这种利用外差技术的干涉仪,称为外差干涉仪或者交流(AC)干涉仪 解决:1、滤掉了背景噪声2、滤掉了直流放大器的噪声一、Zeeman双频激光干涉仪B sin(t+?)(t (1E=E1+E2 =A cos(1t+?1)+B cos(2t+?2)=A cos(1t+?1)+B cos(1t+?1t
9、(1 2)t (?1?2)=Acos(1t+?1)+Bcos(1t+?1)cos+?)+Bsin(t+?1)sin t+?)=(A+B cos(t+?)cos(1t+?1)+B sin(t+?)sin(1t+?1)=A cos(1t+?1+?3)=1 -2 =1 -2?3 =arctan A+B cos(t+?)A=A2+2 AB cos(t+?)+B 2I A2+2 AB cos(t+?)+B 20t2、测量臂由于M2的运动由Doppler效应知:f =2vc f =2v测量镜移动距离L为L=0tvdt =0t2fdt =t2 0fdt =2 N其中 N =fdt =t f0 t 为记录下来
10、的累计脉冲数电路静态频率 f1 f 2动态频率f1 f 2 f为不失真,应满足f1 f 2 3fZeeman:频差1.5-1.8MHz允许测量速度约为150mm/s测量角度1t0t00测量空气折射率f n =2vcfv=L dn/dtf n =2 L0 dn/dt0tf n dt=nm2L0 dnnm 1=2 L 0f n dt=02 L f t=2 L N2.2.2 声光调制双频外差干涉仪1.声光调制器2.声光调制双频外差测振仪2.4 激光全息干涉测量系统全息的来源:1948年盖伯(D.Gebar)提出用一个合适的相干照射全息图,透射光的一部分就能重新模拟出原物的散射波前,于是重现一个与原物
11、非常逼真的三维图像。1960年激光的出现促进了全息照相术的发展,全息术得到了不断完善,为此他荣获1971年诺贝尔物理学奖应用:全息测量系统全息存储全息防伪无损检测全息电影每毫一、全息技术的基本原理其过程分:1、全息图的记录2、物光波再现1、全息图的记录普通照相:记录了光的光强和颜色(频率)每毫米只能记录50100个条纹 记录介质:银化物全息图:记录了波前信息:光强及相位米记录1000个以上条纹 记录介质:卤化银乳胶和重铬酸盐乳胶0设 物光:E0=A0ej0则干板前的光强和相位分布应该为x、y的函数即E0=A0(x,y)ej(x,y)参考光束:平面波E0=Arejr r=2sini/y所以:E0
12、=Arejr=Arejay0 r所以干板上的光强分布:I(x,y)=(E0 +Er )(E*+E*)=Ar 2 +A02(x,y)+Ar A0(x,y)e j(ay-j(x,y)+Ar A0(x,y)e-j(ay-j(x,y)=Ar 2 +A02(x,y)+2Ar A0(x,y)cos(ay-j(x,y)Ar 固定和参考光相位ay是已知规律变化的所以:干板记录的信息主要是记录了物光的光强及相位信息经过一定时间的照射,完成曝光,然后把干板取下,经显影、定影、制成全息底片以上过程称为全息记录2.物光波再现全息底片的透射率是t(x,y)是记录过程时曝光光强的非线性函数,取线性部分,则有重新复位全息底
13、片,并去掉物体及物体照射光束2 2+2 222e3Ee(x,y)=t(x,y)Er=m(Ar +A0(x,y)+Ar A0(x,y)ej(ay-0(x,y)Ar A0(x,y)e-j(ay-0(x,y)Ar ejay=m(Ar +A0(x,y)Ar e+mAr 2 A0(x,y)e j0(x,y)j2ay -j0(x,y)+mA0(x,y)Ar ejay101.参考光的透射光束幅度被物光调制,方向不变m(Ar 2 +A02(x,y)Ar e jay2.与物光光波相同的透射光波 Ar 2 A0(x,y)e j0(x,y)方向不变,光强变化mAr2倍3.与2共轭的汇聚光波方向与2共轭,光强变化mA
14、r2mA0(x,y)Ar 2 e j2ay e-j(x,y)倍,相位叠加了一线性值3.全息干涉条纹的调制度I(x,y)=Ar 2 +A02(x,y)+2Ar A0(x,y)cos(ay-j(x,y)=Ar 2 +A02(x,y)1+2Ar A0(x,y)M =Ar 2 +A02(x,y)2Ar A0(x,y)Ar 2 +A02(x,y)cos(ay-j(x,y)物光对参考光的相位和幅值进行了调制M成为振幅调制度,0 M 1当严格按照余弦分布,也称条纹对比度4.全息技术对光源的要求同普通照相一样具有能使底片得以曝光的光能输出;具有为满足光束的干涉和衍射所必须的时间相干性和空间相干性全息照相的特点
展开阅读全文