1、會(huì)計(jì)學(xué)1激光其它激光其它(qt)測量技術(shù)測量技術(shù)第一頁，共46頁。6.1激光(jgung)多普勒(Doppler)測速技術(shù)1842年Doppler發(fā)現(xiàn)(fxin):任何形式的波傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng)(yndng)，會(huì)使頻率發(fā)生變化，即所謂的多普勒頻移。1964年，Yeh和Cummins首次觀察到水流中粒子的散射光有頻移，證實(shí)了可用激光多普勒頻移技術(shù)來確定粒子流動(dòng)速度。激光多普勒頻移技術(shù)應(yīng)用:流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測量。第1頁/共46頁第二頁，共46頁。=一、多普勒測速原理激光多普勒側(cè)速術(shù)(LDV)的工作原理:基于(jy)運(yùn)動(dòng)物體散射光

2、線的多普勒效應(yīng)1. 多普勒效應(yīng)引起多普勒頻移的原因:a 波源或者接收器的移動(dòng)b 波傳輸通道(tngdo)中的物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生f =ffVcosVcosf=Vcosc對于(duy)a種情況:第2頁/共46頁第三頁，共46頁。b 波傳輸通道(tngdo)中的物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生這種情況是LDV的基本測速原理從p點(diǎn)看:從U處看:因?yàn)?yn wi):f pfDf p=c -V Kc+V Ucp第3頁/共46頁第四頁，共46頁。如果接收散射光和光源(gungyun)人射光之間的夾角為，則式(6-7)可以寫為或從6-8式知 ,測出頻移即可以計(jì)算出移動(dòng)速度來由于光頻率極高, 一般采用在實(shí)際測量(cling)中，多采用光

3、外差多普勒測速技術(shù)，即把人射光和散射光同時(shí)送到光接收器上，由光電器件的平方律檢波特性，在它們的輸出電流中只包含兩束光的差頻部分，這樣能接收到由于粒子的運(yùn)動(dòng)速度所引起的光頻微小變化。第4頁/共46頁第五頁，共46頁。二、激光(jgung)多普勒測速儀的組成激光(jgung)多普勒測速儀(Laser Doppler VelocimeterLDV)組成: 激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號處理(xn ho ch l)系統(tǒng)第5頁/共46頁第六頁，共46頁。1.激光器多普勒頻移相對光源波動(dòng)頻率來說變化很小，因此，必須用頻帶(pndi)窄及能量集中的激光作光源。為便于連續(xù)工作，通常使用氣體激光器.如He-Ne激光器:

4、 功率較小，適用于流速較低或者被測粒子較大的情況氬離子激光器: 功率較大，信號較強(qiáng)，用得最廣。2.光學(xué)系統(tǒng)LDV按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，可分為:雙散射型、參考光束型和單光束型三種光路。參考光束型和單光束型LDV在使用(shyng)和調(diào)整方面條件要求苛刻，一般不采用。常用雙散射型第6頁/共46頁第七頁，共46頁。A 單光束(gungsh)型特點(diǎn):測量速度(sd)高, 適合超音速測量,調(diào)整麻煩,測量結(jié)果與角度(jiod)有關(guān)第7頁/共46頁第八頁，共46頁。B 、參考(cnko)光束型第8頁/共46頁第九頁，共46頁。C、雙散射(snsh)型特點(diǎn)：散射光的頻差與光電探測器的方向(fngxing)無關(guān)

5、。使用時(shí)不受現(xiàn)場條件的限制(xinzh)，可在任意方向測量，且可使用大口徑的接收透鏡，粒子散射的光能量極大地得到利用，信噪比高。進(jìn)人光電探測器的散射光來自兩束具有同樣強(qiáng)度的光線的交點(diǎn)，它對所有尺寸的散射微粒都發(fā)生高效率的拍頻作用。避免了信號的“脫落”現(xiàn)象。調(diào)整時(shí)只需根據(jù)兩束光交點(diǎn)處干涉條紋的清晰度進(jìn)行調(diào)整，使用很方便。第9頁/共46頁第十頁，共46頁。3.信號處理(xn ho ch l)系統(tǒng)激光(jgung)多普勒信號非常復(fù)雜： 由于流速起伏，所以頻率在一定(ydng)范圍內(nèi)起伏變化，是一個(gè)變頻信號。 因粒子的尺寸及濃度不同，散射光強(qiáng)發(fā)生變化，則頻移的幅值也按一定的規(guī)律變化。粒子是離散的，每個(gè)

6、粒子通過測量區(qū)又是隨機(jī)的，故波形有斷續(xù)且隨機(jī)變化。光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器及電子線路存在噪聲，加上外界環(huán)境因素的千擾，使信號中伴隨許多噪聲。信號處理系統(tǒng)的任務(wù)是從這些復(fù)雜的信號中提取那些反映流速的真實(shí)信息，傳統(tǒng)的測頻儀很難滿足要求。第10頁/共46頁第十一頁，共46頁。多普勒信號處理方法主要有:頻譜分析法、頻率(pnl)跟蹤法、頻率(pnl)計(jì)數(shù)法、濾波器組分析法、光子(gungz)計(jì)數(shù)相關(guān)法掃描干涉法等。1）頻率跟蹤法第11頁/共46頁第十二頁，共46頁。2）頻率(pnl)計(jì)數(shù)法原理: 計(jì)算n個(gè)脈沖(michng)的時(shí)間,計(jì)算出多普勒頻移的平均周期,從而計(jì)算出頻移, n為設(shè)定(sh dn)的脈沖

7、數(shù)目, N為時(shí)鐘數(shù)目, T為時(shí)鐘周期f =1TN=nNfn第12頁/共46頁第十三頁，共46頁。三、激光多普勒測速技術(shù)(jsh)的應(yīng)用激光多普勒測速儀(LDV)特點(diǎn)(tdin): 具有非接觸測量 不干擾測量對象 測量(cling)裝置可遠(yuǎn)離被測物體應(yīng)用:生物醫(yī)學(xué)流體力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)燃燒學(xué)等領(lǐng)域第13頁/共46頁第十四頁，共46頁。1.血液(xuy)流動(dòng)/定位第14頁/共46頁第十五頁，共46頁。2.管道(gundo)內(nèi)流體的測量第15頁/共46頁第十六頁，共46頁。四、多普勒全場(qun chn)測速技術(shù)LDV是對流場中的某一固定點(diǎn)進(jìn)行測量(cling)，如要做全場測量(cling)，則需逐點(diǎn)掃

8、描，故只限于變化較小的流動(dòng)，不能用于非定量流多普勒全場(qun chn)測速技術(shù)(Doppler Global VelometerDGV)，可對流體做全場測量，對粒子的選擇、播發(fā)沒有嚴(yán)格的要求，特別適合于氣流測量。1.DGV原理原理利用了某些物質(zhì)的選擇吸收特性，把多普勒頻移轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度，通過視頻相機(jī)拍攝后進(jìn)行處理，獲得全場的速度信息，從而實(shí)現(xiàn)全場、實(shí)時(shí)及三維測量。第16頁/共46頁第十七頁，共46頁。一般工作在f1-f2段，中心頻率fi處于激光器的中心頻率附近， f1-f2的帶寬約為600MHz。由于(yuy)不同頻率對應(yīng)不同的透過率，這樣把頻率變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的大小分子(fnz)碘、溴蒸氣或

9、堿蒸氣是最合適的吸收物質(zhì)，它們的原子和分子(fnz)有很多吸收線能匹配現(xiàn)有的激光頻率，氫粒子激光的514.5 nm譜線在碘吸收線的近旁，YAG激光倍頻后的532.0nm譜線與碘及嗅相配。第17頁/共46頁第十八頁，共46頁。 將分子蒸氣灌注在一個(gè)密封(mfng)容器中，并保持恒溫，如把緩沖氣體加進(jìn)分子蒸氣室中，可增加吸收區(qū)以擴(kuò)寬頻率范圍。由于從不同方向人射于分子蒸氣的光線互不干擾，故可對整個(gè)視場各點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測量。此分子室成為一個(gè)分析器，或稱做鑒頻器，它是本技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵部件。 光線經(jīng)過鑒頻器后,轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)分布術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵部件。用一臺(tái)視頻相機(jī)(如CCD攝像機(jī))對被光屏照明的物面進(jìn)行拍攝，記錄由該

10、物面散射并透過鑒頻器后的光線。視頻信號采集后送人計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，得到實(shí)時(shí)的全場定量(dngling)速度值。第18頁/共46頁第十九頁，共46頁。3D速度測量: 需要三套測量裝置,不同(b tn)放置來建立方程獲得2. 測量測量(cling)裝置裝置第19頁/共46頁第二十頁，共46頁。II測量過程:1) 設(shè)變焦鏡頭像平面(pngmin)上某點(diǎn)的光強(qiáng)為 I CCD1路的光強(qiáng)為： s CCD2路的光強(qiáng)為： R 6濾光片的透射率為TF5鑒頻器的透射率為T(f)CCD的轉(zhuǎn)化效率為a則CCD1和2的輸出電壓分別為Vccd1 = aI sT(f) Vccd2 = aI RTFVccd1Vccd2=

11、T(f)第20頁/共46頁第二十一頁，共46頁。2) 由t查表查出每一點(diǎn)(y din)的頻率f 已知t=F(f)3) 求出每一點(diǎn)(y din)的頻移 f=f-f04) 求出每一點(diǎn)(y din)的速度: f=V (U-K)/DGV注意事項(xiàng)1）由于兩CCD要求像面完全重合,光程應(yīng)該盡量一致2）測量為CCD1與CCD2輸出電壓的比值,因此兩CCD參數(shù)盡量一致, 其物理參數(shù)盡量一致的同時(shí),曝光時(shí)間、采樣間隔應(yīng)嚴(yán)格同步3）由于求頻率是由鑒頻器的特性決定, 鑒頻器應(yīng)該恒壓、恒溫措施第21頁/共46頁第二十二頁，共46頁。6.2 激光掃描(somio)測徑技術(shù) 激光(jgung)掃描測量直徑是1972年Zy

12、go公司發(fā)展起來的一種技術(shù)，有人稱之為Laser Tele-metric system，有人稱之為Laser shadow Gauge 近在工件(gngjin)外形尺寸測量中得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用最多的是側(cè)量線材直徑。 其原理:用一束平行光以恒定的速度掃描線材，并由放在線材對面的光電接收器接收，投射到光電接收器上的光線在光束掃描線材時(shí)被遮斷，所以光電接收器輸出的是一個(gè)方波脈沖，脈沖寬度與線材直徑成正比。第22頁/共46頁第二十三頁，共46頁。一、轉(zhuǎn)鏡掃描(somio)測徑1.掃描(somio)測徑原理第23頁/共46頁第二十四頁，共46頁。設(shè)晶體的振蕩頻率為v，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，多面體的面數(shù)為N，透鏡

13、焦距為f，通光孔徑(kngjng)為D，被測件掃描的平均次數(shù)為m，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度=2n反射光束(gungsh)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速 2線速度: V=f *2=4n f一個(gè)計(jì)數(shù)(j sh)脈沖對應(yīng)的間距為: =V/v =4 n f/vd直徑對應(yīng)的脈沖數(shù): A=d/ = dv/4 n f所以: d=4 n f A/v從公式上看: v越大,分辨率越高, f 越小分辨率越高第24頁/共46頁第二十五頁，共46頁。2.轉(zhuǎn)鏡掃描(somio)測徑儀的組成轉(zhuǎn)鏡掃描(somio)測徑儀由三部分組成:測量(cling)頭、數(shù)字顯示裝置以及電源。測量頭由激光器、同步電機(jī)、多面體反射鏡、光學(xué)系統(tǒng)和光電管等組成一個(gè)整體。根

14、據(jù)被側(cè)件情況，必須相應(yīng)考慮冷卻、通風(fēng)及防塵等措施。數(shù)字顯示裝置可以顯示被測件直徑的絕對值或偏差值。電源部分包括氦氖激光電源和同步電機(jī)專用電源。轉(zhuǎn)鏡掃描側(cè)徑儀通常用于直徑較大的線材直徑側(cè)量。根據(jù)不同參數(shù)的測量頭，可測直徑為0.5-30 mm。儀器可以設(shè)計(jì)成同時(shí)測量水平、垂直兩個(gè)方向的直徑，以便獲得被測件的橢圓度。第25頁/共46頁第二十六頁，共46頁。3.大直徑(zhjng)的測量第26頁/共46頁第二十七頁，共46頁。二、音叉(ynch)掃描測徑對于線徑在0. 5mm以下的物體，由于線徑小，掃描區(qū)間窄，掃描鏡不需要大幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以采用(ciyng)音叉或電流計(jì)等作為鏡偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。音叉掃

15、描測徑方法適合于測量線徑60一200 um的金屬絲或光導(dǎo)纖維(un do xin wi)，(當(dāng)絲無橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)500 um左右)測量精度為1%。1. 原理圖第27頁/共46頁第二十八頁，共46頁。設(shè)掃描(somio)光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為:s = A0 sint光點(diǎn)在掃描方向橫切細(xì)線兩側(cè)的時(shí)間(shjin)為t1和t2,坐標(biāo)為S1和S2，則d = S 1 - S 21t1 = arcsin1t2 = arcsinS1A0S2A0如果參考(cnko)信號的運(yùn)動(dòng)方程為:V = V0 sint第28頁/共46頁第二十九頁，共46頁。S1A0S2A0在t1和t2時(shí)所截取的電壓(diny)分別是V1 = V

16、0 sint1 = V0V2 = V0 sint2 = V0電壓(diny)差:Vd = V1 - V2 =A0或 : d =VdV0V0A0(S1 - S2 ) =V0A0d第29頁/共46頁第三十頁，共46頁。三、掃描(somio)鏡電流計(jì)測徑第30頁/共46頁第三十一頁，共46頁。四、位相調(diào)制掃描測量(cling)技術(shù)影響激光掃描測量精度(jn d)的主要因素：工件邊緣的衍射(ynsh)現(xiàn)象衍射使被測工件的邊界模糊，用時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，必然引人誤差，使前述的光點(diǎn)掃描測量精度限制在士0.01 mm。位相調(diào)制掃描測量技術(shù)采用空間調(diào)制光束來掃描工件，通過測量位相，而不是測時(shí)間來獲得被測件的尺寸，

17、測量精度可達(dá)士1 um，適合于各種高溫、高壓下做非接觸高精度現(xiàn)場測量。第31頁/共46頁第三十二頁，共46頁。第32頁/共46頁第三十三頁，共46頁。I1 = I 3 ; I 2 = I1 + I 3設(shè)PBS分開(fn ki)的兩束光的光強(qiáng)相等，則掃描光、之間的光強(qiáng)I1,I2.I3，有如下(rxi)關(guān)系:若Pockels調(diào)制器的振蕩頻率(pnl)為，由圖6-18可知，光束+是(I1+I3) (1 + sin t)。而光束的方程是I2(1-sin t)。對任意時(shí)刻，調(diào)制掃描光束的表達(dá)式為第33頁/共46頁第三十四頁，共46頁。1當(dāng)光束(gungsh)與工件相遇時(shí)為a區(qū)，掃描光束(gungsh)掃

18、過工件后為a區(qū)2當(dāng)工件邊緣開始(kish)擋住光束或時(shí)，這時(shí)為b區(qū)和b區(qū)3當(dāng)工件邊緣(binyun)開始擋住光束到全部擋住光束時(shí)2和3 的信號正好相差pi第34頁/共46頁第三十五頁，共46頁。第35頁/共46頁第三十六頁，共46頁。6.3 激光測距技術(shù)(jsh)常用的測距技術(shù)(jsh):雷達(dá)/無線電測距時(shí)間 回波超聲測距激光測距無導(dǎo)軌測距:短程:合成(hchng)波長回波(hu b) 相位半導(dǎo)體激光調(diào)頻測距遠(yuǎn)距離(幾千米)測量的技術(shù):激光相位測距 脈沖激光測距第36頁/共46頁第三十七頁，共46頁。一、激光相位測距(一)激光相位測距原理(yunl)相位測距是通過對光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的光從

19、A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)的相移可表示為? = 2m + ? = 2 (m + m)光從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)所用時(shí)間為t，則A、B兩點(diǎn)之間的距離L = ct = c?2f= (m + m)若測量(cling)出某一時(shí)刻的相位，則測出波通過的距離第37頁/共46頁第三十八頁，共46頁。為方便測量出相位變化(binhu)，一般采用反射式則L =22L = (m + m)(m + m) = Ls (m + m)實(shí)際上：1. cos為2周期(zhuq)的函數(shù)，不能直接測出m的變化量2. 一般的檢相電路,只能檢出0-2之間的相位變化第38頁/共46頁第三十九頁，共46頁。相位測量技術(shù)只能測量出不足2 的相位尾數(shù) ，即只能

20、確定余數(shù)m=/2 ，而不能確定相位的整周期數(shù)m。因此，當(dāng)被測距離L大于Ls時(shí)，用一把光尺是無法(wf)測定距離的。當(dāng)距離小于Ls時(shí)，即m=0時(shí)，可確定距離所以: 一般采用調(diào)制技術(shù), 變相(binxing)增大測量范圍,即增大波長為能實(shí)現(xiàn)長距高精度測量，可同時(shí)使用L。不同的幾把光尺。最短的尺用于保證必要(byo)的測距精度，最長的尺用于保證測距儀的量程。目前，采用的測距技術(shù)主要有直接測尺頻率和間接測尺頻率兩種。第39頁/共46頁第四十頁，共46頁。2（二）激光相位測距技術(shù)(jsh)（1）直接測尺頻率由測尺量度Ls?？傻霉獬叩恼{(diào)制頻率f s = c / 2LsL =(m + m) = Ls (m

21、+ m)這種方法所選定的測尺頻率fs直接和測尺長度Ls相對應(yīng)，即測尺長度直接由測尺頻率決定，所以這種方式稱為直接測尺頻率方式。直接測尺頻率一般應(yīng)用于短程(dun chn)測距（2）間接測尺頻率(合成波長)L = Ls1 = (m1 + m1 )L = Ls 2 = (m2 + m2 )L =Ls1 Ls2Ls1 Ls2(m1 m2 ) + (m1 m2 ) = Ls (m+ m)第40頁/共46頁第四十一頁，共46頁。=L =式中：Ls1 Ls 2 1 c 1 cLs1 Ls 2 2 f s1 f s 2 2 f s, f s = f s1 f s 2 ; m = m1 m2 ;m = m1 m2 = ? / 2 , ? = ?1 ?2間接測尺頻率法測距的基本原理:即通過測量fs1和fs2頻率的相位(xingwi)尾數(shù)并取其差值來間接測定相應(yīng)的差頻頻率的相位(xingwi)尾數(shù)。通常把fs1和fs2稱為間接側(cè)尺頻率，而把差頻頻率稱為相當(dāng)側(cè)尺頻率。第41頁/共46頁第四十二頁，共46頁。（三）相位(xingwi)測量技術(shù)第42頁/共46