03第三章激光衍射测量技术教程.ppt

激光测量技术Laser Measurement Technology衍射衍射:波在传播途中遇到障碍物而偏离直线传播的现象第三章 激光衍射测量技术 3.1 3.1 激光衍射测量原理激光衍射测量原理激光衍射测量原理激光衍射测量原理波波:声、光、电磁、机械波障碍物：障碍物：大小、形状对现象均有影响现象：现象：与波的波长、障碍物的大小、光源/观察的位置有关光的波长短短短短，对很很很很小小小小的孔/屏、狭缝/细丝才有明显的衍射现象；激光出现后，衍射现象才实际应用到测量；1973年，Canada国家研究所T.R.Pryer 提出了激光衍射测量的方法。特点：特点：全场，非接触，稳定性好，自动化程度高，精度高一、一、菲涅耳和夫琅禾费衍菲涅耳和夫琅禾费衍射射按光光光光源源源源、障障障障碍碍碍碍物物物物/衍衍衍衍射射射射物物物物、观观观观察察察察屏屏屏屏三者之间的位置关系划分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射（2）夫琅禾费衍射/远场衍射 光源障碍物接收屏距离为无限远（1）菲涅耳衍射/近场衍射光源障碍物接收屏距离为有限远夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射是本章进行衍射测量的基本原理菲涅耳和夫琅禾费衍射常用光路：二、单缝衍射测量二、单缝衍射测量(一一)单缝衍射测量原理单缝衍射测量原理观察屏上的光强分布：单缝衍射的特点：特点：特点：特点：测定任何一个暗条纹的位置就可以精确知道被测间隙间隙间隙间隙的尺寸1）中央明纹最亮、最宽，它的宽度为其他各级亮纹宽度的两倍；2）次级亮纹的光强随级次的增加而逐渐减小；3）若光程差不等于/2 的整数倍时，亮度介于最明与最暗之间；4）衍射条纹平行于单缝方向；5）暗条纹=k即由远场衍射条件有由暗条纹现的公式知:(二二)单缝衍射测量的基本公式单缝衍射测量的基本公式由，对第k个衍射暗条纹有当不大时则有:单逢衍射测量的基本公式被测物尺寸改变 时，相当于狭缝尺寸改变，由下式可求出被测物尺寸或轮廓的变化量(三三)单缝衍射测量的分辨力、精度和量程单缝衍射测量的分辨力、精度和量程缝宽b越小，级数越高，L越大,波长越长,分辨力越高1.测量分辨力衍射测量灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度例：例：例：例：测量分辨力是指激光单逢衍射能分辨的最小最小最小最小量值反映了狭缝衍射对尺寸的放大倍数,即放大了1/t倍 Xk的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力考虑环境因素的影响，一般测量的精度可达0.5m2.测量精度由仪器的随机误差理论，可得到衍射测量误差为例：例：例：例：1)b越小,越大,衍射明显2)b越小,XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显3)b越大,XK变小,条纹变密,传感器不易放置,灵敏度下降3.测量量程Lb2/,仪器尺寸限制,b基本确定，L=1000mm，b0.8mm一般d的宽度取0.01mm-0.5mm三三、圆孔衍射测量、圆孔衍射测量屏上接收光强：其中：爱里斑尺寸常用的测量方法主要有：3.23.2 激光衍射测量方法激光衍射测量方法激光衍射测量方法激光衍射测量方法1、间隙测量法2、反射衍射测量法3、分离间隙法4、互补测屏法5、爱里斑测量法6、衍射频谱检测法1、间隙测量法间隙测量法1）尺寸比较测量基于单缝衍射原理2）形貌测量3）传感器应用：应用：应用：应用：(1)绝对测量法(2)增量测量法间隙法测量位移，有两种方法基本装置：基本装置：基本装置：基本装置：测量应变装置测量应变装置测量应变装置测量应变装置:间隙测量法作为灵敏的光传感器可用于测定各种物理量的变化，如应力、压力、温度、流量、加速度应力、压力、温度、流量、加速度应力、压力、温度、流量、加速度应力、压力、温度、流量、加速度等2、反射衍射测量法反射衍射测量法由于平面镜作用，相当于缝宽为2b的单逢衍射，则第k个暗条纹满足下列条件:利用试件棱缘和反射镜反射镜反射镜反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的有 将上式展开进行三角运算 所以有:为任意值，可以测量某一角度下的两个xk值求解特点：特点：特点：特点：1、灵敏度提高一倍2、入射光可以以一定角度入射，布置方便应用：应用：应用：应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等3.分离间隙法分离间隙法利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹进行精密测量的方法被称为分离间隙法分离间隙法P1出现暗条纹的条件：问题：问题：问题：问题：组成狭缝的两棱边不在同一平面内P2点出现暗条纹的条件：可得：由可得分离间隙衍射的缝宽公式为当k1=k2时应用举例应用举例应用举例应用举例:4、互补测量法、互补测量法用平面光照射两个互补屏时，它们产生的衍射形状和光强除光源点的几何像点之外完全相同，仅复振幅的位相差为。巴俾涅原理细丝,薄带可进行衍射测量:互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0l0.1mm测量精度可达0.05m5.爱里斑测量法爱里斑测量法基于圆孔的夫琅和费衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗环没有十分明显的边界，因此采用能量比较法能量比较法能量比较法能量比较法间接测量测量对象：测量对象：测量对象：测量对象：直径约在1090 m范围之间的喷丝头假假假假设设设设：通过微孔衍射所得到的明暗条纹的总能量不随孔的微小变化而变化，但明暗条纹的强度分布随孔的变化而急剧改变。方方方方案案案案：设计使光电探测器5接收衍射图的全部能量（中心亮斑和前四个亮环即可），光电接收器7只接收艾里圆的部分光能量，通常选取艾里圆面积的一半。电压比较器将光电接收器5和7的电压信号进行比较从而得出被测孔径。6.衍射频谱检测法衍射频谱检测法由傅里叶光学知:平面波射向任意周期性的物体,会在远场发生夫琅和费衍射,衍射光强中的各级光的角度、频谱强度由衍射屏的傅里叶变换所决定在透镜像方焦面上的复振幅分布(衍射图样)是物面的复振幅分布（透射率）的傅里叶变换 1.傅里叶变换检测法 直接利用透镜的傅里叶变换特性，用光电探器探测物体的频谱，对信号进行分析和处理、然后判定是否有缺陷。应用方法应用方法:2.二次傅里叶变换检测法 利用透镜衍射的二次傅里叶变换。获得被检缺陷的像，用目视或光电检测直接判定缺陷大小以及缺陷的位置。一、构成各种物理量的传感器一、构成各种物理量的传感器 3.3 3.3 激光衍射测量的应用激光衍射测量的应用激光衍射测量的应用激光衍射测量的应用激光衍射测量是一种高精度、小量程高精度、小量程高精度、小量程高精度、小量程的精密测量技术 许多物理量，如压力、温度、流量、折射率、电场或压力、温度、流量、折射率、电场或压力、温度、流量、折射率、电场或压力、温度、流量、折射率、电场或磁场磁场磁场磁场等，都可通过相应的转换器转成直线性的位移，然后利用激光衍射效应进行测量。二、薄膜材料表面涂层厚度测量二、薄膜材料表面涂层厚度测量此类微小间隔测量装置还可以用于旋转轴的径向跳动、旋转轴的径向跳动、旋转轴的径向跳动、旋转轴的径向跳动、圆棒直径的变化和圆柱度圆棒直径的变化和圆柱度圆棒直径的变化和圆柱度圆棒直径的变化和圆柱度等的静态和动态测量三、全长剖量测量三、全长剖量测量要求棱缘全长都同时被激光束照亮，通常用于测量线线线线状边缘的物体状边缘的物体状边缘的物体状边缘的物体，也可以测定曲率较小的弧形或一曲率较小的弧形或一曲率较小的弧形或一曲率较小的弧形或一些不规则的构件些不规则的构件些不规则的构件些不规则的构件。四、位移和间隔的远离测量四、位移和间隔的远离测量还可用于研究封闭容器中（如真空中）弹性物体的变形情况，以便作为传感器监视地震或重力加速度的变化。特点：特点：特点：特点：检测器可以离传感器很远，对在需要遥测或有害环境下观察特别有利。五、振动的测量五、振动的测量悬板相对于基准棱缘在半个周期中不断改变缝宽b,于是引起衍射条纹沿一个方向扫过探测器，当振幅达到极限位置后，条纹即向相反方向移动；方波a和a对应于待测物体在改变振动方向时的转折点，a和a之间整数和小数部分的条纹数，相当于峰间振幅，是悬板振幅的两倍。六、直径和薄带宽度测量六、直径和薄带宽度测量1.漆包线激光动态测径仪作作作作用用用用：漆层厚度变化造成漆包线外径的变化将显示在测量仪的显示器上，从而实现人工调整涂漆参数，保证涂漆质量。为避免CCD探测器饱和，扩大CCD动态范围，将零级条纹挡去。uuCCDCCD输出信号处理输出信号处理输出信号处理输出信号处理l l低通滤波：低通滤波：低通滤波：低通滤波：在保证信号不失真前提下尽可能降低截止频率例例例例：若CCD像素2048，数据时钟1MHz，在设计结构时保证CCD能接收24个条纹，则每个条纹周期T=2048/4=512s。考虑到CCD接收的信号是非周期的，实际应用中采用二阶巴特沃思低通滤波，截止频率取101/T。暗暗暗暗点点点点识识识识别别别别：为得到精确的测量结果必须对信号衍射图样进行精确的识别，包括以下两方面：(1)能自动识别出一帧CCD 信号衍射图样中暗点的个数;(2)能精确地定位每个暗点对应的位置;存在困难：因为被测细丝的直径有一定的分布范围,衍射图样变化很大,且衍射图样中暗点锐度很小。衍射图样中暗点数的识别：一般地,采用扫描法逐点扫描衍射图样来识别暗点数。理论上,在顺序扫描时如果某一点满足下面两个条件就可认为是一个暗点:(1)当前点的值比前一点值小;(2)后一点值比当前点值大由于很多不确定因素的存在,使得待识别的信号在局部区域内不是光滑连续的。直接采用上面的算法将导致识别失败,为此改进算法如下:(1)采用中值滤波对信号作平滑处理;(2)用滑动窗口内信号的平均值来代替单点值扫描衍射图样;采用非线性中值滤波的目的在于消除信号中尖峰干扰(主要由量化引入),保证局部范围内信号的平滑,但必须合理选择滤波器的宽度否则达不到目的。用滑动窗口内信号的平均值来代替单点值扫描识别衍射图样,可以消除信号小范围波动对识别的影响，增强暗点识别的可靠性。识别暗点数同时可以得到暗点的粗略位置(扫描到一个暗点时记下它的位置)。由于识别时对信号作了非线性处理,而且扫描是由滑动窗口完成的,因而此时得到的暗点位置是很粗糙的,远远达不到测量精度要求,必须进一步精确指定暗点位置。对暗点的精确定位是基于下面三个前提:(1)衍射图样的分布符合一定的数学关系;(2)精确的暗点位置必定在已得到的粗略暗点位置附近;(3)粗略暗点附近的原始数据在统计意义上包含着暗点真正位置的信息;(1)在识别暗点数的同时记录粗略的暗点位置;(2)在粗略暗点位置附近取一定数目的原始数据,运用最小二乘法来拟合原始数据,得到一条光滑的曲线;(3)以一定的步长搜索拟合后的曲线,得到曲线上暗点的准确位置,如果步长小于象素尺寸就具有细分效果;基于这样的前提,可以在已知粗略暗点位置附近,充分利用原始数据中的信息来寻找暗点的准确位置。这部分算法可以描述如下:2.薄带宽度测量要求：要求：要求：要求：薄带相对激光束的光轴有准确的定位，否则引起测量误差3.转镜扫描式激光测径仪转镜扫描式激光测径仪4.狭缝扫描式激光测径仪转镜扫描式测径仪是由测量条纹间距s值求得细丝直径狭缝扫描式测径仪是通过测量特定级条纹的xk值来求直径七、红细胞激光衍射测量七、红细胞激光衍射测量通过细胞的衍射图样来分析病变通过面阵CCD接收衍射图样，求出红细胞的变形指数和取向的变化、衍射光强的径向分布曲线等，根据计算结果来判断病变情况。43激光粒度仪【补补】传统粒度测量方法：沉降仪、筛分法、显微镜沉降仪、筛分法、显微镜沉降仪、筛分法、显微镜沉降仪、筛分法、显微镜最流行的粒度测量仪器：激光粒度仪激光粒度仪激光粒度仪激光粒度仪优点：优点：优点：优点：测量速度快、重复性好、动态范围大、操作方便一、工作原理一、工作原理利用颗粒对光的散射（衍射）现象测量颗粒大小的，即光在行进过程中遇到颗粒（障碍物）时，会有一部分偏离原来的传播方向；颗粒尺寸越小，偏离量越大；颗粒尺寸越大，偏离量越小。当颗粒尺寸较大（至少大于 2 倍波长），并且只考虑小角散射（散射角小于 5）时，散射光场也可用较简单的夫琅禾费衍射理论近似描述。由发射、接收和测量窗口发射、接收和测量窗口发射、接收和测量窗口发射、接收和测量窗口等三部分组成发射部分由光光光光源源源源和和和和光光光光束束束束处处处处理理理理器器器器件件件件组成，主要是为仪器提提供供单单色色的的平平行行光光作作为为照照明明光光；接接收收器器是是仪仪器器光光学学结结构构的的关关键键；测量窗口主要是让被被测测样样品品在在完完全全分分散散的的悬悬浮浮状状态态下下通通过过测测量量区区，以便仪器获得样品的粒度信息。接收器由傅立叶透镜和光电探测器阵列傅立叶透镜和光电探测器阵列傅立叶透镜和光电探测器阵列傅立叶透镜和光电探测器阵列组成激光器发出的激光束经聚焦、低通滤波和准直后，变成直径为825mm 的平行光，照到测量窗口内的颗粒后，发生散射。散射光经过傅立叶透镜后，同样散射角的光被聚焦到探测器的同一半径上。一个探测单元输出的光电信号就代表一个角度范围（大小由探测器的内、外半径之差及透镜的焦距决定）内的散射光能量，各单元输出的信号就组成了散射光能的分布。尽管散射光的强度分布总是中心大，边缘小，但是由于探测单元的面积总是里面小外面大，所以测得的光能分布的峰值一般是在中心和边缘之间的某个单元上。当颗粒直径变小时，散射光的分布范围变大，光能分布的峰值也随之外移。所以不同大小的颗粒对应于不同的光能分布，反之由测得的光能分布就可推算样品的粒度分布。二、光路结构的改进二、光路结构的改进激光粒度仪重要的技术指标是重要的技术指标是测量下限测量下限激光粒度仪光学结构的改进基本上都是为了扩扩展展其其测测量量下下限限或或是是小小颗颗粒粒段段的的分分辨辨率率；基本思路是增增大大散散射射光光的的测量范围、测量精度或者减少照明光的波长测量范围、测量精度或者减少照明光的波长。德国Sympatec采用了8 组不同焦距的傅立叶镜头。由于探测器的半径不变，因此焦距越小，对应的散射角越大，即能测量的粒径越小。不同焦距的透镜对应于不同的测量范围。增加辅助探头用以弥补环形探测器阵列最大外径的不足，从而扩大仪器对散射光的接收角，扩展仪器的测量下限。但受到傅立叶透镜光瞳的制约。优点：优点：优点：优点：最大接收角不受傅立叶镜头口径限制缺缺缺缺点点点点：只在较小散射角（90的散射光）接收机构的透镜后傅立叶结构。扩展了散射角接收范围，以扩展粒度测试下限。改动：改动：改动：改动：增加一束斜入射、短波长（蓝光）的照明光束在只有正入射光束的情况下，散射光从测量窗口往空气中出射时由于受全反射现象的限制，假设悬浮介质为水，则48138范围内的散射光不能被探测器接收。照明光斜入射使得上述角范围内的散射光相对于测量窗口玻璃有较小的入射角，得以避开全反射的制约。此外，散射光的分布范围取决于粒径与光波长的比值。在相同的散射角下，照明光波长越短，对应的粒径越小。因此用短波长的照明光斜入射到测量窗口上，能有效地扩大测量下限。双镜头结构的作用和传统的双镜头一样。三光束中光束 1 为主入射光，作用如同传统的照明光，光束 2 用以扩大前向散射光的出射角，光束 3 用以扩大后向散射光的出射角盲区。改进：改进：改进：改进：增加PIDS测量技术缺缺缺缺点点点点：只能用在亚微米颗粒的低端。当一个分布较宽的样品需要测量时，只能是细颗粒用 PIDS 系统测量，粗颗粒还是要用传统的激光散射原理测量，然后再进行数据拼接。而这两种测量原理有本质的差异，数据拼接需要很高的技巧和经验。措措措措施施施施：为了提高对小粒径的分辨率，PIDS 中用了 3 种不同的波长。所用光源是白色自然光，通过滤波和起偏器获得不同波长和偏振态的照明光。PIDSPIDS：Polarization Intensity Differential Scattering,散射的偏振强度差”。利用亚微米颗粒对水平偏振光和垂直偏振光有不同的散射光场分布；与此相对，大颗粒在两个偏振态上则没有什么差异。优优优优点点点点：能有效补偿由于激光内在的偏振模式竞争引起的大角散射光的不稳定，提高了对亚微米颗粒测量的精度。改改改改动动动动：在大角散射光的聚焦上，仍采用球面接收结构；但是它在两个相互垂直的散射面上同时接收同样散射角的光能，用二者的平均值作为光能的最终值。为了突破大角散射光在测量窗内的全反射制约而设计的。在此入射光仍为一束，小角散射光仍从窗口的平行平面出射，而大角散射光从梯形玻璃的斜面出射。当斜面的斜角适当时，即便大至90的散射光，也能从窗口出射。采用这种技术后，仪器对大角散射光的接受能力与三光束结构完全相同，但仪器结构更加简洁，可靠性也将大大提高（由于用两块无源的玻璃代替了两只有源的光源）。