典型光电测试系统.pptx

1针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。本章列标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。本章列举一些典型光电测试系统，介绍光电测试系统的工作举一些典型光电测试系统，介绍光电测试系统的工作原理和应用。原理和应用。光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特点。光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特点。l 光电开关与光电转速计光电开关与光电转速计 l 莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 l 激光测距仪激光测距仪 l 激光干涉测量仪激光干涉测量仪l 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪 l 光弹效应测力计光弹效应测力计 第七章第七章 典型光电测试系统典型光电测试系统27.1 7.1 光电开关与光电转速计光电开关与光电转速计光电探测器输出开关量光电探测器输出开关量结构较为简单、工作可靠、寿命长结构较为简单、工作可靠、寿命长3l光电开关光电开关分为主动型光电开关和被动型光电开关。分为主动型光电开关和被动型光电开关。主动型光电开关主动型光电开关由由LEDLED管和光电二极管、光电三极管或光电管和光电二极管、光电三极管或光电达林顿管组成。达林顿管组成。被动型光电开关被动型光电开关主要由光敏电阻、光电二极管等组成主要由光敏电阻、光电二极管等组成。4（1 1）透射分离型）透射分离型主动主动开关（键盘）开关（键盘）用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火等控制。5（2 2）反射型）反射型主动主动开关开关距离足够近距离足够近遇到障碍反射遇到障碍反射光如：防盗器光如：防盗器用于狭窄区域用于狭窄区域液位自动控制液位自动控制液位上升，光通量下液位上升，光通量下降如：汽油液位探测降如：汽油液位探测6（3 3）光电耦合器（）光电耦合器（主动主动）n 发光管接在低压电路中，光电三极管接在高压电路中，低压控制高压隔发光管接在低压电路中，光电三极管接在高压电路中，低压控制高压隔 离、安全离、安全n 也可形成固态继电器也可形成固态继电器n 过载保护电路开关过载保护电路开关7（4 4）编码计数型）编码计数型主动主动开关开关n 可用于计数、编码可用于计数、编码n 根据脉冲的周期和个数计算快门时间根据脉冲的周期和个数计算快门时间n 工业流水线上的产品计数、工件尺寸测量、医用液滴计数工业流水线上的产品计数、工件尺寸测量、医用液滴计数8（5）被动被动开关开关n 利用自然光源（因此称被动）：人体、其它热源、太阳光等，红外居多。利用自然光源（因此称被动）：人体、其它热源、太阳光等，红外居多。n 热释电器件为光敏元件，只响应突变或交变信号；对光谱无选择性。热释电器件为光敏元件，只响应突变或交变信号；对光谱无选择性。n 球面反射镜聚光。球面反射镜聚光。n 如自动门系统、报警系统（火焰报警、火车车轮故障自动报警等）。如自动门系统、报警系统（火焰报警、火车车轮故障自动报警等）。9l 光电转速计光电转速计一般转速计：一般转速计：测量范围小、精度不高、刚性接触（附加负测量范围小、精度不高、刚性接触（附加负荷），不适合小功率测量。荷），不适合小功率测量。光电转速计避免上述缺点，可以实现测量自动化和数字化光电转速计避免上述缺点，可以实现测量自动化和数字化广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机床的广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机床的转速测量和调节中。转速测量和调节中。10只要测出频率，就可以得到转速只要测出频率，就可以得到转速带孔的盘带孔的盘带锯齿的盘带锯齿的盘带黑白反射带黑白反射块的盘块的盘l 转速计测量原理转速计测量原理光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源：发光二极管光源：发光二极管 11n 计数测量法计数测量法（1 1）测量被测信号脉冲数）测量被测信号脉冲数（2 2）时基信号（控制闸门，精确已）时基信号（控制闸门，精确已知）知）（3 3）测高频精度高，低频相对误差）测高频精度高，低频相对误差增大增大n周期测量法周期测量法（1 1）固定的高频脉冲做参考，精确）固定的高频脉冲做参考，精确 已知已知（2 2）信号脉冲控制闸门）信号脉冲控制闸门（3 3）低频精度高，高频相对误差增）低频精度高，高频相对误差增 大大l 频率测量法频率测量法127.2 7.2 莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 l 特点特点（1 1）莫尔条纹携带一维信息：测长度、角度等。）莫尔条纹携带一维信息：测长度、角度等。（2 2）莫尔条纹携带三维信息：测应变、平面度、液体薄膜厚度、）莫尔条纹携带三维信息：测应变、平面度、液体薄膜厚度、医学诊断、机器视觉。医学诊断、机器视觉。l 莫尔条纹定义莫尔条纹定义 将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）栅）叠加叠加在一起，并使它们的栅线有一在一起，并使它们的栅线有一小的交角小的交角。当光栅对之。当光栅对之间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源看过去，有一组垂直于光栅运动方向的看过去，有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动明暗相间的条纹移动，此移动的条纹被称为莫尔条纹。此移动的条纹被称为莫尔条纹。13 常常用用的的光光栅栅，其其栅栅距距(相相邻邻栅栅线线之之间间的的距距离离)大大于于0.01mm0.01mm，称称为为黑黑白白光光栅栅。这这时时光光栅栅栅栅距距远远大大于于光光波波长长，两两个个光光栅栅叠叠合合在在一一起起，形形成成莫莫尔尔条条纹纹。当当使使用用更更小小栅栅距距的的位位相光栅时，莫尔条纹就是由相光栅时，莫尔条纹就是由衍射衍射和和干涉干涉形成的。形成的。14l 长光栅莫尔条纹长光栅莫尔条纹 常用光栅其栅距大于常用光栅其栅距大于0.01mm时，光栅栅距远大于光波长时，光栅栅距远大于光波长称为黑白光栅，两个光栅叠合在一起，形成莫尔条纹。称为黑白光栅，两个光栅叠合在一起，形成莫尔条纹。长光栅莫尔条纹形成原理长光栅莫尔条纹形成原理15(1)(1)莫尔条纹方程莫尔条纹方程 主光栅主光栅A A的刻线方程为的刻线方程为 指示光栅指示光栅B B的刻线与轴的交点的坐标为的刻线与轴的交点的坐标为莫莫尔尔条条纹纹1 1是是由由A A、B B两两光光栅栅各各同同编编号号刻刻线线的的交交点点连连接接而而成成，其莫尔条纹其莫尔条纹1 1的方程求解如下：的方程求解如下：a.a.条纹上除条纹上除(0,0)(0,0)点外任意一点的坐标：点外任意一点的坐标：16b.莫尔条纹莫尔条纹1的斜率为的斜率为c.莫尔条纹莫尔条纹1的方程可表示为的方程可表示为17（2）结论）结论莫尔条纹是周期函数，其周期莫尔条纹是周期函数，其周期T=P2/sinT=P2/sin ，又称为莫尔条又称为莫尔条纹的宽度纹的宽度B。0，P1=P2，莫莫尔尔条条纹纹与与x轴轴夹夹角角为为/2,当当很很小小时时，莫莫尔尔条条纹纹与与y轴轴近近似似垂垂直直，此此时时得得到到近近似似“横横向向莫莫尔尔条条纹纹”。0，P2=P1cos,得到严格的横向莫尔条纹得到严格的横向莫尔条纹=0,P1P2,得到纵向莫尔条纹得到纵向莫尔条纹 其它情况均为斜向莫尔条纹其它情况均为斜向莫尔条纹18不同形式的长光栅莫尔条纹不同形式的长光栅莫尔条纹 栅栅线线夹夹角角很很小小，可可以以观观察察到到随随光光栅栅的的移移动动，某某点点透透过过的的光光强强呈呈现现明明暗暗交交替替变变化化，这这就就是是莫莫尔尔条条纹纹的的调调制制作作用用。莫莫尔尔条条纹纹把把光光栅栅位位移移信信息息转转变变成成光光强强随随时时间间变变化化的的信信号号。在在空空间间上上光光栅栅移移动动的的周周期期为为p，而而莫莫尔尔条条纹移动的周期是纹移动的周期是B。莫尔条纹有放大作用。莫尔条纹有放大作用。19l 圆光栅莫尔条纹圆光栅莫尔条纹 两两块块圆圆形形光光栅栅重重叠叠在在一一起起也也可可形形成成莫莫尔尔条条纹纹，利利用用圆圆光栅莫尔条纹可以直接进行光栅莫尔条纹可以直接进行角度测量角度测量。圆圆光光栅栅可可分分为为径径向向圆圆光光栅栅和和切切向向圆圆光光栅栅。径径向向圆圆光光栅栅的的刻刻线线都都从从圆圆心心向向外外辐辐射射，切切向向圆圆光光栅栅的的刻刻线线都都切切于于一一个个小小圆。圆。20n 径径向向光光栅栅莫莫尔尔条条纹纹是是由由两两块块栅栅距距角角相相同同的的径径向向光光栅栅保保持持一一个个较小的较小的偏心量偏心量叠合形成圆弧莫尔条纹。叠合形成圆弧莫尔条纹。n切切向向光光栅栅莫莫尔尔条条纹纹是是由由两两块块刻刻线线数数相相同同、切切向向方方向向相相反反而而切切线线圆半径不同的切向圆光栅同心叠合得到的莫尔条纹。圆半径不同的切向圆光栅同心叠合得到的莫尔条纹。径向光栅莫尔条纹径向光栅莫尔条纹（圆弧形）（圆弧形）切向莫尔条纹切向莫尔条纹（圆环形）（圆环形）21径向光栅莫尔条纹，在沿着径向光栅莫尔条纹，在沿着偏心的方向上偏心的方向上，产生近似，产生近似平行平行于栅线于栅线的纵向莫尔条纹；在位于与偏心方向的纵向莫尔条纹；在位于与偏心方向垂直垂直的位置上的位置上产生近似产生近似垂直于栅线垂直于栅线的莫尔条纹；其它方向为斜向莫尔条的莫尔条纹；其它方向为斜向莫尔条纹。纹。切向莫尔条纹是切向莫尔条纹是圆环形圆环形的，把它称作圆环莫尔条纹。的，把它称作圆环莫尔条纹。22 当当长长光光栅栅固固定定，指指示示光光栅栅相相对对移移动动一一个个栅栅距距，莫莫尔尔条条纹纹就就变变化化一一个个周周期期。一一般般情情况况下下指指示示光光栅栅与与工工作作台台固固定定在在一一起起。通通过过对对指指示示光光栅栅和和长长光光栅栅形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。n 指示光栅移动的距离指示光栅移动的距离x x ：x=NP+x=NP+P P为光栅栅距，为光栅栅距，N N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，小于一小于一个光栅栅距的小数。个光栅栅距的小数。（1 1）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数N N进行计数；进行计数；（2 2）实际系统利用）实际系统利用电子细分方法电子细分方法将莫尔条纹的一个周期细分。将莫尔条纹的一个周期细分。l 莫尔条纹测长原理莫尔条纹测长原理23n 细分判向原理细分判向原理（1 1）四倍频细分透镜读数头）四倍频细分透镜读数头 1、灯泡、灯泡2、聚光镜、聚光镜3、长光栅、长光栅4、指示光栅、指示光栅5、四个柱面聚光镜、四个柱面聚光镜6、狭缝、狭缝7、四个光电二极管、四个光电二极管24（2 2）读数头构成特点及信号处理过程）读数头构成特点及信号处理过程（1 1）四四个个柱柱面面聚聚光光镜镜布布置置在在莫莫尔尔条条纹纹的的一一个个周周期期内内，接接受受光光栅栅透透 过的光能，它们相互之间相差过的光能，它们相互之间相差1/41/4个莫尔条纹周期。个莫尔条纹周期。（2 2）在在每每个个柱柱面面聚聚光光镜镜的的焦焦点点上上布布置置一一个个光光电电二二极极管管，进进行行光光电电转换。转换。（3 3）指指示示光光栅栅移移动动一一个个栅栅距距，莫莫尔尔条条纹纹变变化化一一个个周周期期，则则四四个个光光电电二二极极管管分分别别输输出出相相位位差差为为9090度度的的近近似似正正弦弦信信号号，该该信信号号整整形形后得到相差后得到相差9090度的度的方波脉冲信号方波脉冲信号（4 4）莫莫尔尔条条纹纹变变化化一一个个周周期期，计计数数器器中中的的到到4 4个个方方波波脉脉冲冲，提提高高分辨力分辨力25（5 5）采用可逆计数器，可以判断指示光栅的移动方向）采用可逆计数器，可以判断指示光栅的移动方向（3 3）信号处理电路方框图）信号处理电路方框图 26（4 4）整形、细分、判向电路的更详细的方框图示意）整形、细分、判向电路的更详细的方框图示意2728n说明说明（1）光电二极管的输出信号）光电二极管的输出信号U1U4是包含是包含直流分量直流分量的正弦的正弦 信号（信号（取样信号取样信号）。）。（2）差放差放后滤掉直流分量，它们的表达式很清楚的表明这后滤掉直流分量，它们的表达式很清楚的表明这4 个差放信号是依次相差个差放信号是依次相差90度的正弦信号。度的正弦信号。（3）鉴零器鉴零器将正弦信号整形为将正弦信号整形为方波方波，正弦信号每过零一，正弦信号每过零一 次，鉴零器就翻转一次，同时为后续的数字电路提供次，鉴零器就翻转一次，同时为后续的数字电路提供 判向信号。判向信号。29（4 4）方波信号经）方波信号经微分微分后得到计数器可用的尖脉冲。后得到计数器可用的尖脉冲。（5 5）Q+Q+和和Q-Q-控控制制触触发发器器，触触发发器器的的输输出出加加到到计计数数器器的的加加减减控控制制端端（6 6）Q+Q+和和Q-Q-经经或或门门得得到到计计数数尖尖脉脉冲冲，尖尖脉脉冲冲经经过过单单稳稳整整形形后后输输出出 到可逆计数器的计数时钟端进行计数。到可逆计数器的计数时钟端进行计数。3031l 置零信号的产生置零信号的产生为得到测长的为得到测长的绝对值绝对值，设置零位光栅，给计数器清零。，设置零位光栅，给计数器清零。单独加光电转换系统和处理电路。单独加光电转换系统和处理电路。零位光栅不采用单缝而采用一组非等宽的零位光栅不采用单缝而采用一组非等宽的黑白条纹黑白条纹。当。当与另一个零位光栅重叠时，就能给出单个与另一个零位光栅重叠时，就能给出单个尖三角脉冲尖三角脉冲。此尖脉冲作为测长计数器的置零信号。此尖脉冲作为测长计数器的置零信号。32零位光栅零位光栅透过的光能量脉冲33l特点特点 激激光光方方向向性性好好、亮亮度度高高、波波长长单单一一，故故测测程程远远、测测量量精精度度高高。且且激激光光测测距距仪仪结结构构小小巧巧、携携带带方方便便，是是目目前前高高精精度度、远距离测距最理想的仪器。远距离测距最理想的仪器。7.3 7.3 激光测距仪激光测距仪l激光测距仪分类激光测距仪分类（1 1）脉冲激光测距仪）脉冲激光测距仪（2 2）相位激光测距仪）相位激光测距仪34l 脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪n 测距原理测距原理 由激光器对被测目标发射一个由激光器对被测目标发射一个光脉冲光脉冲，然后接收系统接收，然后接收系统接收目标目标反射回来的光脉冲反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的，通过测量光脉冲往返所经过的时间时间来算出目标的距离。来算出目标的距离。L为目标距离，为目标距离，2L为光脉冲往返所走过的距离。为光脉冲往返所走过的距离。t为光脉冲往返所经过的时间。为光脉冲往返所经过的时间。35n 脉冲测距仪原理脉冲测距仪原理(1)(1)开开关关1515闭闭合合：清清计计数数器器1313；置置触触发发器器8 8、9 9为为1,1,即即Q8Q81,1,O9=1O9=1；发发射射激激光光脉冲。脉冲。(2)(2)取取样样参参考考信信号号回回波波：使使触触发发器器8 8置置0 0，即即Q8=0,Q8=0,打开异或门打开异或门1111，计数器，计数器1313计数。计数。(3)(3)测测量量信信号号回回波波：同同或或门门1010使使得得信信号号负负脉脉冲冲可可以以通通过过，置置触触发发器器9 9为为0 0，关关闭闭1111，1313停止计数。停止计数。36各各级级波波形形逻逻辑辑关关系系测量分辨率测量分辨率 时钟振荡频率取得时钟振荡频率取得愈高，则测量分辨率愈高。愈高，则测量分辨率愈高。但是最小分辨距离并不由但是最小分辨距离并不由计数系统计数系统单独单独可以提高，可以提高，它主要取决于它主要取决于激光激光脉冲的上升时间脉冲的上升时间。n 脉冲测距仪原理脉冲测距仪原理37n 发射系统发射系统 发发射射系系统统一一般般由由激激光光器器、电电源源和和发发射射望望远远系系统统组组成成。激激光光器器输输出出的的光光脉脉冲冲峰峰值值功功率率极极高高，峰峰值值功功率率在在兆兆瓦瓦量量级级，脉脉冲冲宽宽度度在在几几十十毫毫微微秒秒量量级级。发发射射望望远远系系统统是是倒倒置置的的伽伽利利略略望望远远镜镜，它它可可使使激激光光的的发发散散角角进进一一步步压压缩缩，一一般般输输出出激激光光发发散散角角在在（10e-210e-3）rad范范围围以以内内。单单位位立立体体角角的的光光能能量量得得到到提提高高，目目标标所所得得到到的的照照度度也也相相应应提提高高，有有利利于于提高作用距离。提高作用距离。38（1 1）半导体激光器半导体激光器作用距离近、体积小、轻便的特点，易于近距离（作用距离近、体积小、轻便的特点，易于近距离（2km2km以内）使以内）使 用。用。（2 2）固体调固体调Q Q激光器激光器使用最为广泛。钕玻璃和钇铝石榴石作激光工作物质的固体激使用最为广泛。钕玻璃和钇铝石榴石作激光工作物质的固体激 光器，发射波长为光器，发射波长为1.06m1.06m，人眼不敏感，隐蔽性好，广泛用于军事目的。，人眼不敏感，隐蔽性好，广泛用于军事目的。（3 3）红宝石红宝石作为工作物质的固体激光器工作波长为作为工作物质的固体激光器工作波长为0.6943m0.6943m，适合于气象研究，适合于气象研究 等。这种器件功率可以做得大，已经用它实现了对月测距（不过测距时，不等。这种器件功率可以做得大，已经用它实现了对月测距（不过测距时，不 是接受月球的漫反射光，而是月球上放置一个角反射镜，它可以把接收到的是接受月球的漫反射光，而是月球上放置一个角反射镜，它可以把接收到的 激光按原方向反射回去）。激光按原方向反射回去）。（4 4）CO2CO2激光器激光器工作波长为工作波长为10.6m10.6m，在大气中传播损失最小，因此受大气影响最，在大气中传播损失最小，因此受大气影响最 小，功率也大，最适合于军事目的。小，功率也大，最适合于军事目的。39n 接收系统接收系统 接接收收系系统统由由接接收收光光学学系系统统、光光电电探探测测器器、低低噪噪声声宽宽带带放放大大器器和和整整形形电电路路组组成成。脉脉冲冲激激光光回回波波信信号号通通过过接接收收物物镜镜、小小孔孔光光阑阑3 3及及干干涉涉滤滤光光片片4 4后后到到达达光光电电探探测测器器5 5上上，光光电电探探测测器器把把光光信信号号转转变变成成电电信信号号，再再经经过过低低噪噪声声宽宽带带放放大大器器送送到到整整形电路。形电路。40n 相位测距原理相位测距原理（1 1）发射系统发射按频率）发射系统发射按频率f f0 0变化的正弦调制光波变化的正弦调制光波（2 2）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的 电信号电信号（3 3）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离反射棱镜反射棱镜l 相位激光测距仪相位激光测距仪41（2）计算过程：）计算过程：，其中，其中为相位差角，为相位差角，0为光波调制频率为光波调制频率（1）（2）（3）其中其中，称为，称为光尺光尺；42（3）“多尺多尺”测量的概念（注意相对精度）测量的概念（注意相对精度）43n相位检测原理相位检测原理(差频测相差频测相)（1 1）尽尽量量提提高高光光波波调调制制频频率，可提高测量精度率，可提高测量精度（2 2）相相位位计计一一般般工工作作在在低低频频44n 相位测距仪原理相位测距仪原理（1 1）为某频率的正弦电流驱动）为某频率的正弦电流驱动 发光二极管输出同相位正弦发光二极管输出同相位正弦 变化的光波。变化的光波。（2 2）两个测尺，频率分别为）两个测尺，频率分别为 f1=15MHz,f2=150kHzf1=15MHz,f2=150kHz（3 3）两个本振信号为）两个本振信号为f1-fc,f1-fc,f2-fc(fc=4kHZ)f2-fc(fc=4kHZ)（4 4）主振信号与本振信号混频）主振信号与本振信号混频 后得到低频信号，但保持后得到低频信号，但保持 高频的相位。高频的相位。45n 测量误差及校正测量误差及校正 由于实际仪器中电路各环节总会有由于实际仪器中电路各环节总会有时间延迟时间延迟而引入相而引入相移，仪器内部光学系统中有一段移，仪器内部光学系统中有一段光路长度光路长度，并且光学，并且光学零件零件有折射率有折射率等，这些相移将引入误差，但这个数值是等，这些相移将引入误差，但这个数值是固定固定的。的。在在测量以前测量以前，光路转换设备将三角棱镜移近发光二极，光路转换设备将三角棱镜移近发光二极管前面，对内光路测一次，然后把这个测量结果在正式测管前面，对内光路测一次，然后把这个测量结果在正式测距结果中减去，就可得到距结果中减去，就可得到校正值校正值。467.4 7.4 激光干涉测量仪激光干涉测量仪（1 1）光波干涉原理）光波干涉原理（2 2）干涉测量大都是非接触测量）干涉测量大都是非接触测量（3 3）测量灵敏度和精度都很高）测量灵敏度和精度都很高（4 4）应用广泛：位移、长度、角度、面形、介质折射）应用广泛：位移、长度、角度、面形、介质折射 率变化、振动等。率变化、振动等。(5)(5)系统由光源、干涉系统、干涉信号接收系统和信系统由光源、干涉系统、干涉信号接收系统和信 号处理系统组成。号处理系统组成。l 概述及特点概述及特点47l 双频激光测长仪测长原理双频激光测长仪测长原理f1,f2圆偏振光圆偏振光（f2-f1=12MHz）B1分束镜分束镜B2偏振分束镜偏振分束镜P1，P2检偏振器检偏振器D1，D2探测器探测器C1，C2计数器计数器/4波片（作用）波片（作用）48n 工作过程工作过程（1 1）f1,f2中少部分被中少部分被B1反射，经反射，经P1形成两束频率相近，振动方形成两束频率相近，振动方 向相反的线偏振光向相反的线偏振光f1,f2，拍频，拍频f2-f1。D1探测转换成交流信探测转换成交流信 号，号，C1计数计数f2-f1交流成分。（交流成分。（参考信号参考信号）（2 2）透过）透过B1和和1/4波片的两束光，由于振动方向相互正交，在偏波片的两束光，由于振动方向相互正交，在偏 振分束镜振分束镜B2处分开。处分开。f1光束全部反射到固定角锥棱镜光束全部反射到固定角锥棱镜M1 上。上。f2光束全部透过投射到可移动角锥棱镜光束全部透过投射到可移动角锥棱镜M2上。两束光上。两束光 反射后经反射后经P2检偏器，得到检偏器，得到f2-f1的测量信号，有的测量信号，有D2探测并有探测并有 C2计数。（计数。（测量信号测量信号）（3）减法器减法器比较比较C2和和C1的频率计数结果，并在的频率计数结果，并在T上实时显示。上实时显示。49n测长计算测长计算（1 1）M2M2不动，不动，C1C1、C2C2计数频率相同，计数频率相同，T T示值为示值为0 0。（2 2）M2M2以速度以速度v v移动，产生多普勒频移移动，产生多普勒频移 f f：f=f2(2v/c)=2v/f=f2(2v/c)=2v/2 2（3 3）C2C2计数频率为计数频率为f2-f1 f2-f1 f f（4 4）M2M2在时间在时间t t内移动内移动L L，对减法器的，对减法器的 f f进行时间积分：进行时间积分：实际上实际上N N是测量时间是测量时间t t内扫描的条纹数内扫描的条纹数（5 5）实际位移）实际位移L L：L=NL=N 2 2/2 2 50n双频激光的产生双频激光的产生 将干涉计量常用的将干涉计量常用的0.6328m谱线中心频率作单纵模运转的谱线中心频率作单纵模运转的氦氖激光器置于轴向磁场中，激光谱线在外磁场作用下发氦氖激光器置于轴向磁场中，激光谱线在外磁场作用下发生塞曼分裂，并具有偏振性质。所分成的两条谱线的频率生塞曼分裂，并具有偏振性质。所分成的两条谱线的频率间隔取决于磁场强弱。双频稳频激光器的外磁场一般取间隔取决于磁场强弱。双频稳频激光器的外磁场一般取0.02特斯拉较为适宜，要求尽可能均匀。相应的谱线频差为特斯拉较为适宜，要求尽可能均匀。相应的谱线频差为1.5MHz左右。左右。双频激光器要求单纵模运转，腔长一般选为双频激光器要求单纵模运转，腔长一般选为15cm左右，比左右，比单频稳频激光器腔长还要短些。单频稳频激光器腔长还要短些。干涉计量要求双频激光器输出基横模干涉计量要求双频激光器输出基横模TEM00的激光器。光的激光器。光强呈高斯型分布，光束中心最强，沿径向能量按指数规律强呈高斯型分布，光束中心最强，沿径向能量按指数规律减弱，光束截面是一个没有清晰轮廓的圆光斑，光束发散减弱，光束截面是一个没有清晰轮廓的圆光斑，光束发散角小，可经聚焦获得较小的光斑。角小，可经聚焦获得较小的光斑。双频激光器以激光波长和频率作为测量的双频激光器以激光波长和频率作为测量的“尺子尺子”，因此要，因此要求激光器所发射的频率有良好的稳定度（频率的随机变化求激光器所发射的频率有良好的稳定度（频率的随机变化小）和再现性，在双频激光器设计上采取了稳频措施。小）和再现性，在双频激光器设计上采取了稳频措施。51l 激光小角度干涉仪激光小角度干涉仪激光器激光器1发出的激光光束经分光器发出的激光光束经分光器3分成分成两路，一路沿光路两路，一路沿光路a a射向角锥棱镜射向角锥棱镜2 2，一，一路沿光路路沿光路b b射向参考镜射向参考镜4 4，当棱镜在位置，当棱镜在位置时，沿光路时，沿光路a a前进的光束经角锥棱镜转前进的光束经角锥棱镜转180180度度后，后，沿光路沿光路c射向反射镜射向反射镜5，然后被反射镜反射，从，然后被反射镜反射，从原路返回到分光器，并与从原路返回到分光器，并与从b路返回的参考光路返回的参考光束会合而产生干涉。当棱镜移到位置束会合而产生干涉。当棱镜移到位置后，沿后，沿光路光路a前进的光束由于棱镜前进的光束由于棱镜及平面反射镜及平面反射镜5的的作用，使它们仍按原路返回，不产生光点移动，作用，使它们仍按原路返回，不产生光点移动，从而干涉图形相对接收元件的位置保持不变。从而干涉图形相对接收元件的位置保持不变。n 测量原理测量原理52n双频测长仪与单频干涉仪双频测长仪与单频干涉仪(迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪)比较比较相同点：相同点：以光波波长为标准对被测长度进行精密度量的仪器以光波波长为标准对被测长度进行精密度量的仪器。不同点：不同点：1）用于测长的单频激光干涉仪直接检测两臂光束干涉条纹强度和对比）用于测长的单频激光干涉仪直接检测两臂光束干涉条纹强度和对比度的变动（位相差）。双频测长仪直接检测测量信号与参考信号的度的变动（位相差）。双频测长仪直接检测测量信号与参考信号的频率差。频率差。2）单频激光干涉仪测量的是直流信号；双频测长仪测量的是交流信号。）单频激光干涉仪测量的是直流信号；双频测长仪测量的是交流信号。双频测长的精度已超过双频测长的精度已超过0.01m，是工业测长中最精密的仪器。，是工业测长中最精密的仪器。3）单频干涉仪对装置的机械振动十分敏感，双频测长仪的干涉条纹是）单频干涉仪对装置的机械振动十分敏感，双频测长仪的干涉条纹是运动的，按时间顺序入射到光探测器上，因而对振动不敏感。运动的，按时间顺序入射到光探测器上，因而对振动不敏感。537.5 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪（1）激光多普勒测速仪（简称）激光多普勒测速仪（简称LDV）是利用激光多普勒效）是利用激光多普勒效 应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。因其大多应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。因其大多 用在流速测量方面用在流速测量方面，也称为激光测速计或，也称为激光测速计或激光流速计激光流速计 （简称（简称LD）。）。l 概述概述54（2）激光测速仪利用）激光测速仪利用运动微粒散射光运动微粒散射光的多普勒的多普勒频移频移来获得来获得 速度信息。由于流体分子的散射光速度信息。由于流体分子的散射光很弱很弱，为了得到足，为了得到足 够的光强，需要在流体中够的光强，需要在流体中悬浮悬浮有适当尺寸和浓度的有适当尺寸和浓度的微微 粒粒起起示踪示踪作用。作用。（3）激光测速仪实际测得的是这些悬浮微粒的运动速）激光测速仪实际测得的是这些悬浮微粒的运动速 度。多数度。多数自然微粒自然微粒能够较好跟随流体流动。能够较好跟随流体流动。人工散播人工散播 的微粒在微米数量级时，可以兼顾的微粒在微米数量级时，可以兼顾流动的跟随性流动的跟随性和和激激 光多普勒测速要求光多普勒测速要求。55（4）光源与探测器处于）光源与探测器处于相对运动相对运动状态时，探测器所接收到状态时，探测器所接收到 的光频率将发生变化。的光频率将发生变化。（5）光源）光源固定固定，光波从运动的物体，光波从运动的物体散射散射或者或者反射反射并由固定并由固定 的探测器接收时，光频率也将发生变化。的探测器接收时，光频率也将发生变化。（6）多普勒频移与物体运动速度的）多普勒频移与物体运动速度的方向方向、大小大小以及探测器以及探测器 的探测方位有关系。的探测方位有关系。56l 光学多普勒频移光学多普勒频移观测者相对于观测者相对于光源有相对运动光源有相对运动在在Q点观测到的光的频率：点观测到的光的频率：由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化接收到的光波频率产生变化57观观测测者者和和光光源源相相对对静静止止，光光源源所所辐射的物体运动辐射的物体运动在运动的在运动的P点观测到的光的频率：点观测到的光的频率：在在Q点观测到的光的频率：点观测到的光的频率：l 双重多普勒频移双重多普勒频移58光光的的频频率率太太高高，因因此此迄迄今今尚尚没没有有可可以以直直接接测测量量光光频频率率变变化化的探测器。的探测器。目目前前采采取取间间接接测测量量的的技技术术，即即测测量量发发生生多多普普勒勒频频移移的的散散射射光光的的频频率率与与未未发发生生多多普普勒勒频频移移的的原原出出射射光光频频率率的的差差频频信信号号f fD D。得到得到f fD D，即可求得物体的运动速度，即可求得物体的运动速度V V。以以上上是是以以出出射射光光为为参参考考，单单束束散散射射光光为为测测量量的的情情形形。不能判断速度的方向。不能判断速度的方向。59说明：激光的出现使得光学多普勒效应用于测速成为可能说明：激光的出现使得光学多普勒效应用于测速成为可能（1）一般物体的运动速度远小于光速，由此噪声的多普勒频移相对于光）一般物体的运动速度远小于光速，由此噪声的多普勒频移相对于光 速变化很小。速变化很小。（2）普通光源的带宽要比多普勒频移）普通光源的带宽要比多普勒频移fD大得多，因而无法根据频带的移大得多，因而无法根据频带的移 动来测定动来测定fD，在激光出现以前，光学多普勒效应除了天文学上用来，在激光出现以前，光学多普勒效应除了天文学上用来 测量速度极高速运动的发光天体的速率外，并无广泛应用。测量速度极高速运动的发光天体的速率外，并无广泛应用。（3）激光：频带极窄的相干辐射源，带宽激光：频带极窄的相干辐射源，带宽10Hz10Hz。（4）以中等速度运动的物体所引起的激光多普勒频移与激光光源的带宽）以中等速度运动的物体所引起的激光多普勒频移与激光光源的带宽 相比大很多。相比大很多。60l 频率检测频率检测光光混混频频测测量量技技术术，即即将将两两束束频频率率不不同同的的光光混混频频（干干涉涉），获获取取差差频频信号的信号的光学零差光学零差和和外差外差技术。技术。从从电电场场强强度度的的角角度度分分析析，获获得得光光强强度度与与多多普普勒勒频频移移之之间间的的关关系系。从从而而在在实实际际系系统统实实现现中中，可可以以通通过过探探测测干干涉涉条条纹纹的的明明暗暗变变化化来来获获得得多多普勒频移。普勒频移。直流分量交流分量n 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理61按按照照两两束束光光入入射射到到物物体体前前时时的的光光频频率率的的关关系系，光光波波频频率率检检测分为零差法和外差法。测分为零差法和外差法。前前者者当当物物体体运运动动时时，多多普普勒勒信信号号可可以以看看成成是是载载在在零零频频上上，后后者者则则是是载载在在一一个个固固定定频频率率上上，所所以以前前者者称称零零差差，后后者者称称外差。外差。两两者者的的主主要要区区别别是是，零零差差法法不不能能判判别别物物体体的的运运动动方方向向，而而且且难难以以消消除除由由直直流流引引起起的的噪噪声声。而而外外差差法法则则可可以以判判别别物物体体的的运运动动方方向向，并并可可用用无无线线电电中中的的外外差差技技术术抑抑制制噪噪声声，大大大大提高了信号的信噪比。提高了信号的信噪比。62l 激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪示意图激光多普勒测速仪示意图 激光多普勒测速仪由激光多普勒测速仪由激光器激光器、光学系统光学系统、信号处理信号处理系统等部分组成。系统等部分组成。63（1）激光器）激光器 多普勒频移相对光波频率来说变化很小，因此，必须用频带窄频带窄及能量集中能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气气体体激激光光器器，如He-Ne激光器或氩离子激光器。He-NeHe-Ne激激光光器器功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较大的情况；氩氩离离子子激激光光器器功率较大，信号较强，应用最广泛。64 光学系统分发发射射和接接收收两部分。发射部分由分分束束器器及反反射射器器S把光线分成强度相等的两两束束平平行行光光，然后通过会会聚聚透透镜镜L1聚焦在待测粒子P上，接收部分用接接收收透透镜镜L2把散射光束收集，送到光电接收器PM上。为避免直接入射光及外界杂光也进入接收器，在相应位置上设有挡光器挡光器R及小孔光阑小孔光阑D。（2）光学系统）光学系统65（3）信号处理电路）信号处理电路 多普勒信号非常复杂，是一个既有幅度和频率调制，又有一系列噪声、间多普勒信号非常复杂，是一个既有幅度和频率调制，又有一系列噪声、间断的随机信号。它具有如下特点：断的随机信号。它具有如下特点：（1）信信号号频频率率在在一一定定范范围围内内变变化化，是是一一个个变变频频信信号号。这这是是由由于于流流速速的的起起伏伏变变化化造成的。造成的。（2）信信号号幅幅值值按按一一定定规规律律变变化化，即即在在测测量量区区域域内内，干干涉涉条条纹纹沿沿流流速速方方向向明明暗暗变变化程度不均匀，中间最亮，向两侧逐渐变暗，光强按化程度不均匀，中间最亮，向两侧逐渐变暗，光强按高斯规律高斯规律变化。变化。所所以以，当当被被测测颗颗粒粒穿穿越越测测量量区区时时，粒粒子子的的尺尺寸寸和和浓浓度度不不同同，其其散散射射光光的的强度也按此规律变化。强度也按此规律变化。（3）信信号号是是随随机机的的、间间断断的的。粒粒子子是是离离散散的的，每每个个粒粒子子通通过过测测量量区区又又是是随随机机的的，并并且且每每个个粒粒子子产产生生的的信信号号到到达达探探测测器器的的初初始始相相位位也也不不同同，造造成成了了多多普普勒勒信信号号的的断续断续和和随机特性随机特性。（4）信信号号中中包包含含很很多多噪噪声声。如如光光学学系系统统、光光电电探探测测器器、电电子子线线路路、外外界界环环境境等等。由于颗粒散射光的多普勒信号往往十分微弱，因而信号的信噪比就相当低。由于颗粒散射光的多普勒信号往往十分微弱，因而信号的信噪比就相当低。66l多普勒信号处理方法多普勒信号处理方法 由于多普勒信号的复杂性，一般不能通过常由于多普勒信号的复杂性，一般不能通过常规的测频仪进行测量。目前常用的方法有：规的测频仪进行测量。目前常用的方法有：频谱分析法频谱分析法、频率跟踪法频率跟踪法、频率计数法频率计数法、滤滤波器组分析法波器组分析法等。等。67n 频率跟踪法频率跟踪法 频频 率率 跟跟 踪踪 法法 能能 使使 信信 号号 在在 很很 宽宽 的的 频频 带带 范范 围围 内内(2.25kHz15MHz)得得到到均均匀匀放放大大，并并能能实实现现窄窄带带滤滤波波，从从而提高了信噪比。而提高了信噪比。它它输输出出的的频频率率量量可可直直接接用用频频率率计计显显示示平平均均流流速速。输输出出的的模模拟拟电电压压与与流流速速速速度度