6.1.1干涉測長的基本原理1.激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀,如圖6-1示,用干涉條紋來反映被測量的信息。兩束光的光程差可以表示為

2.被測長度與干涉條紋變化的次數(shù)和干涉儀所用光源波長之間的關(guān)系是

圖6-1激光干涉測長儀的原理圖3.從測量方程出發(fā)可以對激光干涉測長系統(tǒng)進行基本誤差分析6.1.2激光干涉測長系統(tǒng)的組成1.

除了邁克爾遜干涉儀以外，激光干涉測長系統(tǒng)還包括激光光源，可移動平臺，光電顯微鏡，光電計數(shù)器和顯示記錄裝置。

2.邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。

3.干涉儀的分光器件原理可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。分振幅平行平板分光器和立方棱鏡分光器偏振分光器(參見圖6-6中的B2)以及由晶軸正交的偏光棱鏡組成如沃拉斯頓棱鏡。

4.干涉儀中常用的反射器件:平面反射器、角錐棱鏡反射器（圖6-2a）、直角棱鏡反射器（圖6-2b）、貓眼反射器（圖6-2c）圖6-2反射器6.1.2激光干涉測長系統(tǒng)的組成5.激光干涉儀的典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的光路布局，如圖6-3示。

圖6-3典型光路布局6.移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法有機械移相（圖6-4），翼形板移相，金屬膜移相和偏振法移相。圖6-4機械法移相原理圖6.1.2激光干涉測長系統(tǒng)的組成7.干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強信號，該信號經(jīng)放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個相位依次相差π/2的脈沖信號（圖6-5）。圖6-5判向計數(shù)原理框圖6.1.3激光外差干涉測長技術(shù)1.外差干涉儀：在干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。2.產(chǎn)生干涉儀載波信號的方法有兩種3.雙頻激光干涉儀的光路如圖6-6所示，其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2

圖6-6雙頻激光干涉儀光路圖4.測量反射鏡運動產(chǎn)生的多普勒頻移可以表示為5.測量鏡的位移量可由下式計算6.1.4激光干涉測長應用舉例1.激光測角的原理與小角度干涉儀類似,都是采用三角正弦原理。如圖6-7所示。被測的轉(zhuǎn)角為：

圖6-7激光測角原理示意圖1:偏振分光棱鏡組；2:角錐棱鏡組；3,3‘:檢偏器；4,4’:光電接收器；5,5‘:放大器；6:倍頻和計數(shù)卡；7:計算機

6.1.4激光干涉測長應用舉例2.激光測折射率也利用雙頻激光干涉技術(shù)，其光路如圖6-8。圖6-8雙頻激光干涉儀測量空氣折射率1:偏振分光棱鏡；2:分光器；3:?波片；4:真空室；5:抽氣口；6:角錐棱鏡；7:檢偏器；8:光電接收器；9:補償環(huán)6.2.1激光衍射測量原理1.光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)之間的位置關(guān)系一般分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射

2.單縫衍射測量

單縫衍射測量的原理：激光單縫衍射測量的基本原理是單縫夫瑯和費衍射，圖6-9為其原理圖。條紋的光強可表示為：圖6-9衍射測量原理圖單縫衍射測量的基本公式:,當被測物體尺寸改變δ時，相當于狹縫尺寸改變δ，衍射條紋的位置也隨之改變,可得

單縫衍射測量的分辨力、精度和量程:

6.2.1激光衍射測量原理3.圓孔衍射測量圖（6-10）表示了圓孔的夫瑯和費衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強分布為

圖6-10圓孔的夫瑯禾費衍射原理示意圖設(shè)中心亮斑(即第一暗環(huán))的直徑為d

6.2.2激光衍射測量的方法1.間隙測量法

其基于單縫衍射的原理。作尺寸的比較測量,如圖6-11(a)。作工件形狀的輪廓測量，如圖6-11(b)。作為應變傳感器使用，如圖6-11(c)。

圖6-11間隙測量法的應用用間隙測量法測量位移,即測量狹縫寬度b的改變量

=b’-b,可采用絕對法,求出變化前后的兩個縫寬b和b’，然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為

6.2.2激光衍射測量的方法2.反射衍射測量法反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的，圖6-12所示為其原理。圖6-12反射衍射法原理圖在P點處出現(xiàn)第級暗條紋的光程差應滿足,在該圖的幾何關(guān)系下縫寬可以表示為

6.2.2激光衍射測量的方法3.分離間隙法利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形成的衍射條紋進行精密測量的方法稱為分離間隙法。分離間隙法的測量原理如圖6-13所示。圖6-13分離間隙法原理圖測量出正負不同級次k1和k2上的暗條紋的位置和即可由下式計算出狹縫寬度和間隔

6.2.2激光衍射測量的方法4.互補測量法激光互補衍射測量法的原理是巴俾涅定理。圖6-14所示為兩個互補衍射屏。圖6-14巴比涅互補衍射屏6.2.2激光衍射測量的方法5.愛里斑測量法基于圓孔夫朗和費衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。通常用愛里斑中歸一化光強的大小的測量來確定被測孔的直徑。圖6-15是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。圖6-15噴絲頭孔徑的愛里斑測量原理示意圖6.2.3激光衍射測量的應用1.薄膜材料表面涂層厚度測量薄膜材料表面涂層厚度測量是使用分離間隙法，圖6-16所示為其原理。圖6-16薄膜材料表面涂層厚度測量6.2.3激光衍射測量的應用2.薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬薄帶(一般寬度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互補測量法進行測量。在測量時要求薄帶相對激光束的光軸有準確的定位，否則將引起測量誤差。圖6-17是薄帶寬度測量原理圖。圖6-17薄帶寬度測量原理圖6.3.1激光脈沖測距1.激光脈沖測距原理

原理:通過發(fā)射激光脈沖控制計時器開門，接收返回的激光脈沖控制計時器關(guān)門，測量出激光光束在待測距離上往返傳播的時間完成測距的。其計算公式為：

2.激光脈沖測距儀的結(jié)構(gòu)測距儀的簡化結(jié)構(gòu)如圖(6-18)所示。圖6-18激光脈沖測距儀的簡化結(jié)構(gòu)3.

激光脈沖測距儀對光脈沖的要求光脈沖應具有足夠的強度。光脈沖的方向性要好。光脈沖的單色性要好。光脈沖的寬度要窄。4.激光巨脈沖的產(chǎn)生圖6-19脈沖計數(shù)原理方框圖5.距離顯示脈沖測距中脈沖在測程上往返時間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)來進行計時。圖（6-19）就是這種設(shè)備的方框圖。6.3.2激光相位測距1.激光相位測距原理原理:測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的相位差q來間接測量傳播時間的。圖（6-20）所示激光相位測距儀的光路。圖6-20激光測距儀原理方框圖6.3.2激光相位測距1.激光相位測距原理光波每傳播波長

的一段距離，位相就變化2

。所以距離d、光波往返位相差

和光波波長

之間的關(guān)系為：當距離d大于測尺長Ls時，僅用一把光波測尺是無法測定距離的。但是，當d小于Ls時，2.分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率一定的測尺長度Ls，相應于一定的測尺頻率

s，它們之間的關(guān)系是:分散的直接測尺頻率方式選定的測尺頻率

s是直接和測尺長度Ls是相對應的。例如選用兩把測尺Lsb＝10m、Lsl＝1000m，則相應選用的測尺頻率為6.3.2激光相位測距2.分散的直接測尺頻率和集中的間接測尺頻率集中的間接測尺頻率方式是采用一組數(shù)值接近的調(diào)制頻率，間接獲得各個測尺的一種方法。假定我們用兩個頻率為

s1和

s2的光波分別測量同一距離d，則有：由上面兩式可得：令：則有：上式中Ls可以認定一個新的測尺長度，其相應的測尺頻率為:上式中的

正是用

s1和

s2的差額

s＝

s1－s2的光波測量距離d時所得到的位相尾數(shù)，由上式知

正好等于用頻率為

s1和

s2的光波測量d時得到的位相尾數(shù)之差

1－2。6.3.2激光相位測距3.相位差的測量差頻測相原理如圖（6-20）所示中的電路部分。設(shè)主控振蕩電信號（圖中的“主振”）為

該信號發(fā)射到外光路經(jīng)過一定距離的傳播后相位變化了，該信號被光電接收放大后變?yōu)?/p>

設(shè)本地振蕩信號（圖中的“本振”）為

輸送到參考混頻器與和混頻，在混頻器的輸出端分別得到差頻參考信號和測距信號分別為：

經(jīng)過差頻后的低頻信號輸入相位差計進行比較就可以檢測出相位差。

6.4.1激光準直儀1.激光準直儀的原理和結(jié)構(gòu)

激光束橫截面上的光強分布是“高斯分布”，光束的能量大部分集中在有效半徑為的截面內(nèi)。由于中心光強最大，所以光束分布中心連線可以構(gòu)成一條理想的準直基準線。

TEM00光束遠場發(fā)散角2

的公式為：

為了便于控制和提高對準精度，一般的激光準直儀都采用光電探測器來對準，因此準直儀的基本組成有如下幾個部分（圖6-21）

圖6-21激光準直儀的基本組成方框圖6.4.1激光準直儀2.發(fā)射光學系統(tǒng)

激光準值儀的發(fā)射光學系統(tǒng)是一個倒置的望遠鏡，其結(jié)構(gòu)如圖（6-22）所示

如果，分別為高斯光束入射和出射該望遠系統(tǒng)的光束發(fā)散角的話，令該望遠系統(tǒng)對高斯光束的發(fā)散角壓縮比為，則有

圖6-22激光準直儀光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)圓孔的夫瑯和費衍射理論可知,一個直徑為D的圓孔所造成的衍射角(即光束發(fā)散角的一半)為

6.4.1激光準直儀3.光電目標靶激光準直儀的光電目標靶通常用的是四象限光探測器，如圖6-23所示

圖6-24是激光準直儀測量機床導軌不直度的示意圖。

圖6-23四象限光電探測器原理圖4.激光準直測量的應用舉例：不直度的測量圖6-24機床導軌不直度的激光準直測量原理示意圖6.4.2激光衍射準直儀1.利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對準的衍射圖像，從而提高精度。這種利用衍射原理的激光準直儀叫激光衍射準直儀。它的原理結(jié)構(gòu)如圖6-25所示。

圖6-25激光衍射準直儀的原理結(jié)構(gòu)圖2.波帶片是一塊具有一定遮光圖案的平玻璃片（圖6-26）圖6-26波帶片示意圖6.4.3激光多自由度測量1.四自由度測量系統(tǒng)2.五自由度和六自由度測量系統(tǒng)中心孔式:圖6-27(a)所示；

分光式:圖6-27(b)所示；反射式:圖6-27(c)所示

圖6-27四自由度測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)五自由度和六自由度的測量，目前主要有兩種方式

美國密西根大學研究了一種光學測量系統(tǒng)，可同時測量機床五維幾何誤差。如圖6-28所示圖6-28波帶片示意圖6.4.3激光多自由度測量2.五自由度和六自由度測量系統(tǒng)日本Nihon大學和Sophia大學研究了一種用于同時測量機床工作臺六自由度誤差的光學測量系統(tǒng)。如圖6-29所示

圖6-29同時測量機床六自由度偏差的原理圖6.5.1運動微粒散射光的頻率1.運動微粒上接收到的光源入射光的頻率

2.靜止接收器上接收到的運動微粒散射光的頻率

如圖6-30所示，靜止光源O發(fā)出一束頻率為的單色光，該單色光入射到與被測流體一起運動(速度為)的微粒Q上，微粒Q接收到的光的頻率是

圖6-30頻率為的單色光入射到速度為的微粒Q如圖6-31所示，因此在S處接收到的散射光的頻率應為

圖6-31S處接收到的微粒Q散射光的頻率6.5.2差頻法測速1.參考光束型多普勒測速圖6-32所示為參考光束型測速方法的光路的原理圖。

圖6-32參考光束型多普勒測速光學系統(tǒng)設(shè)和分別表示參考光和散射光的電矢量的瞬時值則

合成光強I應正比于合成電矢量的模平方，由四項組成

6.5.2差頻法測速1.參考光束型多普勒測速光電倍增管實際感受到的合成光強可表示為

光電倍增管輸出的光電流正比于它接收到的光強，用復指數(shù)函數(shù)的實部表達它的規(guī)律為

多普勒頻移為如圖6-32可得若入射光在真空中的波長為

i，則有6.5.2差頻法測速2.雙散射光束型多普勒測速雙散射光束型測速方法是通過檢測在同一測量點上的兩束散射光的多普勒頻差來確定被測點處流體的流速的。如圖6-33所示為干涉條紋型。圖6-33雙散射光束型多普勒測速光學系統(tǒng)6.5.3激光多普勒測速技術(shù)的應用1.血液流速的測量圖6-34是激光多普勒顯微鏡光路圖圖6-34激光多普勒顯微鏡的光路圖6.5.3激光多普勒測速技術(shù)的應用2.管道內(nèi)水流的測量圖