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1、光衍射技术光衍射技术本章大纲本章大纲重点：重点：难点：难点：基本要求：基本要求：激光衍射计量原理激光衍射计量原理激光衍射计量技术激光衍射计量技术激光衍射实际应用激光衍射实际应用激光衍射计量技术的基本方案激光衍射计量技术的基本方案 激光衍射技术的应用激光衍射技术的应用激光衍射计量原理激光衍射计量原理掌握激光衍射计量原理，了解激光衍射计量掌握激光衍射计量原理，了解激光衍射计量技术的基本方案，包括间隙计量法、反射衍技术的基本方案，包括间隙计量法、反射衍射法、分离间隙法等射法、分离间隙法等 传感器原理及应用传感器原理及应用单缝衍射单缝衍射单缝夫琅和费衍射强度分布单缝夫琅和费衍射强度分布用振幅矢量法或衍
2、射积分法都可以得到缝宽为用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为b的单缝夫的单缝夫琅和费衍射光强分布表达式：琅和费衍射光强分布表达式：其中其中其分布如图示。其分布如图示。1 10.0470.0470.0170.017单缝夫琅和费衍射的相对光强分布单缝夫琅和费衍射的相对光强分布传感器原理及应用传感器原理及应用二、计量原理二、计量原理激光衍射计量的基本原理激光衍射计量的基本原理利用激光下的夫朗和费衍射效应利用激光下的夫朗和费衍射效应 近场衍射也称为菲涅尔衍射近场衍射也称为菲涅尔衍射 当光源当光源S照明照明E1平面上的一平面上的一个孔个孔H时，在距离时，在距离R的观察的观察屏屏E2上将看到孔上将看到
3、孔H的阴影。的阴影。按照几何光学的观点，光线按照几何光学的观点，光线是直线前进的，光在孔是直线前进的，光在孔H的的边缘通过的方向应是边缘通过的方向应是sa与与sa(虚线所示虚线所示)。但实际上的。但实际上的阴影却扩大了，这是由于光阴影却扩大了，这是由于光在孔刀的边缘上发生了衍射，在孔刀的边缘上发生了衍射，光线向外曲折光线向外曲折(实线所示实线所示)，因此，光的衍射区是因此，光的衍射区是ab与与a b。时为菲涅尔衍射时为菲涅尔衍射是孔与屏之间的距离是孔与屏之间的距离 是孔是孔H的直径的直径传感器原理及应用传感器原理及应用当观察屏当观察屏E3处在较远的位置上，处在较远的位置上，用透镜才能观察到的衍
4、射现象则用透镜才能观察到的衍射现象则称远场衍射。按几何光学的观点。称远场衍射。按几何光学的观点。并设成像透镜是理想的，没有像并设成像透镜是理想的，没有像差时，点光源差时，点光源S在在E3上的像应成上的像应成点像。但实际上点像扩大了，而点像。但实际上点像扩大了，而且周围还分布着亮度不大的圆环。且周围还分布着亮度不大的圆环。这就是夫朗和费衍射。这就是夫朗和费衍射。远场衍射远场衍射远场衍射的基本装置远场衍射的基本装置平行光照射平行光照射E1上的上的H孔时，孔时，远场衍射发生在无穷远。远场衍射发生在无穷远。用透镜接收后，在透镜的用透镜接收后，在透镜的焦点上就观察到十分清晰焦点上就观察到十分清晰的远场衍
5、射条纹的远场衍射条纹 传感器原理及应用传感器原理及应用利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。如图示。L Lw wR Rx xn n激光激光激光激光b)b)x xn nI I0 0R R观察屏观察屏观察屏观察屏参考物参考物参考物参考物被测物被测物被测物被测物激光激光激光激光w wa)a)计量原理计量原理 等效衍射等效衍射 传感器原理及应用传感器原理及应用观察屏观察屏E上由单缝形成的衍射条纹，其光强上由单缝形成的衍射条纹，其光强I的分布由物理光学的分布由物理光学知道有知道有:衍射角衍射角是是 时的光强，即光轴上的
6、光强时的光强，即光轴上的光强L Lw wR Rx xn n激光激光激光激光b)b)x xn nI I0 0R R观察屏观察屏观察屏观察屏参考物参考物参考物参考物被测物被测物被测物被测物激光激光激光激光w wa)a)计量原理计量原理 等效衍射等效衍射 传感器原理及应用传感器原理及应用三、基本公式三、基本公式E1平面上光孔的瞳函数为平面上光孔的瞳函数为 ，则，则整个孔在整个孔在E2平面上平面上p点处的振幅，点处的振幅，当略去光能损失当略去光能损失，孔，孔 在在E2上上的衍射分布的衍射分布 ，由物理光学知道，由物理光学知道，是是 的傅里叶变换。即的傅里叶变换。即式中式中 ，是孔平面上的复振幅分布；设
7、照明，是孔平面上的复振幅分布；设照明是平行光正入射，波面与孔平面重合是平行光正入射，波面与孔平面重合。是孔面上波面的振幅分布；是孔面上波面的振幅分布；为波面上的位相分布，即孔平面上各点与适合参考点，为波面上的位相分布，即孔平面上各点与适合参考点，例如例如o点（孔中心点坐标点）的位相差。当点（孔中心点坐标点）的位相差。当 ，则波面是，则波面是一个理想平面。一个理想平面。传感器原理及应用传感器原理及应用在在E2平面上任一点平面上任一点P的光强是的光强是 是是 的共轭数的共轭数E2平面上任一点平面上任一点P的振幅，应该是此二维矩形函数的傅里叶的振幅，应该是此二维矩形函数的傅里叶变换，略去光能损失，则
8、变换，略去光能损失，则当光孔的形状为矩形孔，矩形的高为当光孔的形状为矩形孔，矩形的高为 ，宽为，宽为 ，如图，如图（5-4a）所示。这是可用一个二维矩形函数来表示：）所示。这是可用一个二维矩形函数来表示：传感器原理及应用传感器原理及应用因此，对矩形孔，在因此，对矩形孔，在E2平面上的衍射像有两列，平面上的衍射像有两列，呈十字格线分别，如图（呈十字格线分别，如图（5-4a）所示。每一列）所示。每一列的光强分布，如图（的光强分布，如图（5-4b）所示。两个方向上）所示。两个方向上光强的大小按式（光强的大小按式（5-3），可写出），可写出当光孔为单缝时，当光孔为单缝时，（对图（对图（5-2b），），
9、Lw）。由于）。由于 很大，很大，除中央零级以外，光强除中央零级以外，光强Iy很小，通常观察不到。很小，通常观察不到。因此，当单缝在因此，当单缝在 方向时，衍射条纹仅沿方向时，衍射条纹仅沿x方向分别。单缝在方向分别。单缝在 方向时，衍射条纹沿方向时，衍射条纹沿y轴分别，这点对以后安置光电器件，轴分别，这点对以后安置光电器件，进行条纹测量师很重要的。进行条纹测量师很重要的。传感器原理及应用传感器原理及应用sinc函数，用函数，用sinc(x)表示，有两个定义，有时区分为归一表示，有两个定义，有时区分为归一化化sinc函数和非归一化的函数和非归一化的sinc函数。它们都是正弦函数和函数。它们都是正
10、弦函数和单调递减函数单调递减函数 1/x的乘积：的乘积：1.在数字信号处理和通信理论中，归一化在数字信号处理和通信理论中，归一化sinc函数通常定义为函数通常定义为 2.在数学领域，历史上非归一化在数学领域，历史上非归一化sinc函数函数(for sinus cardinalis)定义为定义为传感器原理及应用传感器原理及应用在这两种情况下，函在这两种情况下，函数在数在 0 点的奇异点有点的奇异点有时显式地定义为时显式地定义为 1，sinc 函数处处可解析。函数处处可解析。非归一化非归一化sinc函数等同函数等同于归一化于归一化sinc函数，只函数，只是它的变量中没有放大是它的变量中没有放大系数
11、系数 传感器原理及应用传感器原理及应用设设 （缝宽），则衍射条纹的光强分别按式（缝宽），则衍射条纹的光强分别按式（5-6）为）为对对sinc函数，其定义是函数，其定义是设设 ，由式（，由式（5-8），则式（），则式（5-7）可写为）可写为远场衍射光强分布远场衍射光强分布的的基本公式基本公式。1）衍射条纹是平行于单缝方向的）衍射条纹是平行于单缝方向的说明说明2）当）当 时，出现一系列时，出现一系列I=0的暗条纹。利的暗条纹。利用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。用暗条纹作为测量指标，就可以进行计量。传感器原理及应用传感器原理及应用因为因为 ，对暗条纹则有，对暗条纹则有即即当当 不大时，有不大时
12、，有第第n级暗纹中心距中央级暗纹中心距中央零级条纹中心的距离零级条纹中心的距离为观察屏距单缝平面的距离为观察屏距单缝平面的距离（n=1,2,3,）(5-10)因此，式（因此，式（5-10）可以写成）可以写成传感器原理及应用传感器原理及应用最后写成最后写成衍射计量的基本公式。衍射计量的基本公式。(5-11)当被测物尺寸改变当被测物尺寸改变 时，相当于狭缝尺寸时，相当于狭缝尺寸 改变改变，衍射条，衍射条纹的位置随之改变，由式（纹的位置随之改变，由式（5-11），则），则起始衍射条纹中心位置起始衍射条纹中心位置最后缝宽最后缝宽变动后衍射条纹中心位置变动后衍射条纹中心位置起始缝宽起始缝宽传感器原理及应
13、用传感器原理及应用单缝衍射单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程测量分辨力能分辨的最小量值：测量合成标准不确定度测量量程一般为0.010.05mm。HeNe激光器波长稳定度一般优于激光器波长稳定度一般优于10-6，这项误差，这项误差可不予考虑。可不予考虑。一般情况下，一般情况下，L和和xk的相对不确定度不超过的相对不确定度不超过0.1%。取取L=1m，=0.63m，k=3，xk=10mm，可得到，可得到uc(b)=0.3m。实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达实际测量中还包括环境因素的影响，衍射测量可达到的不确定度一般在到的不确定度一般在0.5m左右。左右。传感器原理及应用传感器原理及应用
14、四、技术特点四、技术特点 衍射计量在技术上有四个特点衍射计量在技术上有四个特点（1）灵敏度高）灵敏度高（2）精度有保证）精度有保证（3）装置简单、操作方便、测定快速）装置简单、操作方便、测定快速（4）可实现动态的联机测量和全场测量，测定时）可实现动态的联机测量和全场测量，测定时物体不必固定，能为工艺过程提供反馈信号，显著物体不必固定，能为工艺过程提供反馈信号，显著提高工艺效率提高工艺效率 激光下的夫琅和费衍射条纹十分清析、稳定激光下的夫琅和费衍射条纹十分清析、稳定 非接触测量非接触测量 采用照相或光电系统测量衍射条纹是可行的，采用照相或光电系统测量衍射条纹是可行的，精度可以微米级精度可以微米级
15、 传感器原理及应用传感器原理及应用衍射计量不足之处衍射计量不足之处（1）绝对量程比较小，量程范围约）绝对量程比较小，量程范围约0.011.5mm超过此范围必须用比较测量法超过此范围必须用比较测量法（2）当）当小时，衍射条纹本身比较宽，不容易获得精确测量小时，衍射条纹本身比较宽，不容易获得精确测量（3）R大，装置外型尺寸不能紧凑。限制了衍射计量的应用范围大，装置外型尺寸不能紧凑。限制了衍射计量的应用范围传感器原理及应用传感器原理及应用5-2 激光衍射计量技术激光衍射计量技术 传感器原理及应用传感器原理及应用一、基本方案及其分析一、基本方案及其分析 主要内容主要内容二、间隙计量法二、间隙计量法 三
16、、反射衍射法三、反射衍射法四、分离间隙法四、分离间隙法五、互补测定法五、互补测定法六、爱里圆测定法六、爱里圆测定法传感器原理及应用传感器原理及应用一、基本方案及其分析一、基本方案及其分析 方案分类方案分类（1）记录固定点衍射强度的方法（图）记录固定点衍射强度的方法（图5-5a中中A和和B点）点）（2）记录衍射分布特征尺寸）记录衍射分布特征尺寸(指衍射射分布极值点之间指衍射射分布极值点之间的距离或角量的距离或角量)的方法（图的方法（图5-5b中的中的t）传感器原理及应用传感器原理及应用被测物体被测物体（狭缝，宽度为（狭缝，宽度为）第一种方法第一种方法 在记录点在记录点(=常数的点常数的点)上衍射
17、条纹的光强与尺寸上衍射条纹的光强与尺寸w的关系的关系表示正比于激光功率的光强度表示正比于激光功率的光强度，为衍射分布点的角坐标值为衍射分布点的角坐标值 评估方法评估方法 线性，被测物体可能的空间位置变化等方面线性，被测物体可能的空间位置变化等方面 测量要求的灵敏度测量要求的灵敏度尺寸变化的动态范围尺寸变化的动态范围传感器原理及应用传感器原理及应用确保最大的灵敏度，得到最佳测量位置的确保最大的灵敏度，得到最佳测量位置的坐标值为坐标值为 w与最大灵敏度的关系式，写成与最大灵敏度的关系式，写成(1)灵敏度随灵敏度随w(被测尺寸被测尺寸)的减小而变小，影响小尺寸的精密测量的减小而变小，影响小尺寸的精密
18、测量 (2)灵敏度随灵敏度随i 增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度变小，因而希望记录传感器尽量靠近中心极大值处变小，因而希望记录传感器尽量靠近中心极大值处(3)灵敏度与激光功率有关，要求功率稳定的激光器与限制被测物灵敏度与激光功率有关，要求功率稳定的激光器与限制被测物体的空间位移体的空间位移 结论：结论：传感器原理及应用传感器原理及应用图中曲线表示探测器置于图中曲线表示探测器置于A点或点或B点的点的信号变化。当用一个探测器测量时，信号变化。当用一个探测器测量时，其位置应放在灵敏度和动态范围最好其位置应放在灵敏度和动态范围最好的的A点或点或B点进
19、行。但在用一个探测器点进行。但在用一个探测器的情况下，激光功率的不稳定性一级的情况下，激光功率的不稳定性一级被测物体有横向位移时，对测量结果被测物体有横向位移时，对测量结果有很大影响。因此，可能认为放在有很大影响。因此，可能认为放在A和和B点的两个探测器用差值信号可以点的两个探测器用差值信号可以改善测量情况，但是从图改善测量情况，但是从图5-6的曲线的曲线C来看，灵敏度是有保证的，但仍然不来看，灵敏度是有保证的，但仍然不能消除这种基本方案的缺点能消除这种基本方案的缺点-激光激光功率不稳定一级被测物在光束中位移功率不稳定一级被测物在光束中位移造成的测量误差。因为，衍射光强变造成的测量误差。因为，
20、衍射光强变化时化时C的斜率变化。的斜率变化。传感器原理及应用传感器原理及应用这种测量方法的灵敏度是这种测量方法的灵敏度是第二种基本方案是测量极值点之间的距离，通常是用最小强第二种基本方案是测量极值点之间的距离，通常是用最小强度（暗纹）之间的角量来表示度（暗纹）之间的角量来表示级数展开，并取前三项级数展开，并取前三项传感器原理及应用传感器原理及应用(1)测量灵敏度随被测尺寸的减小而很快增加，而且衍射级次测量灵敏度随被测尺寸的减小而很快增加，而且衍射级次大更为有利大更为有利(2)灵敏度随灵敏度随i 增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度增大而变小，即记录点远离衍射中心时，灵敏度变小，因而希望记
21、录传感器尽量靠近中心极大值处变小，因而希望记录传感器尽量靠近中心极大值处(3)灵敏度与激光强度无关，不要求功率稳定。而且允许被测物灵敏度与激光强度无关，不要求功率稳定。而且允许被测物体空间位移而不影响测量。体空间位移而不影响测量。结论：结论：传感器原理及应用传感器原理及应用衍射角与被测物尺寸衍射角与被测物尺寸w w的关系取一级近似，则的关系取一级近似，则 实际上的测量系统大多数利用物镜焦面上的衍射条纹，这实际上的测量系统大多数利用物镜焦面上的衍射条纹，这是，衍射极值间的先尺寸是，衍射极值间的先尺寸Lm,nLm,n与被测物尺寸与被测物尺寸w w的关系是的关系是目前在实际应用中得到发展的技术方案大
22、多数属于第二种目前在实际应用中得到发展的技术方案大多数属于第二种基本方案，主要有基本方案，主要有 （1）间隙测量法）间隙测量法（2）反射衍射法）反射衍射法（3 3）分离间隙法）分离间隙法）分离间隙法）分离间隙法（4 4）互补测量法）互补测量法）互补测量法）互补测量法（5 5）爱里圆测量法）爱里圆测量法）爱里圆测量法）爱里圆测量法传感器原理及应用传感器原理及应用间隙测量法是基于单缝衍射原理。间隙测量法是基于单缝衍射原理。二、二、间隙测量法间隙测量法a)a)比较测量比较测量比较测量比较测量 b b）测量轮廓）测量轮廓）测量轮廓）测量轮廓 c c）测量应变）测量应变）测量应变）测量应变图图 5-8
23、间隙测量法的应用间隙测量法的应用参考边参考边参考边参考边w w参考边参考边参考边参考边工件工件工件工件激光激光激光激光w w参考物参考物参考物参考物试件试件试件试件w w激光激光激光激光激光激光激光激光P P传感器原理及应用传感器原理及应用a)a)比较测量比较测量比较测量比较测量 b b）测量轮廓）测量轮廓）测量轮廓）测量轮廓 c c）测量应变）测量应变）测量应变）测量应变间隙测量法的应用间隙测量法的应用参考边参考边参考边参考边w w参考边参考边参考边参考边工件工件工件工件激光激光激光激光w w参考物参考物参考物参考物试件试件试件试件w w激光激光激光激光激光激光激光激光P P传感器原理及应用
24、传感器原理及应用激光器激光器柱面扩束透镜柱面扩束透镜工件工件参考物参考物成像物镜成像物镜观察屏或光电观察屏或光电器件接收平面器件接收平面微动机构微动机构当当 时，观察屏离开工件较远，这时还可取消物镜时，观察屏离开工件较远，这时还可取消物镜5，直接在观察屏，直接在观察屏6上测量衍射条纹。观察屏上的衍射条纹可上测量衍射条纹。观察屏上的衍射条纹可直接用线纹尺测量，也可用照相记录测量或光电测量。直接用线纹尺测量，也可用照相记录测量或光电测量。传感器原理及应用传感器原理及应用由公式（由公式（5-11）来计算来计算w，为计算方便，设为计算方便，设 ，则，则传感器原理及应用传感器原理及应用yy1=tg-2.
25、46uo 2-2 y2=+2.46-1.43+1.43得得 ，由作图法可得次极大位置，由作图法可得次极大位置 由由 求得求得极值极值传感器原理及应用传感器原理及应用亮纹的严格位置亮纹的严格位置传感器原理及应用传感器原理及应用亮纹位置亮纹位置传感器原理及应用传感器原理及应用结果说明结果说明间隙法作位移或者应变值测量时，有两种基本计量方法：间隙法作位移或者应变值测量时，有两种基本计量方法：1.绝对值法绝对值法2.增量式增量式传感器原理及应用传感器原理及应用应用举例应用举例传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用三、反射衍射法三、反射衍射法主要是用反射镜形成狭缝主要是用反射镜
26、形成狭缝 以以角入射的，缝宽为角入射的，缝宽为2w的单缝衍射的单缝衍射 狭缝由刀刃狭缝由刀刃A与反射镜与反射镜B组成组成反射镜的作用是用以形反射镜的作用是用以形成成A的像的像AP PA AA A L L2 2b bb b棱缘棱缘棱缘棱缘镜像棱缘镜像棱缘镜像棱缘镜像棱缘反射表面反射表面反射表面反射表面接收屏接收屏接收屏接收屏反射衍射法原理图反射衍射法原理图反射衍射法原理图反射衍射法原理图x xk k传感器原理及应用传感器原理及应用暗条纹暗条纹 激光对平面反射镜的入射角激光对平面反射镜的入射角 光线的光线的衍射角衍射角 试件试件A的边缘与反的边缘与反射镜之间的距离射镜之间的距离 远场衍射远场衍射按
27、三角级数展开按三角级数展开传感器原理及应用传感器原理及应用代入整理得代入整理得1）给定）给定，已知，已知R，一定衍射条纹级次，一定衍射条纹级次n，测定，测定xn，就，就可求得可求得w 说明：说明：2）由于反射效应，装置的灵敏度提高近一倍左右）由于反射效应，装置的灵敏度提高近一倍左右 反射衍射技术的应用反射衍射技术的应用 1）表面质量评价）表面质量评价2）直线性测定）直线性测定3）间隙测定）间隙测定传感器原理及应用传感器原理及应用三、三、反射衍射测量法反射衍射测量法角一般是任意的，测得某一入射角角一般是任意的，测得某一入射角位置的两个位置的两个xn值代值代入公式，联立解出入公式，联立解出值和值和
28、w值。值。从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达可达2.50.025m。光电器件光电器件光电器件光电器件磁盘磁盘磁盘磁盘磁头磁头磁头磁头b)b)测量磁盘系统的间隙测量磁盘系统的间隙测量磁盘系统的间隙测量磁盘系统的间隙c)c)直线性偏差直线性偏差直线性偏差直线性偏差试件试件试件试件标准反射面标准反射面标准反射面标准反射面试件试件试件试件标准刃边标准刃边标准刃边标准刃边a)a)评价表面质量评价表面质量评价表面质量评价表面质量图图图图5-14 5-14 5-14 5-14 反射衍射法应用实例反射衍射法应用实例反射衍射法应用实例反射衍射法应
29、用实例传感器原理及应用传感器原理及应用四四 分离间隙法分离间隙法在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔即存在一个间隔w。此时衍射图形出现不对称现象。测两次，。此时衍射图形出现不对称现象。测两次，联立求解。联立求解。1 1 1 13 32 2AA1 1 2 2A A1 1R Rw wz zA AP P1 1x xn1n1 x xn2n2P P2 2分离间隙法原理图分离间隙法原理图传感器原理及应用传感器原理及应用P1点出现暗纹的条件点出现暗纹的条件 P2点出现暗纹的条件点出现暗纹的条件 因为因为分别代入上两式，则有
30、分别代入上两式，则有传感器原理及应用传感器原理及应用由上两式可计算分离间隙衍射时的缝宽公式由上两式可计算分离间隙衍射时的缝宽公式测定相同级次的衍射条纹，即测定相同级次的衍射条纹，即则则由（由（5-35）传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用五、互补测量法激光衍射互补测量法的激光衍射互补测量法的原理是基于巴俾涅原理，原理是基于巴俾涅原理，当用平面光波照射两个当用平面光波照射两个互补屏时，它们产生的互补屏时，它们产生的衍射图形的形状和光强衍射图形的形状和光强完全相同，仅位相相差完全相同，仅位相相差为为。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器
31、原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用六、六、爱里圆测量法爱里圆测量法爱里圆测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行爱里圆测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行微小孔径的测量。微小孔径的测量。显示器显示器显示器显示器电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器光光光光电电电电接接接接收收收收器器器器2 2光电接收器光电接收器光电接收器光电接收器1 1被测件被测件被测件被测件激光器激光器激光器激光器f f衍射图衍射图衍射图衍射图喷丝头孔径的喷丝头孔径的喷丝头孔径的喷丝头孔径的爱里爱里爱里爱里圆测量原理圆测量原理圆测量原理圆测量原理传感器原理及应用传感器原理及应用七、量程精度
32、与最大量程七、量程精度与最大量程 1.测量分辨率测量分辨率 2.测量精度测量精度 3.最大量程最大量程 传感器原理及应用传感器原理及应用2.测量精度测量精度 3.最大量程最大量程 传感器原理及应用传感器原理及应用说明说明 传感器原理及应用传感器原理及应用八、实际的激光衍射测量系统八、实际的激光衍射测量系统 1)激光器激光器通常用通常用130mW的的He-Ne激光器的衍射光源激光器的衍射光源2）光束形成器）光束形成器用来得到照明被测物最有效的光束形状，用来得到照明被测物最有效的光束形状，通常用柱面透镜组获得这样光束形状通常用柱面透镜组获得这样光束形状3）物镜）物镜用来获得远场条纹的成像，保证记录
33、平面上所要求用来获得远场条纹的成像，保证记录平面上所要求的条纹尺寸，必要时，由一组不同焦距的物镜组成。的条纹尺寸，必要时，由一组不同焦距的物镜组成。传感器原理及应用传感器原理及应用6）显示部分）显示部分指示出被测尺寸的数量。指示出被测尺寸的数量。4）光电探测器）光电探测器把衍射条纹的光强变换成电讯号。把衍射条纹的光强变换成电讯号。5）信号处理器）信号处理器把光电信号加工处理，提取有用信息，把光电信号加工处理，提取有用信息，并把它转换成测量方便的形式。并把它转换成测量方便的形式。n被测物体放在物镜前面，由于接受平行光平面物体位置移动，被测物体放在物镜前面，由于接受平行光平面物体位置移动，不影响衍
34、射条纹的光强分布。没有物镜也可以，这时衍射条纹的不影响衍射条纹的光强分布。没有物镜也可以，这时衍射条纹的尺寸由观察距离决定，所占空间较大。尺寸由观察距离决定，所占空间较大。传感器原理及应用传感器原理及应用光电探测器光电探测器P4P4接收基准光源接收基准光源5 5的光强信号，用以定标。的光强信号，用以定标。激激光光束束1 1通通过过光光强强调调制制器器2 2，过过被被测测物物3 3（一一般般为为细细丝丝，导导线）产生衍射线）产生衍射激光束光强调制器被测物光源马达两两个个光光电电探探测测器器P1P1，P2P2放放在在一一级级衍衍射射条条纹纹极极大大值值光光强强一一半半的的地地方，取方，取P1P1，
35、P2P2的差值信号送入微安表中。的差值信号送入微安表中。中中央央零零级级衍衍射射条条纹纹处处(即即光光轴轴位位置置上上)放放置置光光电电探探测测器器P3P3。P3P3提提供监控激光输出功率的光电信号。供监控激光输出功率的光电信号。传感器原理及应用传感器原理及应用激光束光强调制器被测物光源马达这这种种测测量量系系统统，其其测测量量范范围围是是标标注注尺尺寸寸的的-16.7-16.7到到+18.3+18.3，测测量量精精度度是是被被测测尺尺寸寸的的0.50.5，这这种种测测量量系系统统要要求求被被测测件件有有正正确的定位，不能在激光束中位移。确的定位，不能在激光束中位移。当当被被测测件件尺尺寸寸大
36、大于于标标准准尺尺寸寸时时，光光电电探探测测器器P1P1的的信信号号增增大大，而而P2P2的的信信号号减减小小，被被测测件件尺尺寸寸小小于于标标准准尺尺寸寸使使电电信信号做相反变化。号做相反变化。4 4是马达使光强调制器作旋转进行信号调制。是马达使光强调制器作旋转进行信号调制。传感器原理及应用传感器原理及应用激光器激光器 光调制器光调制器 被测件被测件 光阑光阑 透镜透镜 衍射条纹衍射条纹 光调制器光调制器 上述测量系统的优点是结构简单，但存在着缺点，这主要是：上述测量系统的优点是结构简单，但存在着缺点，这主要是：激光功率起伏，被测物位移光电探测器性能不稳定都将影响测激光功率起伏，被测物位移光
37、电探测器性能不稳定都将影响测量精度。另外，被测尺寸减小时还将影响检测的灵敏度。因此，量精度。另外，被测尺寸减小时还将影响检测的灵敏度。因此，在实际使用中的衍射测量系统更多的将采用测定衍射条纹间隔在实际使用中的衍射测量系统更多的将采用测定衍射条纹间隔的线尺寸或角尺寸，用下式求取被测尺寸的线尺寸或角尺寸，用下式求取被测尺寸w w：衍射条纹级次被测物衍射条纹记录平面的距离相对于中央零级条纹对称的两个亮纹或暗纹之间的距离(5-46)(5-46)传感器原理及应用传感器原理及应用测定测定w w的误差的误差ww，由式（，由式（5-465-46）知主要由）知主要由R R及及L L的测量误的测量误差决定，近似式
38、是差决定，近似式是 式中：式中：RR，LL是测定是测定R R及及L L的测量误差。的测量误差。激光器激光器 光调制器光调制器 被测件被测件 光阑光阑 透镜透镜 衍射条纹衍射条纹 光调制器光调制器(5-47)(5-47)传感器原理及应用传感器原理及应用由式由式(5-47)(5-47)知，选定足够大的知，选定足够大的R R，从理论上说，可以获得很高，从理论上说，可以获得很高的精度。但实际上增大距离的精度。但实际上增大距离R R时，条纹平面上的照度迅速下降，时，条纹平面上的照度迅速下降，同时同时L L增大，衍射极大光强的分布范围增大，这都增加测定条增大，衍射极大光强的分布范围增大，这都增加测定条纹中
39、心值的困难，造成纹中心值的困难，造成LL的增大。的增大。实际工作中，主要是采用：实际工作中，主要是采用：1 1）小尺寸高灵敏度的光电探测器，）小尺寸高灵敏度的光电探测器，2 2）在光电探测器前放置狭缝，）在光电探测器前放置狭缝，3 3）调制激光光强，）调制激光光强，4 4）采用精度高于）采用精度高于0.05mm0.05mm的移动机构来移动光电探的移动机构来移动光电探测器，读出测器，读出L L。传感器原理及应用传感器原理及应用这种情况下，这种情况下，LL造成的被测尺寸误差是造成的被测尺寸误差是 测量孔的直径时，可用如下一组公式测量孔的直径时，可用如下一组公式 式中：式中：knkn为为n n级衍射
40、环内包含的暗环或亮环数目；级衍射环内包含的暗环或亮环数目；dndn为第为第n n个暗个暗环或亮环的直径环或亮环的直径 (5-48)(5-48)(5-49)(5-49)利用式利用式(5-49)(5-49)测量孔的直径时，孔深在测量孔的直径时，孔深在10mm10mm内仍有较高的精度内仍有较高的精度 传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用激光器激光器望远镜缩束系统望远镜缩束系统被测体被测体物镜物镜避光罩避光罩扫描反射镜扫描反射镜滤滤波波片片装置原理图装置原理图图图5-26 5-26 激光衍射测量仪激光衍射测量仪滤波片和避光罩的作用是消滤波片和
41、避光罩的作用是消除杂散光和背景光对光电倍除杂散光和背景光对光电倍增管的影响。从狭缝增管的影响。从狭缝8 8到扫到扫描反射镜的旋转轴的距离加描反射镜的旋转轴的距离加上旋转轴到物镜的距离应等上旋转轴到物镜的距离应等于物镜的焦距于物镜的焦距f f 衍衍射射光光经经物物镜镜5 5在在其其焦焦面上形成衍射面上形成衍射 扫扫描描反反射射镜镜，用用以以形形成成衍衍射射条条纹纹在在光光电电倍倍增增管管1010前的输入狭缝前的输入狭缝8 8上扫描上扫描传感器原理及应用传感器原理及应用从光电倍增管得到的电从光电倍增管得到的电信号，经放大和变换电信号，经放大和变换电路路1111，形成矩形脉冲信，形成矩形脉冲信号，此
42、信号的宽度相应号，此信号的宽度相应于衍射条纹的间隔，这于衍射条纹的间隔，这个脉冲再经微分，限幅个脉冲再经微分，限幅和逻辑电路和逻辑电路1212就可测量就可测量脉冲宽度，最后用数字脉冲宽度，最后用数字频率计频率计1313显示。显示。14,1514,15是是电源，具体的电子学功电源，具体的电子学功能框图如图能框图如图5-26b5-26b）所示）所示 激光器激光器望远镜缩束系统望远镜缩束系统被测体被测体物镜物镜避光罩避光罩扫描反射镜扫描反射镜滤滤波波片片装置原理图装置原理图图图5-26 5-26 激光衍射测量仪激光衍射测量仪传感器原理及应用传感器原理及应用光电倍光电倍增管增管 射极跟射极跟随器随器放
43、大器放大器微分电路微分电路 具有增益的放大器具有增益的放大器施密特电路施密特电路计算触发器计算触发器 多谐振荡器多谐振荡器 排出电路排出电路附合电路附合电路图图5-26 5-26 激光衍射测量仪激光衍射测量仪信号处理功能框图信号处理功能框图电信号的处理波形如电信号的处理波形如5-275-27所示所示传感器原理及应用传感器原理及应用从光电探测器上得到的电信号从光电探测器上得到的电信号 是是VP,VPVP,VP经跟随器送到放大器的经跟随器送到放大器的输入端，它负载作为微分电路，输入端，它负载作为微分电路，得到微分信号得到微分信号VdVd，VdVd经自动增经自动增益放大器，进入施密特电路，益放大器，
44、进入施密特电路，得到脉冲序列得到脉冲序列VuVu，VuVu是逻辑电是逻辑电路的输入，逻辑电路由计数器，路的输入，逻辑电路由计数器，附合电路和排出电路组成。附合电路和排出电路组成。V1V1，V2V2，V3V3是从计算触发器来的是从计算触发器来的信号，信号，VmVm是最后得到的测量信是最后得到的测量信号，其时间间隔号，其时间间隔 ，刚对应于，刚对应于被测尺寸。被测尺寸。传感器原理及应用传感器原理及应用由下式计算出被测尺寸由下式计算出被测尺寸D D （5-505-50）单位时间内反射镜的转数单位时间内反射镜的转数 物镜焦距物镜焦距 m,nm,n为衍射条纹序号为衍射条纹序号 m,nm,n为衍射条纹之间
45、的时间间隔为衍射条纹之间的时间间隔测测量量1010微微米米物物体体的的直直径径时时，允允许许物物体体沿沿激激光光束束轴轴向向位位移移5mm5mm，横向位移，横向位移1mm1mm，物镜的畸变不大于，物镜的畸变不大于2525扫描反射镜转轴到光电探测器前狭缝的距离扫描反射镜转轴到光电探测器前狭缝的距离 测量精度可达测量精度可达0.2%传感器原理及应用传感器原理及应用激光器激光器 被测物体被测物体 物镜物镜 摄像机摄像机 计算逻辑电路计算逻辑电路 选择器选择器显示器显示器 电视测量系统是利用电视扫描线来测定衍射条纹的间隔，也就电视测量系统是利用电视扫描线来测定衍射条纹的间隔，也就是衍射分布两个极值点之
46、间相应有几根扫描线。这种方法在工是衍射分布两个极值点之间相应有几根扫描线。这种方法在工业电视日益普及的条件下，很有实际意义。业电视日益普及的条件下，很有实际意义。传感器原理及应用传感器原理及应用在表面粗糙度方面在表面粗糙度方面，可测量加工纹理为规则和比较规则的回，可测量加工纹理为规则和比较规则的回转体外表面的微观不平度间距及加工时的走刀量。转体外表面的微观不平度间距及加工时的走刀量。在在尺尺寸寸方方面面，可可测测量量非非透透明明材材料料的的细细丝丝直直径径，圆圆孔孔直直径径及及方方孔孔与与长长方方孔孔的的宽宽度度，超超薄薄零零件件或或材材料料的的厚厚度度，零零件件的的高高度度、缝缝宽宽，易易变
47、变形形件件尺尺寸寸（如如超超薄薄套套筒筒的的外外径径与与“O”“O”形形橡橡胶胶密密封封圈圈的的内内、外外径径及及横横断断面面直直径径）、轴的直径、轴的直径在在形形位位误误差差方方面面可可以以测测量量圆圆柱柱形形外外表表面面母母线线及及刀刀口口尺尺刃刃线线的的直直线线度度误误差差、外外回回转转表表面面的的圆圆度度、圆圆柱柱度度、同同轴轴度度、跳跳动动误误差差及垂直度、平行度等误差及垂直度、平行度等误差多功能激光测量仪多功能激光测量仪传感器原理及应用传感器原理及应用5-3 实际的应用实际的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用 一、间隙或间隙变化的测量一、间隙或间隙变化的测量二、位移与间隙的远距
48、离测量二、位移与间隙的远距离测量 主要内容主要内容七、波前测量七、波前测量三、表面缺陷的自动检测三、表面缺陷的自动检测 四、细丝及薄带尺寸的测量四、细丝及薄带尺寸的测量五、角度的精密测量五、角度的精密测量六、全场测量六、全场测量传感器原理及应用传感器原理及应用主要应用间隙计量法、反射衍射法以及分离间隙法来完主要应用间隙计量法、反射衍射法以及分离间隙法来完成测试任务，应用的实例有薄膜涂层厚度测量成测试任务，应用的实例有薄膜涂层厚度测量 一、间隙或间隙变化的测量一、间隙或间隙变化的测量具有分离值具有分离值z z的衍射测量系统的衍射测量系统 1、激光器、激光器发出激光束发出激光束 2，3、柱面透镜、
49、柱面透镜扩束扩束 4、被测对象、被测对象表面涂有塑性表面涂有塑性膜层的纸质材料或聚脂薄膜膜层的纸质材料或聚脂薄膜 6、滚筒、滚筒传送被检薄膜传送被检薄膜 7、刀刃、刀刃与与4的表面错开的表面错开z 8、机械测微器、机械测微器可准确可准确测出测出7的移动量的移动量 9、驱动马达由光电二极管、驱动马达由光电二极管检测电路控制检测电路控制 用于自用于自动对准衍射条纹动对准衍射条纹 10、电表、电表显示放大后显示放大后的衍射条纹的光强讯号的衍射条纹的光强讯号传感器原理及应用传感器原理及应用 12、滤波器、滤波器用来消除滚筒的用来消除滚筒的振动、滚筒几何形状偏差以及其他振动、滚筒几何形状偏差以及其他微小
50、振动等所引起的误差，并取其微小振动等所引起的误差，并取其平均效应平均效应 13、讯号放大器、讯号放大器放大衍射条放大衍射条纹的光强讯号纹的光强讯号15、干涉滤光片、干涉滤光片用用于消除杂散光影响于消除杂散光影响 16、条纹的分布、条纹的分布方向是垂直于狭方向是垂直于狭缝方向的缝方向的 17、差动放大器、差动放大器放大输出信号经放大输出信号经 18、电表、电表显示输出信显示输出信号（经差动放大器号（经差动放大器17放大）放大）14、光电检测器、光电检测器由光由光电二极管组成电二极管组成 具有分离值具有分离值z z的衍射测量系统的衍射测量系统 传感器原理及应用传感器原理及应用机械测微器机械测微器8