精选课件第6章 光外差检测系统.ppt

干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息。 干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。 可进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内部缺陷等几何量和物理量的测量。 1、激光光源： He-Ne气体激光器，频宽达103Hz， 相干长度可达300km 2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理， 位移---测量臂； 3、光电显微镜：给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。 4、干涉信号处理部分：光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。 6.4 光外差检测系统举例 6.4.1 激光干涉测长仪 如图，主要有几部分组成： 测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为： 1、激光器；2、透镜；3、小孔光阑；4、透镜；5、反射镜；6、反射棱镜；7、位相板；8、角锥反射棱镜；9、分束镜；10、角锥反射棱镜；11、透镜；12、光阑；13、光电检测器；14、透镜；15、光阑；16、光电检测器 光阑3形成一种空间滤波器，减小光源中杂散光的影响。 到达角锥反射棱镜10的作为干涉仪的参考臂。而角锥反射棱镜8作为测量臂。 光学元件7称为位相板，使通过光路的部分光束产生附加位相移动，使光电检测器13和16接收到的干涉信号在位相上相差π/2。 光路中，采用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器对激光器带来不利影响；另一方面由于角锥棱镜具有“出射光束与入射光束的平行不受棱镜绕轴转动的影响”的特点。 实用的激光干涉测长仪的简化光路 干涉信号的方向判别与计数 激光干涉仪的实际工作，必须对测量反射镜的位移方向进行判别以实现对干涉信号的可逆计数。 误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，测量结果是正反移动的总和。 解决方法：判别计数。电路设计有方向判别部分，计数脉冲分为加、减两种脉冲。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲 。 干涉信号的方向判别与计数原理 干涉系统中通过通过移相方法，得到两路相互差π/2的干涉条纹光强信号。又经过放大、整形、倒相变成四路方波信号，再经过微分电路，得到四个相位相差π/2的脉冲。 辨向原理：若将脉冲按测量镜正向移动时，四路信号依次相差90度，顺序为1324；若反向移动，接收信号依然相差90度，但顺序为1423，由后面的逻辑电路通过脉冲1后面是3或4判别是正向脉冲还是反向脉冲，进行辨向处理。 同时，由于该判向电路将一个周期的干涉信号变成四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每个计数脉冲代表1/4条纹的变化，即代表测量镜的位移变化是λ/8,则所测位移长度为： 6.4.2、光外差通信 光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源。因为它的发射波长为10.6μm，正好处于大气窗口之内，衰减系数较小，且易实现光外差接收。光发射系统及接收系统两大部分组成。 发射系统： 稳频原理: 10.6μm不在峰值，而在曲线上升段。若发射波长增加，光通量亦增，输出电压增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率提高，则波长减短；反之，则波长加长。 滤光片的滤光曲线 接收系统: 光学系统13将载有信息的激光收集并与本地激光器20发出光一起投射到混频器14，经混频后被探测器15转换为电信号，经滤波后只保存差频信号，再经中频放大、鉴频后还原信号。 采用CO2激光器的外差通信用于地面时，由于大气湍流的影响，通信效果不佳; 用于卫星之间及卫星与地面站之间的数据传送时大有发展前途。 激光测速的原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。 激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。 6.4.2 激光多普勒测速 Laser Doppler Velocimeter 基本光路原理图 光源：稳频后的单模激光光源 测速原理： 激光光束的光强分布为高斯分布，在透镜L1后的焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在焦点附近空间范围内相交得到平行的干涉条纹；而在远离焦点的空间范围相交干涉条纹为弧形。干涉条纹间距为 f x z y z y y x 条纹模型 测速原理： 干涉条纹的空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为： 当散射粒子在平行干涉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干涉场及流速面变化，若颗粒运动速度为υ，运动方向与条纹垂线的夹角为β（如图），则颗粒散射的光强频率为