文档介绍：激光在精密测量中的应用
主要内容:
激光干涉测长
激光衍射测量
激光测距
激光准直
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一、干涉测长的基本原理
,用干涉条纹来反映被测量的信息。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两束,当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时,它们相互加强形成亮条纹;当两束光的光程相差半波长的奇数倍时,它们相互抵消形成暗条纹。
图6-1 激光干涉测长仪的原理图
激光干涉测长
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将被测物与其中一支光路联系起来,使反光镜M2沿光束2方向移动,每移动半波长的长度,光束2的光程就改变了一个波长,于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。
图6-1 激光干涉测长仪的原理图
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二、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:
激光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器,。
可移动平台携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜沿入射光方向平移,由于它的平移,使干涉仪中的干涉条纹移动。
光电显微镜的作用是对准待测物体,分别给出起始信号和终止信号。
光电计数器对干涉条纹的移动进行计数。
显示和记录装置是测量结果的输出设备,显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数及与之对应的长度。
图6-1 激光干涉测长仪的原理图
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按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位置关系,可分为两种类型:菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。
菲涅耳衍射是有限距离处的衍射现象,即观察屏到衍射物的距离比较小的情况,也称近场衍射。
夫琅和费衍射是无限距离处的衍射现象,在观察屏离衍射物可以近似做无限远时才能观察到,也称远场衍射。
激光衍射测量
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单缝衍射测量的原理:
激光单缝衍射测量的基本原理是单缝夫琅和费衍射,条纹的光强可表示为:
图6-9 衍射测量原理图
L>>b2/λ时
其中:
θ为衍射角,I0是θ=0时,即光轴上的光强
当β=±π,±2π,…±nπ时,出现的一系列I=0的暗条纹。测定任一个暗条纹的位置及其变化就可以精确知道被测间隙b的尺寸及尺寸的变化
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当被测物体尺寸改变δ时,相当于狭缝尺寸改变δ,衍射条纹的位置也随之改变,可得
对第k个衍射暗条纹有
当θ不大时,
所以
单缝衍射测量的基本公式: ,
(式中xk为第k级暗条纹中心距
中央零级条纹中心的距离)。
图6-9 衍射测量原理图
分别为起始缝宽和变化后的缝宽;
分别为第k个暗条纹的起始位置和变化后的位置。
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3. 圆孔衍射测量
接收屏上衍射条纹的光强分布为
图6-10 圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图
设中心亮斑(即第一暗环)的直径为d
当平面光波照射的开孔为圆形时,其远场的夫琅和费衍射像是中心为一圆形亮斑,
外面绕着明暗相间的环形条纹。
其中:
衍射图中央是亮斑(爱里斑),它集中了84%左右的光能量。
测定爱里斑的大小或其变化可以精密地测定或分析微小内孔的尺寸。
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激光测距
在生产实践和科学研究中,常常会遇到测量距离的问题。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,则需要测量大江两岸的间隔。而在军事上,炮位的瞄准、远距离打击等更离不开距离的正确测量。
光电测距是较早提出的一种物理测距方法,早在四十年代末五十年代初就制成了光电测距仪并实际应用于地面目标之间距离的测量。但是,当时的光电测距仪,受到了光源的亮度与单***的限制,没有能得到很大的发展。
六十年代初期,激光的出现对光电测距仪的发展起了极大的推动作用。激光亮度高、单***好、方向性强、光束狭窄,是光电测距仪的理想光源。与其他测距仪(如微波测距仪、光电测距仪等)相比,激光测距仪具有探测距离远、测距精度高,抗干扰性强、保密性好以及体积小、重量轻、重复频率高等特点。
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。
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激光测距仪的分类
按照测量距离可分为下述三类:
1、短程激光测距仪,它的测程仅在五公里以内,适用于各种工程测量
2、中长程激光测距仪,测程为五至几十公里,适用于大地控制测量和地震预报等
3、远程激光测距仪,它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离
按照测量方法的不同,激光测距可分为激光脉冲测距和激光相位测距
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