【正文】 ? 激光掃描測(cè)徑儀 ? 激光掃描測(cè)徑儀 ? 激光掃描測(cè)徑儀 。如直徑， 1mm的分辨力和 177。 物體輪廓的光強(qiáng)分布因激光衍射影響形成緩慢過(guò)渡區(qū)，不能準(zhǔn)確形成邊緣脈沖。－成像物鏡到光電探測(cè)離；－被測(cè)點(diǎn)到成像物鏡距xP S Dddddxdqd1010si n? 激光測(cè)微測(cè)頭 ?基本工作原理：氦氖激光器發(fā)出激光細(xì)束經(jīng)掃描裝置恒速對(duì)直徑 D的被測(cè)物體掃描，光電器件接收后轉(zhuǎn)換成如圖所示電脈沖，測(cè)出 ?t即可求得直徑 D。激光聚焦成小光斑，成像于光電探測(cè)器，投影光軸與成像光軸夾角θ，被測(cè)位移 x近似計(jì)算如下： 。 (一 ) 單頻激光干涉儀 5－ 1/4波片 2－偏振分光鏡 4－角錐棱鏡 6－分光鏡 7－反射鏡 9－偏振片 11－光電器件 ?絕對(duì)距離傳感器，利用激光的方向性好的特點(diǎn)。 工作原理： 光的干涉原理 典型應(yīng)用： 邁克爾遜雙光束干涉系統(tǒng) 激光干涉?zhèn)鞲衅? 反射鏡 M2移動(dòng)半個(gè)光波波長(zhǎng)，干涉條紋明暗變化一次，測(cè)量位移 x計(jì)算公式如下： 目。 ? ? ?? 221 WWmm ?? ＋＝WW??? ?? 24＝激光式傳感器組成： 激光器、光學(xué)零件和光電器件。 ?柵線刻劃面與光柵平面夾角 ?，控制 ?可以使要求的光譜級(jí)次 m發(fā)生在最大光強(qiáng)方向，產(chǎn)生主閃耀條件： (二 ) 反射式光柵傳感器 ?B A B ΔW B1 (二 ) 反射式光柵傳感器 (二 ) 反射式光柵傳感器 m— 具有最大光強(qiáng)的光譜級(jí)次； 工作時(shí)，光柵 4沿 x方向移動(dòng) ?W，入射光 EB光程變化 2BB1 相應(yīng)的相位變化 另一光束射到處的光線相位變化 ?? 222 WWm ?? ＝?? s in2 Wm ??s in22 1 WBB ?＝??????? 2s i n2222 111 W WmWBB ????? ＝＝＝(二 ) 反射式光柵傳感器 光柵移動(dòng) ?W，兩束相干光相位差變化 若要求光譜級(jí)次 m1=m2=2有最大光強(qiáng) 結(jié)論：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，相干光束相位變化 4*2?，干涉條紋變化 4個(gè)周期。 1－反射主光柵 2－指示光柵 3－場(chǎng)鏡 4－反射鏡 5－聚光鏡 6－光源 7－物鏡 8－光電元件 (二 ) 反射式光柵傳感器 反射式長(zhǎng)光柵傳感器 (二 ) 反射式光柵傳感器 反射分光式光柵傳感器 ?組成：光源 準(zhǔn)直透鏡 分光棱鏡 閃耀光柵 4（等腰三角形）； ?光柵工作在 自準(zhǔn)狀態(tài) ，光束垂直投射線槽面，最大強(qiáng)度衍射光沿原路反射回 3。 的信號(hào)，然后將它們送入專門(mén)的 電子細(xì)分 和 辨向電路 ，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量。 (一 ) 透射式光柵傳感器 透射式長(zhǎng)光柵 (一 ) 透射式光柵傳感器 透射式圓光柵 (一 ) 透射式光柵傳感器 U0— 電信號(hào)的直流電平，對(duì)應(yīng)于莫爾條紋的平均光強(qiáng)； Um— 電信號(hào)的幅值，對(duì)應(yīng)于莫爾條紋明暗的最大變化。 ?光源： 發(fā)光二極管（有的本身集成透鏡、有的需要外加透鏡）、白熾燈。 ?常見(jiàn)形式： 透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。 環(huán)形莫爾條紋的突出優(yōu)點(diǎn)是具有全光柵的平均效應(yīng)，因而用于高精度測(cè)量和圓光柵分度誤差的檢驗(yàn)。主光柵轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)柵距角 d ，透光亮度變化一個(gè)周期。在實(shí)際使用中，主要應(yīng)用橫向莫爾條紋這部分。 ③ 位于偏心方向垂直位置上的條紋近似垂直于柵線，稱這部分為 橫向莫爾條紋 。 圓光柵的莫爾條紋 橫向 縱向 斜向 圓弧形莫爾條紋 主要特點(diǎn)： ① 莫爾條紋是 對(duì)稱的兩簇圓形條紋 ，它們的 圓心排列在兩光柵中心連線的垂直平分線上 。 ?圓弧形莫爾條紋 兩塊柵距角 d相同的徑向光柵以不大的偏心疊合，如圖所示。 （ 2）光閘莫爾條紋 當(dāng) W1=W2=W， 且 q=0時(shí) ，莫爾條紋的寬度趨于無(wú)窮大，兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，對(duì)入射光就像閘門(mén)一樣時(shí)啟時(shí)閉，故稱為光閘莫爾條紋。 位移放大作用 莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的， 對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用 ，在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響，個(gè)別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對(duì)莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測(cè)量精度。 所以盡管柵距很小，難以觀察，但莫爾條紋卻清晰可見(jiàn)。 例如： W=， q=176。 ?光柵傳感器在測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向判定光柵的位移量和位移的方向。 ? 莫爾條紋形成的衍射理論分析 ?莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向與兩光柵的相對(duì)位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 其中， p+q=1和p+q=1級(jí)組光束強(qiáng)度變化幅度最大 ，它們形成莫爾條紋的 基波條紋 。 4. 理論推導(dǎo)可以證明，每一級(jí)組中的光束是相互平行的，即 光束方向相同 。 ? 莫爾條紋形成的衍射理論分析 3. 由光柵 G1產(chǎn)生的第 p級(jí)衍射光又經(jīng)光柵 G2產(chǎn)生的第 q級(jí)衍射光束就可以用 (p, q)表示。 2. 每支衍射光束都用它在兩個(gè)光柵上衍射的級(jí)次序號(hào)來(lái)表示，例如經(jīng)光柵 G1衍射的 0級(jí)光束，經(jīng)過(guò)光柵G2后衍射成 0級(jí)、 177。 1,177。 長(zhǎng)光柵莫爾條紋的寬度為 (一 ) 形成的光學(xué)原理 前提： 柵距很小的光柵 (W＜ )，或相位光柵。 W1—— 標(biāo)尺光柵 1的光柵常數(shù)； W2—— 指示光柵 2的光柵常數(shù)； θ—— 兩光柵柵線的夾角。 (二 ) 圓光柵 (一 ) 形成的光學(xué)原理 莫爾條紋 通常是由兩塊光柵疊加形成的，為了避免摩擦，光柵之間留有 間隙 ，對(duì)于柵距較大的振幅光柵，可以 忽略光的衍射 。 主要參數(shù)： 整圓刻線數(shù)；柵距角（也稱節(jié)距角） d，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線之間的夾角。 閃耀光柵刻線斷面 (一 ) 長(zhǎng)光柵 定義： 刻劃在 玻璃圓盤(pán) 上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤(pán)。 ? 相位光柵 （閃耀光柵）是對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，它也有透射光柵和反射光柵兩種形式。在 玻璃的表面 上制作透明與不透明間隔相等的線紋，可制成透射光柵；在 金屬的鏡面上或玻璃鍍膜 （如鋁膜）上制成全反射或漫反射相間，二者間還有吸收的線紋，可制成反射光柵。 a bW 透射長(zhǎng)光柵示意圖 a—— 柵線的寬度（不透光） b—— 柵線間寬（透光） a+b=W—— 光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)），通常 a=b=W/2 (一 ) 長(zhǎng)光柵 長(zhǎng)光柵有 振幅光柵 和 相位光柵 兩種形式。 柵線密度： 每毫米長(zhǎng)度內(nèi)的柵線數(shù)，表示長(zhǎng)光柵柵線的疏密程度。 種類： ?按基體材料的不同主要可分為 金屬光柵 和 玻璃光柵 ； ?按刻線的形式不同可分為 振幅光柵 和 相位光柵 ； ?按光線的走向又可分為 透射光柵 和 反射光柵 ； ?按其用途可分為 長(zhǎng)光柵 和 圓光柵 兩類。 ? 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化 ? 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 光柵式傳感器 光柵式傳感器的特點(diǎn)： ? 精度高。 其中一種結(jié)構(gòu)是把半導(dǎo)體材料夾在發(fā)射光纖與接收光纖之間，當(dāng)溫度變化時(shí)半導(dǎo)體的透光率隨之變化，接收光纖接收到光量也變化。 量程范圍 是光波波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，靈敏度 可達(dá)到納米級(jí)。則光線在接收光纖中形成全內(nèi)反射。 a) 原理圖 b) 位移和輸出的關(guān)系 瞬逝波光纖位移傳感器 原理圖 a：兩光纖 端面斜切 ，兩斜切面拋光。 接收到的光量和被測(cè)位移的關(guān)系見(jiàn)圖 b。 可見(jiàn)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是量程大，靈敏度高，輸出與輸入端電絕緣。)/(安 優(yōu)點(diǎn)： 量程大，靈敏度高 光偏振態(tài)調(diào)制型 光偏振態(tài)調(diào)制型 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理可使得測(cè)量結(jié)果不受 絕對(duì)光強(qiáng)、激光器漂移、光纖衰減 的影響。 光偏振態(tài)調(diào)制型 單模光纖 繞 N圈 其旋轉(zhuǎn)角度與被測(cè)電流 I的關(guān)系為： q =KVNI KV是磁光系數(shù) 當(dāng) N確定后，旋光角度 q只與導(dǎo)體中的電流 I成正比。變化結(jié)論：玻璃光纖：式中：相移表示如下等的變化有關(guān)，、折射率大小與信號(hào)光纖的長(zhǎng)度，產(chǎn)生一定相移信號(hào)光纖環(huán)境溫度變化起主要作用的折射率10105157nC/TnC ；/TLLΔTTnΔnΔTTLΔLnΔnLΔLΔnL?? ??????????????????????? 光相位調(diào)制型 ΔTTnnΔTTLL ?????? 11外界因素使光纖中偏振態(tài)發(fā)生變化，并能加以檢測(cè)的光纖傳感器為 偏振態(tài)調(diào)制型 。 其共同點(diǎn)是 ：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束，沿不同路徑傳播后，分離的光束又組合在一起產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 壓力、應(yīng)變、溫度、磁場(chǎng)等被測(cè)量可通過(guò)影響光纖的 長(zhǎng)度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力 等引起光信號(hào)相位的變化。圖 b光強(qiáng)被油滴調(diào)制。 調(diào)制條件 為 調(diào)制途徑： ①改變 光纖幾何形狀 ，實(shí)現(xiàn)力、位移和壓強(qiáng)等的測(cè)量。 (二 ) 非功能型光纖傳感器 光纖僅作為光傳播的介質(zhì)，要與其他敏感元件組成傳感器。 (一 ) 功能型光纖傳感器 光纖既是光傳播的介質(zhì)，又對(duì)被測(cè)量敏感。 (三 ) 光纖的分類 梯度型光纖 在中心軸折射率最大 ， 沿徑向逐漸變小 ， n1的分布規(guī)律如下 特點(diǎn)： 頻帶寬 ， 信號(hào)畸變小 ， 易達(dá)到全反射 ， 但制造困難 。 梯度型： 折射率呈聚焦型 。 (三 ) 光纖的分類 ?折射率分布： 階躍型光纖、梯度型光纖。一個(gè)駐波一個(gè)模。沿截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產(chǎn)生全反射，因此當(dāng)它在徑向每一次往返傳輸（相鄰兩次反射）的相位變化是 2π的整數(shù)倍時(shí)，就在截面內(nèi)形成駐波。 ?傳輸模式： 單模光纖；多模光纖。 NA決定于光纖的折射率，與光纖幾何尺寸無(wú)關(guān)。 (二 ) 光纖的傳光原理 ? ?12 /ar cs in nnc ?? ?? ?c 纖芯與包層間的臨界角 NA=n0sinqc稱為光纖的數(shù)值孔徑。 實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足 全反射條件 ，光線仍然繼續(xù)前進(jìn)。這就是光纖的傳光原理 。 但當(dāng) ?角大于纖芯與包層間的臨界角 ?c時(shí)，光線就不會(huì)透射界面，而全部被反射。 (一 ) 光纖的結(jié)構(gòu) 光在光纖中傳播基于光的全反射。 Δ=1 n2 /n1，相對(duì)折射率差，一般為 ~。 光纖傳感器的基本知識(shí) 結(jié)構(gòu)： 纖芯、包層、保護(hù)層。 光纖傳感器 (一 ) 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖材料： 基本為石英玻璃 ， 有不同摻雜 。 ?光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)： ?抗電磁干擾能力強(qiáng)； ?柔軟性好； ?集傳感與傳輸一體，可構(gòu)成分布式傳感測(cè)量。在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取 得了突破性成就 。 ?光纖的應(yīng)用： 光纖傳感器 光纖通信技術(shù)： 一根頭發(fā)般細(xì)小的光纖，其傳輸?shù)男畔⒘肯嗟扔谝粭l飯桌般粗大的銅“線”。 光纖傳感器 高錕因在 “ 有關(guān)光在纖維中的傳輸及用于光學(xué)通信方面 ” 做出了突破性成就 ， 獲 2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) ， 1/2獎(jiǎng)金 。 位置分辨力 1966年 ， 高錕就在光纖物理學(xué)上取得了突破性成果 ， 計(jì)算出如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸 。 位置分辨力是指在 PSD受光面上能夠檢測(cè)出的最小位置變化 ， 用受光面上的距離表示 。 圖示為典型一維PSD(S1544)位置檢測(cè)誤差曲線 ， 由曲線可知 ， 越接近中心位置的檢測(cè)誤差越小 。 響應(yīng)速度 PSD的位置檢測(cè)誤差是指測(cè)量時(shí) ， 實(shí)際的光點(diǎn)位置與檢測(cè)的光點(diǎn)位置的差值 ， 最大為全受光長(zhǎng)度的 2%～ 3%。 信號(hào)光源與敏感波長(zhǎng)范圍 在 PSD受光面上光點(diǎn)高速移動(dòng)時(shí) ， 若信號(hào)光源為調(diào)制信號(hào) ， PSD的響應(yīng)時(shí)間就應(yīng)該考慮 。 然而 ， 對(duì)于有環(huán)境雜光干擾的情況 ， 過(guò)強(qiáng)的環(huán)境光會(huì)將來(lái)自信號(hào)光源的光 “ 淹沒(méi) ” 。 (一 ) PSD的工作原理 PSD是檢測(cè)受光面上點(diǎn)狀光束的中心 (光強(qiáng)度中心 )位置的光敏感器件 ， 因此 ， 通常在 PSD前面設(shè)置聚光透鏡 ， 在受光面上得到光點(diǎn) ， 使用時(shí)應(yīng)選擇最適宜的受光面積的 PSD， 確保光點(diǎn)進(jìn)入受光面 。 (一 ) PSD的工作原理 如果將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在 PSD器件的中心點(diǎn) ， I