【第3章 激光测试基础】3of3.ppt

脉 冲 激 光 测 距 仪 发射系统 接收系统 接收光学系统 光电探测器 低噪声宽带放大器 整形电路 门控电路 时钟脉冲振荡器 计数显示器 激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模） 电源 发射望远系统 物镜 小孔光阑 干涉滤光片 3-6 激光测距技术 激光测距仪的特点 测程远、测量精度高 结构小巧、携带方便 快速、非接触式距离测量 激光对点准确 受气象条件影响较大。 激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术 3-6 激光测距技术 作业： 1. 简述激光的产生过程及产生激光的必要条件。 2. 简述激光器的基本组成及各组成部分的基本作用。 3. 介绍一个包含激光器的产品的基本结构。 * 光机电测控技术基础 任课教师:严晗 武汉理工大学 机电工程学院 第3章 激光测试基础 目录 3-1 激光的基本性质 3-2 激光原理概述 3-3 激光器的分类和特点 3-4 激光准直技术 3-5 激光多普勒测速技术 3-6 激光测距技术 3-5 激光多普勒测速技术 概述 1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化——多普勒效应。 1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。 目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。 1. 多普勒效应 当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。 多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。 爱因斯坦在《论物体的电动力学》中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。 3-5 激光多普勒测速技术 声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。 3-5 激光多普勒测速技术 1. 多普勒效应 1）声多普勒效应原理 声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。 设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为v，波长λ=v/f ①声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动 设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声波的频率为 同理，观测者背离声源有 3-5 激光多普勒测速技术 1. 多普勒效应 1）声多普勒效应原理 ②声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中 设声源S相对于媒质以速度v2迎着观测者D运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一个周期内完成一次全振动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了v2T距离，波长变为 S1 S2 v2 D v2T λ λ 声源向静止观察者运动的多普勒效应示意图 则，频率为 同理，声源背离观测者运动有 3-5 激光多普勒测速技术 1. 多普勒效应 1）声多普勒效应原理 ②声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1 综合上述情况，可以得到： 观测者向着声源运动时，取正号；反之取负号 声源向着观测者运动时，取负号；反之取正号 总之 当声源和观测者相向运动时，接收频率升高；当声源和观测者背离运动时，接收频率降低； 强调： 声学只有纵向多普勒效应，没有横向多普勒效应 3-5 激光多普勒测速技术 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速度的大小。如图示。 y D O K 系 K‘ 系 O x x y s1 s2 r1 r2 θ θ v 光多普勒效应示意图 K系中静止的光源从K系的t1时刻开始发出一列光波，这个波列的发射截止时间为t2，于是在K系中此波列发射的时间为（t2 － t1 ），在这段时间内发射的波数为N，光源的频率为 3-5 激光多普勒测速技术 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于t1时刻（光源在S1处），接收这个波列的时刻是 y D O K 系 K‘ 系 O x x y s1 s2 r1 r2 θ θ v 光多普勒效应示意图 在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻（光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为 设 很小， θ变化很小，则有 3-5 激光多普勒测速技术 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 观测者D收到这N个波共需时 3-5 激光多普勒测速技术 1.