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激光绝对距离测量技术

发布时间:2020-07-27 00:51 作者:沙龙sa36

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  绝对距离测量技术综述 讲解:XXX 内容提要 1 2 3 3 4 3 研究背景 测量方法分类 多波长测量原理 发展现状 前景展望 5 1.1 3 测量需求 大型零件尺寸超出一般工具测量范围,给测量带来困难 葛州坝水电站水轮机的定子和 转子的尺寸都在16m以上 ? 要制造出高精度的大尺寸零件,必须在加工过程中不断进行 检测,因而测量精度的高低对零件的制造起着非常重要的作 用 1.2 3 测量方法 ? 大尺寸测量可分为: 位移测量和绝对距离测量 位移测量: 作为干涉条纹计数测长方法典型代表的双频激光干涉仪已经 可以在很高精度(5×10-7L,L是被测距离)下测到六十米的距离 但是,由于干涉条纹计数测长需要配备供测量镜移动的精密导 轨,并且测量过程不能中断,因此,其应用范围受到了限制 绝对距离测量: 二十多年来,随着激光技术、红外技术的发展,世界各工 业发达国家为满足无导轨高精度测量大长度的需要,相继 开展了以多波长小数重合法为基础的红外激光绝对法干 涉测距(即绝对距离干涉计量)的研究工作。 内容提要 1 2 3 3 4 3 研究背景 测量方法分类 多波长测量原理 发展现状 前景展望 5 2 3 绝对距离测量方法分类 绝对距离测量技术区别于相对位移测量的主要特征是在测量过 程中无需借助导轨,因此绝对距离测量又称为无导轨测量。 绝对距离测量方法主要包括非相干测量法和干涉测量法 液摆 2.1非相干测量 非相干测量法也称为飞行时间测量法,主要有脉冲测距法和相 位差测距法 脉冲测距法: 测量仪器发出一个短脉冲信号,该信 号经目标点反射返回,在经过了两倍 的待测距离后被仪器重新接收。通 过测量从发射到接收到同一脉冲信 号的时间间隔t,可以获得距离值: L=ct/2 液摆 cN L? 2 f0 2.1非相干测量 相位差测距法: 测距仪对激光进行强度调制,通过测量调制光波往返被测距离一 次所产生的相位延迟确定往返时间t,从而得到这一相位延迟所代 表的距离值 ? =?t ? 2? ft t ? ? / 2? f ct ? ? L? ? ? 2n 2n 2? ?为延迟的相位 注: 相位法测量过程中相位差只 能介于0-2π而大量程测距时 会导致相位差大于2π,从而 导致多值性问题 相位差测距法示意图: ct ? ? L? ? ? 2n 2n 2? 2.2干涉测量 绝对距离干涉测量法分为: 多波长激光干涉测量法和调频激光干涉测量法 本节先简要介绍调频干涉测量法 多波长法及其原理将在下章详细介绍 调频激光干涉测量技术基本原理: 通过连续调制单纵模激光器的激 光频率,使得臂长差不为零的迈克 尔逊干涉仪中两相干光波的相位 差周期性变化,形成光拍,因此即使 干涉仪保持静止状态也可以输出 交变光电信号,并从信号中提取包 含被测长度的信息,实现绝对距离 测量。 主要应用于半导体激光器。 根据对半导体激光器激光频率的调制方式的不同,调频激光干涉 测量方法可分为三种: 线性调频法(三角波调频和锯齿波调频) 正弦调频法 移相法 下图为清华大学研制的半导体激光器大尺寸绝对距离测量系统 采用三角波电流调制半导体激光器,调频范围为165GHz 内容提要 1 2 3 3 4 3 研究背景 测量方法分类 多波长测量原理 发展现状 前景展望 5 3 多波长测量原理 3.1发展背景 传统干涉仪: 1)需要导轨,计时从始态到终态全部过程,中间不允掉电 2)计数时间长,测量长度较大时耗时时间长,易受环境影响 3)无零位,增量式,不能测量绝对位移 液摆 3.1发展背景 ct ? ? L? ? ? 2n 2n 2? 相位法测量过程中相位差只能介于0-2π, 故最大可测量程为: Lmax ? ? 2n 因此需借助其他方法来扩展测量范围, 以满足大量程测量的需求 3.1发展背景 由此提出合成波长(多波长)激光干涉 测量方法来扩展测量范围,满足大尺寸 测量需求。 3.2合成波长法 多波长干涉计量是剩余小数法的发展。C.R Tilford在此理论上 作出了重要的贡献。 主要归纳为如下两个基本思想: 1)利用若干单波长组合出长度不同的合成 波长链 2)利用不同的合成波长,逐次求解被测长度 使被测量真值被逐次搜索—-即逐级精化。 以双波长测量为例,设参与干涉测量的两光波 分别为λ1和λ2(不妨设λ1λ2),对于被测距离L 用两波长分别测量后,有如下公式成立: 设距离的初测值为Lc,不确定度为ΔLc,若选定合适的激光 波长,使得初测不确定度满足条件: ΔLc λs/4-ΔLp,则 式中ΔLp为干涉级小数测量的不确定度 绝对距离测量最终归结为相位测量 测得相位即可获得对应的小数级次 测相分为三种方法: 拍波法 外差法 超外差法 拍波法: 根据同时发射的两个单波长光波形成的空间拍波信号幅值与光 程差的关系,通过测量幅值零点所对应的光程差的变化量得到 相应的合成波小数级次 外差法: 通过将各单波长光波外差信号与同频率参考信号进行比相处理 直接得到单波长小数级次。它的工作原理如图所示 ?A ?B ?B ? ? A ?? 2? ?B ? ? A ?? ?1 2? ?B ? ? A ?B ? ? A 一般侧相方法的难点: 1)各个波长的相位应该同时测出 2)两个单波长信号应该能够分开 ?1 ? ?2 ?s ? ?1 ? ?2 3)原始单波长信号应该有高稳定度 超外差法: AOFS1 Reflector v1+f1 f1 BS Z λ/4 v2+f2 v1+f1 v1 v2 λ/4 P v1 Laser 1 45? PBS1 v1 PBS3 Laser 2 v2 45? PBS2 v2 f2 PBS4 PBS5 L v2+f2 PD AOFS2 接收到的合成光强I(t)为: I (t ) ? a0 ? a1 cos(2? f1t ? ?1 ) ? a2 cos(2? f 2t ? ?2 ) ?1 ? 4? ? v1L ? (v1 ? f1 )Z ? c ?2 ? 4? ?v2 L ? (v2 ? f 2 )Z ? c 两外差信号再叠加形成: 超外差信号 外差 超外差 外差 ?1 ? 4? ? v1L ? (v1 ? f1 )Z ? c ?2 ? 4? ?v2 L ? (v2 ? f 2 )Z ? c ?1r ? 4? (v1 ? f1 ) Z c ?2r ? 4? (v2 ? f 2 ) Z c ?1m 与测量臂有关的相位 ?1m 与 ? 2 m 随 L 值变化而变化 4? 4? L ? v1L ? c ?1 ?2 M 4? 4? L ? v2 L ? c ?2 ?s ? ?1m ? ?2 m ?1 ? ?2 4? L ? 4? L ? ?1?2 ?s 探测器后加入低通滤波器(LPF) 仅使拍频信号f 2 ? f1通过滤波器,则可得到信号 I 2 LPF (t ) ? b0 ? a1a2 cos[2? ( f2 ? f1 )t ? ?s ] 1 2 2 b0 ? a0 ? (a12 ? a2 ) 2 ?s? s L? 4? 频率可由声光移频器进行设定,为了减小 测相单元的测量难度,通常频率值在KHz级别内 超外差优点: 1)实现了合成波长相位的实时测量 2)避免了外差方案中对纵模信号的分别检测, 从而克服了模耦合误差。 3)利用低频超外差信号即可获得相位信息 降低了测相模块混频环节的技术难度 内容提要 1 2 3 3 4 3 研究背景 测量方法分类 多波长测量原理 发展现状 前景展望 5 1.1892年把国际标准米尺与Cd谱线波长相比较提出了小数重合法 激光出现以后,基于小数重合法进行无导轨测长 2.1976年,G.L Bourder和A G.Orszag首先报导了使用CO2激 光器 进行多波长干涉测长 3.1983年,日本计量研究所的H Matsumoto提出用He—Ne3.39um 单波长和He-Ne3.37um,3.51um双谱线.同年,C L.Bourder利用两支波导CO2激光器,实现变波长 绝对距离测量 5.1985年,中国计量院陈元吕等人制成了以Zeeman激光为光源 的无导轨测长仪 6.1986午,H.Kikuta进行了半导体激光外差干涉测长的研究 7.清华大学的梁晋文教授等人用He-Ne3.39um激光实现多波长 无导轨测长 内容提要 1 2 3 3 4 3 研究背景 测量方法分类 多波长测量原理 发展现状 前景展望 5 5.1亟待解决的问题 5.2发展趋势 在绝对测量领域,计量技术正向着高精度,大范围,小型 化,实用化方向发展,预计以下几项技术将会得到应用: 1)由于对测量精度的要求越来越高,波长更短的激光器 如X射线激光器将会在干涉计量仪器得到广泛应用 2)利用自适应光学技术来消除大气的影响 3)集成光学技术的应用


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