光衍射技术.ppt

传感器原理及应用 衍射最早用于光谱测量，70年代才形成一种非接触测量技术，1972年，加拿大国家研究所提出了激光衍射测试方法，利用激光衍射条纹的变化来精密测量长度、角度、轮廓的一种全场计量方法。其原理建立在单缝衍射基础上。 单缝衍射 夫琅和费衍射的计算比较简单，特别是对于简单形状孔径的衍射，通常能够以解析形式求出积分，并且夫琅和费衍射是光学仪器中最常见的衍射现象。激光衍射测量的基本原理是利用激光的夫琅和费衍射。 ①夫琅和费衍射实验装置 单缝衍射 ②单缝夫琅和费衍射强度分布 用振幅矢量法或衍射积分法都可以得到缝宽为b的单缝夫琅和费衍射光强分布表达式： 其中 其分布如图示。 利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射可以实现测量，如图示。 单缝衍射 单缝衍射测量的分辨力、准确度和量程 测量分辨力—能分辨的最小量值： 测量合成标准不确定度 测量量程一般为0.01~0.05mm。 三、 反射衍射测量法 θ角一般是任意的，测得某一入射角θ位置的两个xn值代入公式，联立解出θ值和w值。 从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.5～0.025μm。 四 分离间隙法 在实际测量中，常会遇到组成狭缝的两棱边不在同一平面内，即存在一个间隔w。此时衍射图形出现不对称现象。测两次，联立求解。 五、 互补测量法 六、 爱里圆测量法 爱里圆测量法是基于圆孔的夫琅和费衍射原理，可进行微小孔径的测量。 这种情况下，△L造成的被测尺寸误差是 测量孔的直径时，可用如下一组公式 式中：kn为n级衍射环内包含的暗环或亮环数目；dn为第n个暗环或亮环的直径 (5-48) (5-49) 利用式(5-49)测量孔的直径时，孔深在10mm内仍有较高的精度 激光器 望远镜缩束系统 被测体 物镜 避光罩 扫描反射镜 滤波片 装置原理图 图5-26 激光衍射测量仪 滤波片和避光罩的作用是消除杂散光和背景光对光电倍增管的影响。从狭缝8到扫描反射镜的旋转轴的距离加上旋转轴到物镜的距离应等于物镜的焦距f 衍射光经物镜5在其焦面上形成衍射 扫描反射镜，用以形成衍射条纹在光电倍增管10前的输入狭缝8上扫描 从光电倍增管得到的电信号，经放大和变换电路11，形成矩形脉冲信号，此信号的宽度相应于衍射条纹的间隔，这个脉冲再经微分，限幅和逻辑电路12就可测量脉冲宽度，最后用数字频率计13显示。14,15是电源，具体的电子学功能框图如图5-26b）所示 激光器 望远镜缩束系统 被测体 物镜 避光罩 扫描反射镜 滤波片 装置原理图 图5-26 激光衍射测量仪 光电倍增管 射极跟随器 放大器 微分电路 具有增益的放大器 施密特电路 计算触发器 多谐振荡器 排出电路 附合电路 图5-26 激光衍射测量仪 信号处理功能框图 电信号的处理波形如5-27所示 从光电探测器上得到的电信号 是VP,VP经跟随器送到放大器的输入端，它负载作为微分电路，得到微分信号Vd，Vd经自动增益放大器，进入施密特电路，得到脉冲序列Vu，Vu是逻辑电路的输入，逻辑电路由计数器，附合电路和排出电路组成。V1，V2，V3是从计算触发器来的信号，Vm是最后得到的测量信号，其时间间隔 ，刚对应于被测尺寸。 由下式计算出被测尺寸D （5-50） 单位时间内反射镜的转数 物镜焦距 m,n为衍射条纹序号 m,n为衍射条纹之间的时间间隔 测量10微米物体的直径时，允许物体沿激光束轴向位移±5mm，横向位移±1mm，物镜的畸变不大于25 扫描反射镜转轴到光电探测器前狭缝的距离 测量精度可达0.2% % % % 激光器 被测物体 物镜 摄像机 计算逻辑电路 选择器 显示器 电视测量系统是利用电视扫描线来测定衍射条纹的间隔，也就是衍射分布两个极值点之间相应有几根扫描线。这种方法在工业电视日益普及的条件下，很有实际意义。 在表面粗糙度方面，可测量加工纹理为规则和比较规则的回转体外表面的微观不平度间距及加工时的走刀量。 在尺寸方面，可测量非透明材料的细丝直径，圆孔直径及方孔与长方孔的宽度，超薄零件或材料的厚度，零件的高度、缝宽，易变形件尺寸（如超薄套筒的外径与“O”形橡胶密封圈的内、外径及横断面直径）、轴的直径 在形位误差方面可以测量圆柱形外表面母线及刀口尺刃线的直线度误差、外回转表面的圆度、圆柱度、同轴度、跳动误差及垂直度、平行度等误差 多功能激光测量仪 §5-3 实际的应用 一、间隙或间隙变化的测量 二、位移与间隙的远距离测量 主要内容 七、波前测量 三、表面缺陷的自动检测 四、细丝及薄带尺寸的测量 五、角度的精密测量 六、全场测量 主要应用间隙计量法、反射衍射法以及分离间隙法来完成测试任务，应用的实例有薄膜涂层厚度测量