03第三章激光衍射测量技术教程优秀PPT.ppt

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1、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：大小、形态对现象障碍物：大小、形态对现象均有影响均有影响现象：与波的波长、障碍物的大小、光源现象：与波的波长、障碍物的大小、光源/视视察的位置有关察的位置有关光的波长短，对很小的孔/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国家探讨所T.R.Pryer 提出了激光衍射测量的方法。特点：

2、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源、障碍物/衍射物、视察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视察屏上的光强分布：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

3、、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更量(三三)单缝衍射测量的辨别力、精度和量程单缝衍射测量的辨别力、精度和量程缝宽b越小，级数越高，L越大,波长越长,辨别力越高1.测量辨别力衍射测量灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度例：例：例：例：测量

4、辨别力是指激光单逢衍射能辨别的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的测量辨别力,确定了狭缝的测量辨别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

5、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、分别间隙法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)确定测量法(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更，如应力、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

6、射镜反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的有 将上式绽开进行三角运算 所以有:为随意值，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、入射光可以以确定角度入射，布置便利应用：应用：应用：应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等3.分别间隙法分别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别间隙法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：由可得分别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

7、产生的衍射形态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特殊明显的边界，因此接受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：通通通通过过过过微微微微孔孔孔孔衍衍衍衍射射射射所所所所得得得得到到到到的的的的明明明明暗暗暗暗条条条条纹纹纹纹的的的的总总总总能能能能量量量量不不不不随随随随孔孔孔孔的的的的微微微微小小小小变变变

8、变更更更更而而而而变变变变更更更更，但但但但明明明明暗暗暗暗条条条条纹纹纹纹的的的的强强强强度度度度分分分分布布布布随随随随孔孔孔孔的的的的变变变变更更更更而而而而急急急急剧变更。剧变更。剧变更。剧变更。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:平面波射向随意周期性的物体,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确定在透镜像方焦面上的复

9、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 干脆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，用目视或光电检测干脆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 很多物理量，如压力、温度、流量、折射率、电场或

10、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、圆棒直径的变更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探讨封闭容器中（如真空中）弹性物体的变形态况，以便

11、作为传感器监视地震或重力加速度的变更。特点：检测器可以离传感器很远，对在须要遥测特点：检测器可以离传感器很远，对在须要遥测特点：检测器可以离传感器很远，对在须要遥测特点：检测器可以离传感器很远，对在须要遥测或有害环境下视察特殊有利。或有害环境下视察特殊有利。或有害环境下视察特殊有利。或有害环境下视察特殊有利。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变更缝宽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对应于待测物体在变更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

12、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：漆漆漆漆层层层层厚厚厚厚度度度度变变变变更更更更造造造造成成成成漆漆漆漆包包包包线线线线外外外外径径径径的的的的变变变变更更更更将将将将显显显显示示示示在在在在测测测测量量量量仪仪仪仪的的的的显显显显示示示示器器器器上上上上，从从从从而而而而实实实实现现现现人人人人工工工工调调调调整整整整涂涂涂涂漆漆漆漆参数，保证涂漆质量。参数，保证涂漆质量。参数，保证涂漆质量。参数，保证涂漆质量。为避开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

13、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：若若若若CCDCCD像像像像素素素素20482048，数数数数据据据据时时时时钟钟钟钟1MHz1MHz，在在在在设设设设计计计计结结结结构构构构时时时时保保保保证证证证CCDCCD能能能能接接接接收收收收2424个个个个条条条条纹纹纹纹，则则则则每每每每个个个个条条条条纹纹纹纹周周周周期期期期T=2048/4=512sT=2048/4=512s。考考考考虑虑虑虑到到到到CCDCCD接接接接收收收收的的的的信信信信号号号号是是是是非非非非周周周周期期期期的的的的，实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中接接接接受受受受二

14、二二二阶阶阶阶巴巴巴巴特特特特沃沃沃沃思思思思低低低低通通通通滤滤滤滤波波波波，截截截截止止止止频率取频率取频率取频率取101/T101/T。暗暗暗暗点点点点识识识识别别别别：为为为为得得得得到到到到精精精精确确确确的的的的测测测测量量量量结结结结果果果果必必必必需需需需对对对对信信信信号号号号衍衍衍衍射射射射图图图图样样样样进进进进行精确的识别，包括以下两方面：行精确的识别，包括以下两方面：行精确的识别，包括以下两方面：行精确的识别，包括以下两方面：(1)(1)能自动识别出一帧能自动识别出一帧能自动识别出一帧能自动识别出一帧CCD CCD 信号衍射图样中暗点的个数信号衍射图样中暗点的个数信号

15、衍射图样中暗点的个数信号衍射图样中暗点的个数;(2)(2)能精确地定位每个暗点对应的位置能精确地定位每个暗点对应的位置能精确地定位每个暗点对应的位置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确定的分布范围,衍射图样变更很大,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,接受扫描法逐点扫描衍射图样来识别暗点数。理论上,在依次扫描时假如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。干脆接受上面的算法将导致识别失败,为此改进算法如下:(1)接受中值

16、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;接受非线性中值滤波的目的在于消退信号中尖峰干扰(主要由量化引入),保证局部范围内信号的平滑,但必需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,可以消退信号小范围波动对识别的影响，增加暗点识别的牢靠性。识别暗点数同时可以得到暗点的粗略位置(扫描到一个暗点时登记它的位置)。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,必需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

17、确定的数学关系;(2)精确的暗点位置必定在已得到的粗略暗点位置旁边;(3)粗略暗点旁边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)在粗略暗点位置旁边取确定数目的原始数据,运用最小二乘法来拟合原始数据,得到一条光滑的曲线;(3)以确定的步长搜寻拟合后的曲线,得到曲线上暗点的精确位置,假如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旁边,充分利用原始数据中的信息来找寻暗点的精确位置。这部分算法可以描述如下:2.薄带宽度测量要求：薄带相对激光束的光轴有精确的定位，否则引起测量误差要求：薄带相对激光束的光轴有精确的定位，否

18、则引起测量误差要求：薄带相对激光束的光轴有精确的定位，否则引起测量误差要求：薄带相对激光束的光轴有精确的定位，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更、衍射光强的径向分布曲线等，依据计算结果来推断病变状况。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

19、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优优优点点点点：测测测测量量量量速速速速度度度度快快快快、重重重重复复复复性性性性好好好好、动动动动态态态态范范范范围围围围大大大大、操操操操作作作作便利便利便利便利一、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洁的夫琅禾费衍射理论近似描述。由放射、接收和测量窗口等三部分组成放射部分

20、由光源和光束处理器件组成，主要是为仪器供应单色的平行光作为照明光；接收器是仪器光学结构的关键；测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，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确定）内的散射光能量，各单元输出的信号就组

21、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展其测量下限或是小颗粒段的辨别率；基本思路是增大散射光的测量范围、测量精度或者削减照明光的波长。德国Sympatec接受了8 组不同焦距的傅立叶镜头。由于探

22、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。增加帮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：只只只只在在在在较较较较小小小小散散散散射射射射角角角角（590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状况下，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

23、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，作用犹如传统的照明光，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：只只只只能能能能用用用用在在在在亚亚亚亚微微微微米米米米颗颗颗

24、颗粒粒粒粒的的的的低低低低端端端端。当当当当一一一一个个个个分分分分布布布布较较较较宽宽宽宽的的的的样样样样品品品品须须须须要要要要测测测测量量量量时时时时，只只只只能能能能是是是是细细细细颗颗颗颗粒粒粒粒用用用用 PIDS PIDS 系系系系统统统统测测测测量量量量，粗粗粗粗颗颗颗颗粒粒粒粒还还还还是是是是要要要要用用用用传传传传统统统统的的的的激激激激光光光光散散散散射射射射原原原原理理理理测测测测量量量量，然然然然后后后后再再再再进进进进行行行行数数数数据据据据拼拼拼拼接接接接。而而而而这这这这两两两两种种种种测测测测量量量量原原原原理理理理有有有有本本本本质质质质的的的的差差差差异异异

25、异，数数数数据据据据拼拼拼拼接接接接须须须须要要要要很很很很高高高高的的的的技技技技巧巧巧巧和和和和阅阅阅阅历。历。历。历。措措措措施施施施：为为为为了了了了提提提提高高高高对对对对小小小小粒粒粒粒径径径径的的的的辨辨辨辨别别别别率率率率，PIDS PIDS 中中中中用用用用了了了了 3 3 种种种种不不不不同同同同的的的的波波波波长长长长。所所所所用用用用光光光光源源源源是是是是白白白白色色色色自自自自然然然然光光光光，通通通通过过过过滤滤滤滤波波波波和和和和起起起起偏偏偏偏器器器器获获获获得得得得不不不不同同同同波波波波长长长长和和和和偏偏偏偏振振振振态态态态的的的的照照照照明光。明光。明

26、光。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：在在在在大大大大角角角角散散散散射射射射光光光光的的的的聚聚聚聚焦焦焦焦上上上上，仍仍仍仍接接接接受受受受球球球球面面面面接接接接收收收收结结结结构构构构；但但但但是是是是它它它它在在在在两两两两个个个个相相相相互互互互垂垂

27、垂垂直直直直的的的的散散散散射射射射面面面面上上上上同同同同时时时时接接接接收收收收同同同同样样样样散散散散射射射射角角角角的的的的光光光光能能能能，用用用用二二二二者者者者的的的的平平平平均均均均值值值值作作作作为为为为光光光光能能能能的的的的最最最最终终终终值。值。值。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。接受这种技术后，仪器对大角散射光的接受实力与三光束结构完全相同，但仪器结构更加简洁，牢靠性也将大大提高（由于用两块无源的玻璃代替了两只有源的光源）。