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第九章光学检测技术

发布时间:2020-07-19 21:28 作者:和记娱乐

  第九章光学检测技术._幼儿读物_幼儿教育_教育专区。第九章光学检测技术.

  第九章 光学检测技术 引言 光学方法的主要优势: ? ? ? ? 主要内容 ? ? ? ? ? ? ? 非接触性 高灵敏度 高精密性 光学图像的二维计量性 衍射法 扫描法 全息法 散斑法 莫尔法 激光测距 多普勒测速 光传感与光检测技术 9.1 激光衍射法 特点:简单、快速、精密、廉价、性能可靠。 9.1.1 激光衍射传感的基本原理 衍射计量的基本原理:检测单缝的远场衍射,即夫 朗和费衍射。 远场衍射条件: R ? W 2 ? 检测面上衍射光强分布: I ? I 0 ? sin 2 ? ? 2 ? ? ? ??W ? ? sin ? 暗条纹位置: ??W ? ? sin? ? n? W sin ? ? n? 激光衍射传感器检测的 基本原理: W ? ? Rn? ? xn 引申:测量物体的尺寸变化 x 最后缝宽和起始缝宽 变动后衍射条纹中心 位置和起始衍射条纹 中心位置(n不变) 激光衍射测量的基本思想: 把难于测量的微小尺寸W或δ,通过远场衍射转为 大尺寸xn的测量,即利用衍射条纹的精确测量达到 精密传感。 对衍射条纹的测量 ? ? 记录固定的衍射强度 记录衍射分布特征尺寸——衍射分布极 点之间的距离 9.1.2 激光衍射技术 (一)间隙计量法 尺寸比较测量 工件形状轮廓测量 应变的感应器 衍射条纹间隔 间隙 两种计量方法 ? ? W ?W ? ? ?1 1 ? ? ? ? ?nR? ? ? xn x ? ? ?? n ? ? ? ? ?? n ? n? ? ? sin ? ? ? (1)绝对法:测量位移前后n 级条纹距中央零级条纹中心位 置xn及xn就可求出位移量δ 。 (2)计数法:测得条纹计数值 △N(n-n ),就可求出试件 的位移或应变值δ 。 两个例子 (二)爱里圆斑法 作用:精确测定微小内孔的尺 寸 基本原理:基于圆孔远场衍射 第一暗环直径 d ? 1.22? f a 9.2 激光扫描法 ? ? 一种动态光传感技术 适宜对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量 ?9.2.1 激光光点扫描技术 利用激光束的扫描运动来测定物体的尺寸。 特点:非接触、动态、远距离(1m) 1 D ? ?t 2 ?为保证测量精度,三点要求 (1)激光束垂直照射被测表面 (2)光束对物面作匀速直线)精确测定扫描时间 (a)转镜扫描 y ? R tan 2? 光束在物面上的运动速 度是非均匀的,而且光 束不垂直物面。因此这 种扫描方式不能满足基 本要求(1)和(2)。 (b)反射镜准直扫描 为保证基本条件( 1 ) 和( 2 )通常采用 f-θ 透 镜与转镜组合的反射镜 准直扫描装置。f-θ物镜 是专用于光扫描系统的 物镜,是一种负畸变物 镜。可保证y与θ的线性 关系: y ? f ? 2? 9.2.2 位相调制扫描技术 光点扫描技术:采用时间脉冲计数测定工件尺寸。工件 边缘衍射效应,测量误差大,精度在0.01mm左右; 位相扫描技术 光调制扫描法 外差扫描法:测量微小变形,适用于振动条件下的高精 度测量,精度达0.1μm。 外差扫描法 一束细的激光束扫描有振动的物体表面 反射光的位相对应于物体表面的形状 设法组合参考光(扫描入射光)与反射的相位调制光 用外差技术检测 z ( x(t) ) 9.2.3 表面特征抽取的扫描技术 应用:表面的瑕疵弊病检查、表面异物探测、形 状规则度检查; 1 反射光检测法 检测装置 ( a )飞点成 像式: 在 y 方向上用线光束照明, 反射光用旋转多面体沿 y 方向扫描接收。在被测 表面的像面上设置针孔 以检测反射光的变化, 从而评定表面有否损伤 与划痕。 ( b )飞点扫描式:直接 用激光束扫描表面,扫 面方向(y方向)与被检 表面行进方向垂直。反 射光由列阵光电检测器 件检测。 2 散射光检测法 基本原理:漫反射表面的光洁 度与散射光的散射角之间有一 固定关系。 方法:激光束垂直照射待测表 面,检测垂直的反射光强和某 一角度下色散射光强,两个光 强之比确定表面光洁度。基于 边界衍射波理论,衍射波的频 谱分布反映的边界图形的特征, 可以判定表面瑕疵情况。 9.3 全息法 9.3.1 激光全息术 1948年,Gabor提出的,1960年激光出现后获得发展。 与普通照相的比较: 普通照相:透镜成像,感光胶片上只记录物体的光强分布, 平面像,胶片破碎后只能冲洗照片的一部分; 全息照相:不用透镜,借助参考光与来自物体的反射光(散 射光)在全息干板上产生干涉,记录物光的振幅和相位,可再 现立体像,干板打碎后用一碎片仍可再现全部立体像,只是清 晰度有所下降。 为什么一小块全息图能包含物体的整个三维 几何信息? 基本出发点:物体都是点的集合体。研究一个物点 的记录和再现过程。 记录 一组 同心 圆的 干涉 条纹 再现 假如点物放在O点,则O点散射波在a,b,c,……,f 点的相位分布和把再现光照射在全息图上时,全息图 上点 a , b , c , …… , f 的散射波的相位分布是完全相 同的。 全息术要求 相干性很高的光源:激光 被摄物均匀照射:扩束镜 获得明显的干涉条纹:参考光与物光的分束 比:2:1—10:1 记录介质要求有较高的分辨本领:溴化银照 相乳胶 曝光期间要求实验装置有很高的机械稳定性 (a)透明物透射光作为物光; (b)非透明物反射光作为物光 9.3.2 全息干涉技术 应用:高精度传感测量物体的位移或形变。 基本原理: 将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张 全息图上,再现此全息图时,再现的二光波就发生 干涉。通过干涉条纹的检测,就可获得被测物体在 拍摄时间间隔内发生的变化。 拍摄方法: 静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法 静态二次曝光法 ? 再现像中光强分布 受到物体位移后产生的位相差的调制,形成干涉条纹 ? 动态时间平均法,又称长 时间一次曝光法。用来研 究物体振动。 ? 记录的曝光时间要大于物 体的振动周期。 ? ? 全息图上记录的是许多像的总效果。再现时再现像 是各个再现波前的复振幅之和。 产生的干涉条纹将反映振动物体的极限位置。 实时法 ? ? ? ? 曝光一次,曝光时间 短。 再现时,再现像叠加 在原物体上。 如果物体稍有位移或 形变,即能观察到干 涉条纹。 适合于测试透明物体 中的一些现象。 9.3.3 全息等高线技术 应用:物体表面三维形貌测量。 主要包括: 线投影等高技术 双频全息技术 变折射率全息技术 视频和散斑技术 线投影等高技术 ? 等高线是一系列等间隔 的平行平面与被检测表 面的交线。 线投影等高技术是用光 学方法产生一组等间隔 的平行平面来照明物体, 当沿着垂直于照明平面 的方向去观察物体,就 不难看到待测物体的等 高线图。 ? 干涉线投影技术 ? ?h ? 2sin ?? 2 ? 9.4 散斑法 9.4.1散斑概念及统计性质 (1)散斑现象: 当一束激光射到某粗糙表面上时,观察被照区域有许多明暗 相间、杂乱无章的亮斑和暗斑,这种现象称为散斑。 成因: 粗糙表面(或散射介质)的散射光干涉所形成的。 形成散斑的条件: 粗糙表面和相干光照射 ? ? ? 起初:散斑点——条纹的反差受到影响——噪声 发展:单个斑点的大小和位置随机分布 所有斑点的综合符合统计规律 漫反射表面——散斑场 物体表面上各点的运动——散斑场的运动 启发:散斑运动——物体表面的运动信息——位 移、应变、应力 (2)散斑大小 客观(直接)散斑:由粗糙表面的散射光干 涉面直接形成。 ? 主观(成像)散斑:在成像光组像面上P点 形成散斑。 ? 空间结构: 随机分布的颗粒形状,用二相邻亮斑间距 的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。 ? 对圆形照亮区域,散斑的横向平均直径为 ? ?T ? 0.6? sin u ? 结论: 散斑横向平均直径与照明区域大小有关, 大的照明区域对应大的u值,散斑变小,反 之变大。 (3)散斑的光强分布 ? 散射波的位相是无规则地分布在0~2π范围内,且 同偏振,散斑强度概率分布为 ? 结论: 最可能出现的强度是接 近于0的,即黑散斑比其它 强度的散斑要多。 9.4.2 散斑计量技术 ? ? (1)散斑照相法 物体表面运动与散斑场的运动有 确定关系。 第一次拍摄:底片上记录了物面 的散斑图。 第二次拍摄:物体变形后进行, 同一底片上记录了两个散斑图。 物镜孔径角u没有变,两个散斑 图是相同的。位置因物体表面的 移动而产生了相应的移动。 测量出两个散斑图的移动量,也 就知道了物体表面的移动量。 ? ? ? ? (2)散斑干涉法 ? 将另外一束均匀激光束作为参考光束与 散斑图组合在一起,或将两个散斑图组合在 一起,使之产生干涉作用,获得第三个散斑 干涉图,分析处理这第三个散斑干涉图可获 得待测物面的位移。 9.4.3 电子散斑干涉测量技术 (Electronic speckle pattern interferometry,简称ESPI) 优点: ?采用 CCD 记录物面散斑场的光强信息, 无损伤,非接触 实时显示干涉条纹,快速方便; ?可以在明室下操作,这给工作人员带 来了方便; ?使用图像采集卡高帧速采集散斑场信 光路简单,操作方便 息,对工作环境的防震要求大大降低。 ?条纹图以数字形式存储,便于条纹后 抗震性好 处理,结合计算机技术自动分析条纹。 计算方便,精度可靠 应用:测取物体的位移、应变,无损检测 (1)测量离面位移的电子散斑干涉系统 R点与成像透镜的光束共 轭,参考光束好像从O点 射出一样,这样,参考光 束就与物光束一致,产生 干涉作用。电视摄像机记 录并存储散斑图样。 (2)测量面内位移的电子散斑干涉系统 两束相干平面波激光 束以相同入射角i在法 线两侧平行入射到粗 糙物面上。被物面散 射的光通过物镜成像 在电视摄像机摄像管 平面上。摄像管平面 垂直于物面法线,记 录并存储散斑图。 光传感与光检测技术 9.5 莫尔技术 光传感与光检测技术 9. 5. 1 莫尔条纹现象 9. 5. 2 条纹形成原理 9. 5. 3 莫尔条纹的应用 51 2018/10/1 光传感与光检测技术 长光栅莫尔条纹 52 2018/10/1 光传感与光检测技术 圆弧莫尔条纹 单击准备演示 播放中…… 53 2018/10/1 光传感与光检测技术 辐射形莫尔条纹 单击准备演示 播放中…… 54 2018/10/1 光传感与光检测技术 概念 莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒 定的角度和频率发生干涉的视觉结果。 55 2018/10/1 光传感与光检测技术 9. 5. 1 莫尔条纹现象 9. 5. 2 条纹形成原理 9. 5. 3 莫尔条纹的应用 56 2018/10/1 光传感与光检测技术 ?遮光阴影理论 光栅间距远大于波长,衍射效应不明显; ?衍射干涉理论 光栅间距小,衍射效应明显。 57 2018/10/1 光传感与光检测技术 1 遮光阴影理论 亮带:透光面积大 黑带:互相遮挡 (a) 光栅I 58 (b) 光栅II (c) 两个光栅叠加的结果 2018/10/1 光传感与光检测技术 条纹间距的计算 光栅I 光栅II 莫尔条纹 A D C B d ? d? 59 m 2018/10/1 光传感与光检测技术 A a ? B c D C b d d? m m? 60 dd ? 2 ? d ? d ? 2dd ? cos ? 2 (9-1) 2018/10/1 光传感与光检测技术 2 衍射干涉理论 G1 -1 0 G2 ( -1, 0) ( -1,1) (-1,2) (0,-1) (0,0) (0,1) (1,-2) (1,-1) (1,0) -1级群光束 0级群光束 1级群光束 ? 1 所有级次代数和 M i + N i 相同的衍射光束称为 (Mi+Ni)级群光束,它们有相同的传播方向。 61 2018/10/17 光传感与光检测技术 9. 5. 1 莫尔条纹现象 9. 5. 2 条纹形成原理 9. 5. 3 莫尔条纹的应用 62 2018/10/1 光传感与光检测技术 1 莫尔条纹的计数原理 光源 主光栅 透镜 指示光栅 透镜 光电元件 放整 大形 微整 分流 数字显示 电子计数器 被测物体位移=栅距×脉冲数 63 2018/10/1 光传感与光检测技术 2 莫尔形貌(等高线)技术 基本原理 通过光栅及光栅在物体表面的投影叠加形 成莫尔条纹,同级莫尔条纹就是物体表面距主 光栅深度相同的等高线分布,实现三维物体的 形貌测量。 64 2018/10/1 光传感与光检测技术 (1) 照射型莫尔等高线技术 d N级等高线) P:光栅常数; l:光源与光栅之间距离; d:观察者到光源之间距离 。 光栅 P 1 2 hN 65 N 光传感与光检测技术 (2) 投影型莫尔等高线技术 N级等高线深度: l ?l ? f ?NP hN ? fb ? ?l ? f ?NP G1 C1 L1 (9-3) l:透镜L1和L2到物体表面的距离; f:透镜L1和L2的焦距; P:光栅G1和G2的光栅间距; b:L1到L2之间的距离。 66 h2 h1 l 光源 b L2 G2 C2 接收器 2018/10/1 光传感与光检测技术 小结 1 莫尔条纹现象 2 莫尔条纹的原理: 遮光阴影理论和衍射干涉理论 3 莫尔条纹的应用: 莫尔计数技术和莫尔形貌技术 2018/10/1 67 9.6 激光测距 引言 应用:激光雷达、精确制导、目标指示、火控系 统、飞机防撞系统、大地勘测、天体测量 两类: 脉冲测距法:军事用途等非合作目标(反射能 力差,必须使用能量高度集中地窄脉冲来测距) 连续波测距(调频法、相位法):合作目标 9.6.1 脉冲测距原理 ? 原理: R ? 1 2 ? cT ? 关键:准确测量渡越时间T,即精确确定发射和 接收时刻t1和t2。 测距机 ? ? 光电系统:光转换、放大整形电路 计数部分:电子门、时钟发生器、计数器 接收脉冲和时钟是异步的, 有一个周期的测量误差。 ? 所测脉冲渡越时间 T ? N0T0 ? T0 计时脉冲数 时钟周期 ? 目标距离为: 分辨率为: ?R ? ? c 2 f 0 时钟频率越高,距离分辨率越好。 ? 1 c R ? c ? N0T0 ? T0 ? ? ? N0 ? 1? 2 2 f0 ? ? 如何在较低的时钟频率下获得高精度的距离测量? —— 内差时间扩展测距法 ? 所测脉冲渡越时间: T ? N0T0 ? T1 ? T2 ? 通过一个RC电路对 T1、T2进行放大。 在T1时间对电容充 电,经一较大电阻 使之缓慢放电,并 保证放电时间正比 于充电时间。 ?目前脉冲法非合作目标测距在大气层内的最大测距 距离约30km,精度达几十厘米。 主要影响因素:大气吸收,雾、雨、雪、烟尘等散 射限制了作用距离。 激光测距在卫星定位、天体测量中有重要应用。 9.6.2 适用于合作目标测距。 1 调频法测距 连续波测距 原理:利用线性调频的微波信号对连续输出的激光 作光强度调制;目标回波收到后,通过比较发、收 信号调制波型的频率差来确定目标距离。 线性调频的微波信号其发射频率为: ft ? f0 ? kt mT0 ? t ? ? m ?1? T0 距离R处的目标反射回的光信号的频率为: f r ? f 0 ? k ? t ? 2R c ? 发射信号与回波信号的频率差为: f p ? ft ? fr ? 2kR c 最大测距范围: R ? cf p 2k Rm ? cT0 2 2 相位法测距 原理:利用单频电信号对激光作光强度调制,通过 检测回波与发射信号的相位差来确定目标距离。 c ? 发射点到接收点的往返距离: D ? f 2? ? ? 2? N1 ? ?? ? 2? ? N1 ? ?N1 ? ?N1 ? ?? 2? ? 1 D?c f ? ? N1 ? ?N1 ? ? ? N1 ? ??N1 用长度为λ的尺子去度量D 关键:测量发射波与反射波的相位差。 问题:只能得到相位差的尾数 必须将尺子增大,D λ。 由于鉴相器相对精度达0.1%,导致绝对精度低。 解决方法:“粗尺”和“细尺”联合测量。 例:为了测量625.45m的距离 用1000m粗尺测:625m 用10m细尺测:5.45m 得到距离为625.45m。 9.7 引言 激光多普勒测速技术 应用:流体力学测量,如流速分布、湍流、燃烧、 爆炸 优点: 不干扰流场 无损伤 9.7.1 光学多普勒效应 ? 多普勒效应原理: 观察者相对于光源以速度v运动时,观察者感受到波 的频率发生变化: v cos ? ?? ? c ? ? ? 光学多普勒测速:测量透明流体(液体、气体)中 的流速分布。 测速原理:悬浮在流体中的微小粒子随流体运动, 散射光束会产生多普勒频移。通过测量频移量测流 体的速度。 ? ? 光源发出的光照射到粒子后散射,至被观察者接 收,发生两次频移: 粒子接收到的光波频率因光源、粒子相对运动产 生频移: v cos ?1 ? ? ?? ? ? c ?观察者接收到的光波频率因粒子、观察者相对运动 产生频移: v cos ? 2 ? ?? ? ? ? ? ?? c v cos ?1 v cos ? 2 ? v cos ?1 ? ?? ? ?? ?? ?? ? c c ? c ? 观察者感受到的频移: v? ?? ? ? ?? ?? ? c ? ? v cos?1 ?? ?cos?1 ? cos?2 ?1 ? c ?? ? ?? ? v? c v? ?? ? ? ?? ?? ? ? cos ?1 ? cos ? 2 ? c 9.7.2 差动多普勒技术 ? 激光器的输出光 分为相等的两束 平行光,经一大 口径透镜使它们 在焦点处相交, 并照射到散射粒 子上。 v? ? v? cos ?1? ? cos ? 2 ? ?? ? ? cos ?1 ? cos ? 2 ? ?? ? ? ? c ? c ?检测器观察到的这两散射光的频差为: v? ? 2v? ? ? ? ?f ? ?? ? ?? ? ? cos ?1 ? cos ?1 ? sin cos ? ? c ? c 2 ? v? ? 2v? ? ? ? ?f ? ?? ? ?? ? ? cos ?1 ? cos ?1 ? sin cos ? ? c ? c 2 散射光经光电器件后产生频差电流,检出光电流的 频率即可算出粒子速度。 从干涉条纹的观点解释: 条纹间距: ? d? ? c 2sin ?? 2 ? 1 粒子被照明的频率: v cos ? 2v? ? ?f ? ? sin cos ? d c 2 透射型 反射型 9.7.3 多普勒测速系统的光电检测与信号处理 ? ? 要求:高灵敏度、低噪声和一定的响应速度。 常用器件:雪崩光电二极管、光电倍增管。 本章重点 ? 衍射法、扫描法、全息法、散斑法、莫 尔法、激光测距、多普勒测速技术的基 本原理。 要求能看懂光路图,可根据光路说明上 述各种技术的工作过程。 ?

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