《激光其它测量技术》PPT课件.ppt

激光测量技术,Laser Measurement Technology,第六章 激光的其他测量技术,本章主要内容: 第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术 一、多普勒测速原理 二、激光多普勒测速仪的组成 二、激光多普勒测速技术的应用 四、多普勒全场测速技术 第二节 激光扫描测径技术 一、转镜扫描测径 二、音又拧描测径 三、扫描镜电流计测径 四、位相调制扫描测量技术 第三节 激光测距技术 一、激光相位测距 二、脉冲激光测距,6.1激光多普勒(Doppler)测速技术,1842年Doppler发现:,任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播 介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即所 谓的多普勒频移。,1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的散 射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术来 确定粒子流动速度。,激光多普勒频移技术应用:,流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及,工业生产中的速度测量。,=,一、多普勒测速原理 激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理: 基于运动物体散射光线的多普勒效应 1. 多普勒效应,引起多普勒频移的原因: a 波源或者接收器的移动 b 波传输通道中的物体运动产生,f = f f,Vcos Vcos f,=,Vcos c,对于a种情况:,b 波传输通道中的物体运动产生 这种情况是LDV的基本测速原理,从p点看: 从U处看: 因为:,f p fD f p,= = =,c -V K c+V U c p,如果接收散射光和光源人射光之间的夹角为，则 式(6-7)可以写为,或,从6-8式知 ,测出频移即可以计算出移动速度来 由于光频率极高, 一般采用在实际测量中，多采用 光外差多普勒测速技术，即把人射光和散射光同时 送到光接收器上，由光电器件的平方律检波特性， 在它们的输出电流中只包含两束光的差频部分，这 样能接收到由于粒子的运动速度所引起的光频微小 变化。,二、激光多普勒测速仪的组成,激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV),组成: 激光器、光学系统、信号处理系统,1.激光器,多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因 此，必须用频带窄及能量集中的激光作光源。为 便于连续工作，通常使用气体激光器. 如He-Ne激光器: 功率较小，适用于流速较低或者 被测粒子较大的情况 氩离子激光器: 功率较大，信号较强，用得最广。,2.光学系统,LDV按光学系统的结构不同，可分为: 双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。 参考光束型和单光束型LDV在使用和调整方面条件要求 苛刻，一般不采用。常用双散射型,A 单光束型,特点:测量速度高, 适合超音速测量,调整麻烦,测量结果与角度有关,B 、参考光束型,C、双散射型,特点：散射光的频差与光电探测器的方向无关。使用,时不受现场条件的限制，可在任意方向测量，且可使用,大口径的接收透镜，粒子散射的光能量极大地得到利,用，信噪比高。进人光电探测器的散射光来自两束具有,同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的散射微粒都发,生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。调整,时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，,使用很方便。,3.信号处理系统,激光多普勒信号非常复杂：, 由于流速起伏，所以频率在一定范围内起伏变 化，是一个变频信号。, 因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化， 则频移的幅值也按一定的规律变化。,粒子是离散的，每个粒子通过测量区又是随机的， 故波形有断续且随机变化。,光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上 外界环境因素的千扰，使信号中伴随许多噪声。 信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提,取那些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足 要求。,多普勒信号处理 方法主要有: 频谱分析法、 频率跟踪法、 频率计数法、,滤波器组分析法、 光子计数相关法 扫描干涉法等。 1）频率跟踪法,2）频率计数法,原理: 计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周,期,从而计算出频移, n为设定的脉冲数目, N为时钟数 目, T为时钟周期,f =,1 TN,=,n N,f,n,三、激光多普勒测速技术的应用,激光多普勒测速仪(LDV)特点: 具有非接触测量 不干扰测量对象, 测量装置可远离被测物体 应用:,生物医学 流体力学,空气动力学,燃烧学等领域,1.血液流动/定位,2.管道内流体的测量,四、多普勒全场测速技术,LDV是对流场中的某一固定点进行测量，如要做全 场测量，则需逐点扫描，故只限于变化较小的流 动，不能用于非定量流,多普勒全场测速技术(Doppler Global Velometer,DGV)，可对流体做全场测量，对粒子的选择、播发 没有严格的要求，特别适合于气流测量。,1.DGV原理,利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转 换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获 得全场的速度信息，从而实现全场、实时及三维测 量。,一般工作在f1-f2段，中 心频率fi处于激光器的 中心频率附近， f1-f2 的带宽约为600MHz。 由于不同频率对应不同 的透过率，这样把频率 变化转化为光强的大小,分子碘、溴蒸气或碱蒸气是最合适的吸收物质，它们的 原子和分子有很多吸收线能匹配现有的激光频率，氢粒 子激光的514.5 nm谱线在碘吸收线的近旁，YAG激光倍 频后的532.0nm谱线与碘及嗅相配。, 将分子蒸气灌注在一个密封容器中，并保持恒 温，如把缓冲气体加进分子蒸气室中，可增加吸 收区以扩宽频率范围。由于从不同方向人射于分 子蒸气的光线互不干扰，故可对整个视场各点同 时进行测量。此分子室成为一个分析器，或称做 鉴频器，它是本技术的一个关键部件。, 光线经过鉴频器后,转化为光强分布术的一个关键 部件。用一台视频相机(如CCD摄像机)对被光屏 照明的物面进行拍摄，记录由该物面散射并透过 鉴频器后的光线。视频信号采集后送人计算机进 行分析处理，得到实时的全场定量速度值。,3D速度测量: 需要三套测量装置,不同放置来建立方 程获得,2. 测量装置,I,I,测量过程: 1) 设变焦镜头像平面上某点的光强为 I CCD1路的光强为： s CCD2路的光强为： R 6滤光片的透射率为TF 5鉴频器的透射率为T(f) CCD的转化效率为a 则CCD1和2的输出电压分别为,Vccd1 = aI sT(f) Vccd2 = aI RTF,Vccd1 Vccd2,= T(f),2) 由t查表查出每一点的频率f 已知t=F(f),3) 求出每一点的频移 f=f-f0,4) 求出每一点的速度: f=V (U-K)/,DGV注意事项,1）由于两CCD要求像面完全重合,光程应该尽量一致,2）测量为CCD1与CCD2输出电压的比值,因此两CCD 参数尽量一致, 其物理参数尽量一致的同时,曝光时间、 采样间隔应严格同步,3）由于求频率是由鉴频器的特性决定, 鉴频器应该 恒压、恒温措施,6.2 激光扫描测径技术, 激光扫描测量直径是1972年Zygo公司发展起来的 一种技术，有人称之为Laser Tele-metric system， 有人称之为Laser shadow Gauge, 近在工件外形尺寸测量中得到广泛应用，应用最,多的是侧量线材直径。, 其原理:,用一束平行光以恒定的速度扫描线材，并由放在 线材对面的光电接收器接收，投射到光电接收器 上的光线在光束扫描线材时被遮断，所以光电接 收器输出的是一个方波脉冲，脉冲宽度与线材直 径成正比。,一、转镜扫描测径,1.扫描测径原理,设晶体的振荡频率为v，电机转速为n，多面体的面数 为N，透镜焦距为f，通光孔径为D，被测件扫描的 平均次数为m，则电机转动的角速度 =2n,反射光束转动的角速 2 线速度: V=f *2=4n f,一个计数脉冲对应的间距为: =V/v =4 n f/v d直径对应的脉冲数: A=d/ = dv/4 n f 所以: d=4 n f A/v,从公式上看: v越大,分辨率越高, f 越小分辨率越高,2.转镜扫描测径仪的组成,转镜扫描测径仪由三部分组成:,测量头、数字显示装置以及电源。,测量头由激光器、同步电机、多面体反射镜、光学系统 和光电管等组成一个整体。根据被侧件情况，必须相应考 虑冷却、通风及防尘等措施。,数字显示装置可以显示被测件直径的绝对值或偏差值。 电源部分包括氦氖激光电源和同步电机专用电源。 转镜扫描侧径仪通常用于直径较大的线材直径侧量。 根据不同参数的测量头，可测直径为0.5-30 mm。仪器可 以设计成同时测量水平、垂直两个方向的直径，以便获得 被测件的椭圆度。,3.大直径的测量,二、音叉扫描测径,对于线径在0. 5mm以下的物体，由于线径小，扫描区间 窄，扫描镜不需要大幅度的转动，因此可以采用音叉或电流 计等作为镜偏转驱动装置。,音叉扫描测径方法适合于测量线径60一200 um的金属丝 或光导纤维，(当丝无横向运动时可达500 um左右)测量精度 为1%。,1. 原理图,设扫描光点的运动方程为:,s = A0 sint 光点在扫描方向横切细线两侧的时间为t1 和t2,坐标为S1和S2，则 d = S 1 - S 2,1 t1 = arcsin 1 t2 = arcsin,S1 A0 S2 A0,如果参考信号的运动方程为:,V = V0 sint,S1,A0,S2,A0,在t1和t2时所截取的电压分别是,V1 = V0 sint1 = V0 V2 = V0 sint2 = V0 电压差:,Vd = V1 - V2 = A0 或 : d = Vd V0,V0 A0,(S1 - S2 ) =,V0 A0,d,三、扫描镜电流计测径,四、位相调制扫描测量技术,影响激光扫描测量精度的主要因素：,工件边缘的衍射现象,衍射使被测工件的边界模糊，用时间脉冲计数 时，必然引人误差，使前述的光点扫描测量精度 限制在士0.01 mm。,位相调制扫描测量技术采用空间调制光束来扫描工 件，通过测量位相，而不是测时间来获得被测件的 尺寸，测量精度可达士1 um，适合于各种高温、高 压下做非接触高精度现场测量。,I1 = I 3 ; I 2 = I1 + I 3,设PBS分开的两束光的光强相等，则扫描光、之间的光,强I1,I2.I3，有如下关系:,若Pockels调制器的振荡频率为，由图6-18可知，光束+是,(I1+I3) (1 + sin t)。而光束的方程是I2(1-sin t)。对任意时,刻，调制扫描光束的表达式为,1当光束与工件相遇时为a区，扫 描光束扫过工件后为a区,2当工件边缘开始挡住光束或 时，这时为b区和b区,3当工件边缘开始挡住光束到全 部挡住光束时,2和3 的信号正好相差pi,6.3 激光测距技术 常用的测距技术: 雷达/无线电测距时间 回波,超声测距 激光测距 无导轨测距: 短程: 合成波长,回波 相位 半导体激光调频测距,远距离(几千米)测量的技术: 激光相位测距 脉冲激光测距,一、激光相位测距 (一)激光相位测距原理 相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的 光从A点传播到B点的相移可表示为 = 2m + = 2 (m + m) 光从A点传播到B点所用时间为t， 则A、B两点之间的距离,L = ct = c, 2f,= (m + m),若测量出某一时刻的相位，则测出 波通过的距离,为方便测量出相位变化，一般采用反射式,则,L =, 2,2L = (m + m) (m + m) = Ls (m + m),实际上： 1. cos为2周期的函数， 不能直接测出m的变化量 2. 一般的检相电路,只能检 出0-2之间的相位变化,相位测量技术只能测量出不足2 的相位尾数 ， 即只能确定余数m=/2 ，而不能确定相位的整 周期数m。因此，当被测距离L大于Ls时，用一把光 尺是无法测定距离的。当距离小于Ls时，即m=0时， 可确定距离,所以: 一般采用调制技术, 变相增大测量范围,即增 大波长,为能实现长距高精度测量，可同时使用L。不同的 几把光尺。最短的尺用于保证必要的测距精度，最长 的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距技术 主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。,2,（二）激光相位测距技术 （1）直接测尺频率 由测尺量度Ls。可得光尺的调制频率,f s = c / 2Ls,L =,(m + m) = Ls (m + m),这种方法所选定的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对 应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方 式称为直接测尺频率方式。 直接测尺频率一般应用于短程测距 （2）间接测尺频率(合成波长),L = Ls1 = (m1 + m1 ) L = Ls 2 = (m2 + m2 ),L =,Ls1 Ls2 Ls1 Ls2,(m1 m2 ) + (m1 m2 ) = Ls (m+ m),=,=,L =,式中：,Ls1 Ls 2 1 c 1 c Ls1 Ls 2 2 f s1 f s 2 2 f s, f s = f s1 f s 2 ; m = m1 m2 ;,m = m1 m2 = / 2 , = 1 2 间接测尺频率法测距的基本原理:即通过测量fs1和fs2 频率的相位尾数并取其差值来间接测定相应的差频频 率的相位尾数。通常把fs1和fs2称为间接侧尺频率， 而把差频频率称为相当侧尺频率。,（三）