第九章光学检测技术..ppt

第九章光学检测技术，引言光学方法的主要优势：非接触性高灵敏度高精密性光学图像的二维计量性，主要内容衍射法扫描法全息法散斑法激光测距多普勒速度，光传感器和光检测技术，9.1激光衍射法，特征：简单、快速、精密、廉价、性能可靠。 9.1.1激光衍射传感器的基本原理衍射测量的基本原理：检测单狭缝的远场衍射，即布朗和费用衍射。 远场衍射条件：检测面上的衍射光强度分布：激光衍射传感器检测的基本原理：暗条纹位置：引用：测量对象物的尺寸变化：最后的狭缝宽度和开始狭缝宽度，x :变动后的衍射条纹中心位置和开始衍射条纹中心位置(n不变)，激光衍射测量的基本思想：远场衍射难以测量的微小尺寸w或 、衍射条纹的测量记录固定的衍射强度记录衍射分布特征尺寸的衍射分布极间的距离，9.1.2激光衍射技术(1)间隙测量法，应变传感器，尺寸比较测量，工件形状轮廓测量，衍射条纹间隔间隙，2种测量方法，(1)绝对法：位移(2)计数法：测定条纹计数值N(n-n )，可以求出试样的位移和应变值。 (二)爱里圆斑法，第一暗环直径，作用：精确测量微小内孔尺寸的基本原理：圆孔远场衍射，基于9.2激光扫描法，动态光传感器技术适用于精确测量弹性体、柔软体、高温物体，9.2.1激光点扫描特征：为了保证非接触、动态、远距离(1m )、测定精度，3点为(1)激光束垂直照射被测定面，(2)光束对物体面进行等速直线扫描运动，(3)正确地测定扫描时间，(a )反射镜扫描，光束在物体面上的运动速度不均匀因此，该扫描方式不能满足基本的要求(1)和(2)。 (b )反射镜的准直扫描保证基本条件(1)和(2)采用通常组合了f-透镜和反射镜的反射镜准直扫描装置。 f-物镜是光扫描系统专用的物镜，是负的失真物镜。 保证y和的线性关系：点扫描技术：用时间脉冲计数测量工件尺寸。 工件的边缘衍射效应适用于测量误差大、精度为0.01mm左右的相位扫描技术光调制扫描法外差扫描法：测量微小变形，振动条件下的高精度测量，精度达到0.1m。 9.2.2相位调制扫描技术、细激光束扫描有振动的物体表面的反射光的位置根据物体表面的形状，用外差技术检测参考光(扫描入射光)和反射的相位调制光的z(x(t ) )、外差扫描法、应用：表面的损伤缺陷检查、表面异物检测、形状规则9.2.3表面特征提取的扫描技术，检测装置，(a )飞点成像式：用线束在y方向上照明，反射光用旋转多面体在y方向上扫描受光。 在被检面的像面上设置针孔，检测反射光的变化，评价表面是否有伤痕和伤痕。 (b )飞点扫描式：直接用激光束扫描表面，扫描面方向(y方向)与被检测面的行进方向垂直。 反射光用阵列光检测元件检测。 2散射光检测法的基本原理：漫反射表面粗糙度与散射光散射角之间有一定的关系。 方法：激光束垂直照射被测面，以垂直反射光的强度和某一角度检测颜色的散射光强度，以两光强度之比确定表面粗糙度。 基于边界衍射波的理论，反映了衍射波的光谱分布的边界模式的特征可以判定表面缺陷状况。9.3全息法，1948年，Gabor提倡的，1960年激光出现发展。与普通照片的比较：普通照片：透镜的成像，在感光胶片上只记录物体的光强度分布，平面像，胶片粉碎后只能显影照片的一部分的全息：不使用透镜，参考光和来自物体的反射光(散射光)干涉全息干涉板，记录物的光的振幅和相位9.3.1激光全息术，为什么小全息能包含物体的整个三维几何信息？ 基本出发点：物体都是点的集合体。 研究一个物点的记录和再现过程。 记录、一组同心圆的干涉条纹、再现、点物放在o点时，o点的散射波是a、b、c、f点的相位分布，和向全息图照射再现光时，全息图上的点a、b、c、f的散射波的相位分布完全相同。 相干光源：激光被摄体均匀照射：光束扩展器获得明显的干涉条纹：参考光和物镜光的光谱比： 2:110:1记录介质要求高分辨率：溴化银照片胶乳曝光期间实验装置要求高机械稳定性以非透明物的反射光为物光，9.3.2全息干涉技术，应用：高精度感测物体的位移和变形。 基本原理：将时间拍摄的物体波分别记录在同一全息图上，再现该全息图后，再现的两光波会发生干涉。 干涉条纹的检测可以获得被摄体按成像时间间隔变化。 拍摄方法：静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法、再现图像中的光强度分布受到物体位移所产生的相位差的调制，形成干涉条纹，静态二次曝光法、全息记录是很多图像的综合效果。 再现时的再现图像是各再现波面的复振幅的和。 产生的干涉条纹反映了振动物体的极限位置。 动态时间平均法也被称为长时间一次曝光法。 用来研究物体的振动。 记录的曝光时间比物体的振动周期长。 曝光一次，曝光时间短。 在再现时，再现图像被叠加在原始物体上。 物体稍有位移或变形，就能观察到干涉条纹。 适合测试透明物体的现象。 实时法，9.3.3全息等高线技术，应用：物体表面的三维形态测量。 主要包括线投影等技术的双频全息影像和散斑技术、线投影等技术，等高线是一系列等间隔的平行平面与被检测表面的交线。 线投影等技术，如果用光学的方法制作等间隔的平行平面来照明物体，在与照明平面垂直的方向上观察物体的话，就难以看到物体的等高线图。 干涉线投影技术，9.4散斑法，(1)散斑现象：观察到当激光照射到某一粗糙表面时，被照射区域在明暗之间有许多杂乱的明暗斑和暗斑，此现象称为散斑。 原因：粗糙表面(或散射介质)的散射光干涉而形成。 9.4.1散斑的概念和统计性质， 开头：散斑条纹的对比度受到噪声的发展影响：符合单一斑点的大小和位置随机分布的所有斑点的综合统计规则的漫反射面散斑场物体表面的各点的运动散斑场的运动启发：散斑运动3 54种形成位移、应变、应力、散斑的条件：粗糙表面和相干光照射下，客观(直接)散斑：粗糙表面的散射光干涉面直接形成。 主观(成像)散斑：在成像光群像面上的p点形成散斑。 (2)散斑大小、空间结构：随机分布粒子形状通过使用两个相邻亮点之间的统计平均值来定义散斑的平均尺寸。 对于圆形照明区域，散斑的横向平均直径结论：散斑的横向平均直径与照明区域的大小相关，较大的照明区域对应于较大的u值，散斑变小，相反变大。(3)散斑的光强度分布、散射波相位不规则地分布在02的范围内，且在同偏振光下，散斑强度概率分布得出了最可能出现的强度接近0，即黑散斑比其他强度的散斑多的结论。 9.4.2散斑计量技术，(1)散斑照相法的物体表面运动与散斑场运动有确定性关系。 初次拍摄：底片上记录了物体面的散布图。 第二次拍摄：物体变形后进行，在同一底片上记录了两个散布图。 物镜孔径角u不变化，两个散斑图案相同。 位置随着物体表面的移动而移动。 测量两个散布图的移动量，就知道物体表面的移动量。 (2)散斑干扰方法通过将另一均匀的激光束与散斑图案组合作为参考波束或通过组合两个散斑图案来产生干扰作用，以获得第三散斑干扰图案，且分析和测量这第三散斑干扰图案9.4.3电子散斑干涉测量技术，优点：采用CCD记录物面散斑场的光强度信息，可在显示干涉条纹、快速方便的照明室内操作，使用便于工作人员的图像采集卡的高帧率来采集散斑场信息，对工作环境条纹以数字形式存储，条纹后处理容易，结合计算机技术自动分析条纹。 (electronectroperspeckerpatterninterferomery，ESPI )应用：测量物体的位移、变形并进行无损检测；(1)测量离面位移的电子散斑干涉系统；r点和成像透镜的光束共轭，参考光束从o点出射电视摄像机记录并保存散斑图案。 (2)在测量面内位移的电子散斑干涉系统中，两个相干平面波激光束以相同入射角I平行于法线的两侧入射到粗糙面上。 由物体面散射的光经由物镜在电视摄像机的摄像管平面上成像。 摄像管平面垂直于物体面的法线，记录并保存散布图。 光传感器和光检测技术，9.5摩尔技术，2020/6/11，51，光传感器和光检测技术，2020/6/11，52，光传感器和光检测技术，播放中点击准备演示，2020/6/11，53，光传感器和光检测技术，点击准备演示， 概念，2020/6/11，55，光传感器和光检测技术，2020/6/11，56，光传感器和光检测技术，2020/6/11，57，光传感器和光检测技术，明带：光透射面积大，黑带：相互隔离，(a )光栅I，(b )光栅I 58、光传感器和光检测技术，、m、a、b、c、d、d，m、a、b、c、d、光栅I，光栅II，云纹，2020/6/11，59，光传感器和光检测技术，把所有阶数的代数和Mi Ni相同的衍射光束称为(Mi Ni )等级群光束，它们具有相同的传播方向。、G1，G2，-1，0，、1，G2，- 1，、2，0，0，、1，、1，1，1，、 通过，1，2020/6/11，62，光传感器和光检测技术，2020/6/11，63，光传感器和光检测技术，基本原理，光栅和光栅向物体表面投影，形成莫尔条纹，同一水平的莫尔条纹从物体表面的主光栅起的深度为相同的等高线分布，三维物体的形态测量2020/6/11，64，光传感器和光检测技术，n次等高线深度：、d、l、p、1、2、n、衍射光栅：hN、d :观察者与光源的距离。 p :晶格常数，l :光源和光栅间的距离，65，光传感器和光检测技术：，G1，L1，C2，G2，L2，b，l，h1，h2，b:L1到L2的距离。l :透镜L1和L2到物体表面的距离，f :透镜L1和L2的焦距，p :光栅G1和G2的光栅间距，2020/6/11，66，n级等高线深度：光传感器和光检测技术，2020/6/11，67，光传感器和光检测技术，9.6激光测距，序列火灾控制系统、飞机防撞系统、大地测量、天体测量两种：脉冲测距法：军事用途等非合作目标(使用反射能力差能量集中狭窄的脉冲测距)连续波测距(频率调制法、相位法):合作目标，9.6.1脉冲测距原理，原理3:点： 3360点测距机、光电系统：光转换、放大整形电路的计数部分：电子门、时钟发生器、计数器、测得的脉冲的渡越时间：定时脉冲数时钟周期、接收脉冲和时钟不同步，有一个周期的测量误差。 目标距离：分辨率：时钟频率越高，距离分辨率越好。 如何在低时钟频率下获得高精度的距离测量？ 内差分时间扩展测距法，测定脉冲渡越时间：用一个RC电路放大T1、T2。 T1小时对电容器充电，用大电阻缓慢放电，保证放电时间与充电时间成正比。 目前，脉冲法的不合作目标测距在大气层中的最大测距距离约为30km，精度达到数十厘米。 主要影响因素：大气吸收、雾、雨、雪、烟等散射限制了作用距离。 激光测距在卫星定位、天体测量中有重要应用。 9.6.2连续波测距适用于合作目标测距。 1频率调制法的测距原理：利用啁啾微波信号，对连续输出的激光进行光强度调制，接收目标回波后，通过比较收发信号的调制波形的频率差来确定目标距离。 啁啾微波信号的发射频率为：距离r处的目标反射光信号的频率为：发射信号与回波信号的频率差为：最大测距范围：从发射点到接收点的往返距离：用长度的尺测量d，二相法测距原理：用单频率电信号对激光进行光强度调制，通过检测回波与发射信号的相位差来测量目标距离、重要：测量发射波和反射波的相位差。 问题：只能得到相位差的尾数必须放大尺寸，D。 由于鉴识器的相对精度达到了0.1%，所以绝对精度很低。 解决方法：“粗尺”和“细尺”组合测量。 例如：为了测定625.45m的距离，以1000m的粗糙度测定：以10m的细度测定625m :以5.45m得到距离625.45m。 9.7激光多普勒速度技术，引言应用：流体力学测量，如流速分布、湍流、燃烧、爆炸的优点：无损伤流场，9.7.1光学多普勒效应，多普勒效应原理：当观察者对光源以速度v运动时，观察者波的频率发生了变化：光学多普勒效应速度原理：悬浮在流体中的微粒随着流体的运动，散射光束会引起多普勒位移。 通过测量频率来测量流体的速度。 来自光源的光照射粒子并散射，被观察者接收，产生2次频率偏移：粒子接收的光波的频率是光源，由于粒子的相对运动产生频率偏移：观察者接收的光波的频率是粒子，由于观察者的相对运动产生频率偏移：观察者感受到的频率偏移9.7.2差动