激光在精密測(cè)量中的應(yīng)用.ppt

1,第6章 激光在精密測(cè)量中的應(yīng)用（2）,6.3 激光測(cè)距 6.4 激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量,2,6.3 激光測(cè)距,激光測(cè)距的特點(diǎn) 激光測(cè)距儀的分類 脈沖測(cè)距法 相位測(cè)距法,3,激光測(cè)距的特點(diǎn),激光測(cè)距儀與其它測(cè)距儀(如光電測(cè)距儀等)相比，具備的特點(diǎn)： 探測(cè)距離遠(yuǎn) 測(cè)距精度高 抗干擾性強(qiáng) 保密性好 體積小 重量輕,4,激光測(cè)距儀的分類,激光測(cè)距儀的分類：激光測(cè)距不同于激光測(cè)長(zhǎng)，它的測(cè)量距離要大得多，按照測(cè)量距離可分為下述三類： 1、短程激光測(cè)距儀，它的測(cè)程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測(cè)量 2、中長(zhǎng)程激光測(cè)距儀，測(cè)程為五至幾十公里，適用于大地控制測(cè)量和地震預(yù)報(bào)等 3、遠(yuǎn)程激光測(cè)距儀，它用于測(cè)量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離 激光測(cè)距是通過測(cè)量激光光束在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間來換算出距離的，其換算公式為,5,測(cè)距方法分類,脈沖測(cè)距法：測(cè)距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射后，光脈沖回到測(cè)距儀接收系統(tǒng)，測(cè)量其發(fā)射和接收光脈沖的時(shí)間間隔，即光脈沖在待測(cè)距離上的往返傳播時(shí)間t。脈沖法測(cè)距精度大多為米的量級(jí) 相位測(cè)距法：它是通過測(cè)量連續(xù)調(diào)制的光波在待測(cè)距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測(cè)量時(shí)間t。這種方法測(cè)量精度較高，因而在大地和工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用,6,脈沖測(cè)距,激光脈沖測(cè)距儀的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如下圖所示,圖6-18 激光脈沖測(cè)距儀的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),7,測(cè)距儀對(duì)光脈沖的要求,光脈沖應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度 光脈沖的方向性要好 光脈沖的單色性要好 光脈沖的寬度要窄 用于激光測(cè)距的激光器：紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器,8,激光巨脈沖的產(chǎn)生和計(jì)時(shí),激光巨脈沖的產(chǎn)生-調(diào)Q技術(shù) 測(cè)距時(shí)用的光脈沖功率是很大的，一般其峰值功率均在一兆瓦以上，脈沖寬度在幾十毫微秒以下。這樣的光脈沖通常叫做“巨脈沖”。但是，一般的激光脈沖并不是巨脈沖，它的寬度較大 (約1ms左右) ，同時(shí)脈沖功率也不夠大，所以不能滿足測(cè)距需求。對(duì)激光器采用“調(diào)Q技術(shù)”，就可使之滿足測(cè)距要求 計(jì)時(shí)：在脈沖測(cè)距中由于脈沖在測(cè)程上往返時(shí)間極短，所以通常是用記錄高頻振蕩的晶體的振動(dòng)次數(shù)來進(jìn)行計(jì)時(shí),圖6-19 脈沖計(jì)數(shù)原理方框圖,9,相位測(cè)距原理,相位測(cè)距:是對(duì)發(fā)射的激光強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)的調(diào)制，測(cè)定它在待測(cè)距離d上往返的相位變化，從而間接測(cè)量傳播時(shí)間t，進(jìn)而測(cè)量距離 與脈沖測(cè)距的區(qū)別： 調(diào)制方式不同，脈沖測(cè)距調(diào)制激光器產(chǎn)生巨脈沖，相位測(cè)距調(diào)制激光器產(chǎn)生強(qiáng)度成余弦變化的連續(xù)波 信號(hào)處理方式不同，脈沖測(cè)距用開關(guān)電路高頻脈沖計(jì)數(shù)，測(cè)量?jī)?nèi)外光路產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖之間相距的時(shí)間，相位測(cè)距比較主振信號(hào)與返回信號(hào)之間相位差，來計(jì)算光線從測(cè)距儀到被測(cè)點(diǎn)傳播往返的時(shí)間,10,相位測(cè)距的測(cè)尺,相位測(cè)距是對(duì)發(fā)射的激光強(qiáng)度進(jìn)行余弦型調(diào)制，光波每傳播一個(gè)調(diào)制周期，相位就變化2，相應(yīng)的傳播距離為 =cT。所以距離d、光波往返相位差和光波調(diào)制波長(zhǎng)之間的關(guān)系為 應(yīng)當(dāng)注意到：此處的并不是光的波長(zhǎng)，而是余弦型調(diào)制造成的光強(qiáng)變化對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度“光波”的“波長(zhǎng)”，該調(diào)制波長(zhǎng)實(shí)際上是被測(cè)距離的度量單位，因此把該波長(zhǎng)的一半稱作“測(cè)尺”，被測(cè)距離可以用該測(cè)尺表示為,11,相位測(cè)量和多測(cè)尺測(cè)距,當(dāng)被測(cè)距離大于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，相位超過 ，因此可以表示為 式中是不足2的相位移的尾數(shù)，N為相位移的整數(shù)部分。 任何測(cè)量交變信號(hào)相位移的比相方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)，因而當(dāng)距離d大于測(cè)尺長(zhǎng)Ls時(shí)，就需要更長(zhǎng)的測(cè)尺來測(cè)定距離，但是長(zhǎng)的測(cè)尺在相位差的測(cè)量精度一定的條件下距離的分辨率也會(huì)減小，因此既要保證測(cè)量精度又要擴(kuò)大測(cè)量的范圍就需要設(shè)置多個(gè)測(cè)尺，用大的測(cè)尺提高測(cè)量的范圍，用小的測(cè)尺提高測(cè)量精度,12,分散的直接測(cè)尺測(cè)距舉例,分散的直接測(cè)尺測(cè)距方法選定的測(cè)尺頻率是直接與測(cè)尺長(zhǎng)度Ls相對(duì)應(yīng)的. 基本測(cè)尺長(zhǎng)度Lsb(精測(cè)測(cè)尺，決定測(cè)量精度)和若干輔助測(cè)尺長(zhǎng)度(粗測(cè)測(cè)尺，決定測(cè)量范圍)。 例如：選用兩把測(cè)尺 和 相應(yīng)的測(cè)尺頻率為 在測(cè)相精度為千分之一的情況下， 測(cè)距精度為 測(cè)距量程為,13,集中的間接測(cè)尺測(cè)距原理,假定用兩個(gè)調(diào)制頻率為s1和s2的光波分別測(cè)量同一距離d 由上兩式可得 令： 則： 上式中Ls可以認(rèn)定為一個(gè)新的測(cè)尺長(zhǎng)度，其相應(yīng)的測(cè)尺頻率s是 上式中的正是用s1和s2的差額s s1 s2的光波測(cè)量距離d時(shí)所得到的相位尾數(shù)之差。通常把頻率s1和s2稱為間接測(cè)尺頻率，而把差頻頻率s s1 s2稱為相當(dāng)測(cè)尺頻率,14,集中的間接測(cè)尺舉例,間接測(cè)尺頻率 相當(dāng)測(cè)尺頻率 測(cè)尺長(zhǎng)度 精度 s 15MHz 15MHz 10m 1cm 1 0.9 s 1.5MHz 100m 10cm 2 0.99 s 150KHz 1Km 1m 3 0.999 s 15KHz 10Km 10m 4 0.9999 s 1.5KHz 100Km 100m 集中的間接測(cè)尺的測(cè)尺頻率都集中在較為窄小的頻率范圍內(nèi)，可以使放大器和調(diào)制器有相近的增益和相位穩(wěn)定性，而且各頻率對(duì)應(yīng)的振蕩石英晶體也可以統(tǒng)一,15,相位差的測(cè)量,信號(hào)頻率越低，其相位變化2需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，這樣也就越便于相位的測(cè)量。所以中、低頻的相位測(cè)量精度總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻信號(hào)的測(cè)相精度。因而高頻信號(hào)相位差的測(cè)量大都采用差額的方法。把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)進(jìn)行處理，這就是所謂的“差頻測(cè)相” 差頻測(cè)相的原理如右圖所示,16,差頻法測(cè)相位的數(shù)學(xué)模型,設(shè)主控振蕩信號(hào) 該信號(hào)被光電接收放大后變?yōu)?設(shè)本地振蕩信號(hào) 在混頻器的輸出端分別得到差頻參考信號(hào)er（ 和 混頻）和測(cè)距信號(hào)em （ 和 混頻） ，它們的表達(dá)示為 兩者通過相位計(jì)檢測(cè)得到相位差，從而可以計(jì)算出被測(cè)距離,17,6.4 激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量,激光具有極好的方向性，經(jīng)過準(zhǔn)直的連續(xù)輸出的激光束可以認(rèn)為是一條直線； 可以利用激光光束作為空間基準(zhǔn)線，來測(cè)量平直度、平面度、平行度、垂直度，也可以作為三維測(cè)量的基準(zhǔn)； 可以廣泛用于開鑿隧道、鋪設(shè)管道、建筑造橋、修路開礦、大型設(shè)備安裝和定位等； 激光的單色性還可以用于制作衍射準(zhǔn)直儀提高對(duì)準(zhǔn)精度。,18,激光準(zhǔn)直儀的原理,激光束橫截面上的光強(qiáng)分布是“高斯分布”，光束的能量是大部分集中在有效半徑為z0的截面內(nèi)。由于中心光強(qiáng)最大，所以光束分布中心連線可以構(gòu)成一條理想的準(zhǔn)直基準(zhǔn)線,19,有效截面半徑z0和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角2,TEM00光束有效截面半徑z0和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角2的表達(dá)式為 波長(zhǎng)為0.6328m 的He-Ne激光器輸出的激光， 光束腰部的截面半徑0 其光束有效截面半徑按下圖方式變化 當(dāng)z0較大時(shí),20,激光準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)框圖,簡(jiǎn)單的激光準(zhǔn)直儀可以直接用目測(cè)來對(duì)準(zhǔn)，為了便于控制和提高對(duì)準(zhǔn)精度，一般的激光準(zhǔn)直儀都采用光電探測(cè)器來對(duì)準(zhǔn)。 準(zhǔn)直儀的基本組成如圖示為 1）He-Ne激光器；2）發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)；3）光電目標(biāo)靶；4）指示及控制系統(tǒng),圖6-21 激光準(zhǔn)直儀的基本組成方框圖,21,發(fā)射光學(xué)系統(tǒng),激光準(zhǔn)直儀發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由目鏡L1、物鏡L2和光闌A組成。該望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)普通光束的傾角壓縮比為 如果21，22 分別為高斯光束入射和出射該望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束發(fā)散角的話，則該望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)高斯光束的發(fā)散角壓縮比為 M和M的關(guān)系為：,圖6-22 激光準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,22,衍射效應(yīng)的影響,由于衍射效應(yīng)，出射光束發(fā)散角還與物鏡L2的孔徑大小有關(guān)。根據(jù)圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射理論可知，一個(gè)直徑為D的圓孔所造成的衍射角(即光束發(fā)散角的一半）， 如下圖所示為 通常忽略物鏡L2的衍射效應(yīng)！,23,光電目標(biāo)靶,激光準(zhǔn)直儀的光電目標(biāo)靶，通常用的是四象限光探測(cè)器。如下圖所示，它是由上、下、左、右對(duì)稱裝置的四塊硅光電池組成。,圖6-23 四象限光電探測(cè)器原理圖,24,解決光電池對(duì)稱問題的平衡電阻方法,在四象限光電探測(cè)器中，要求每片光電池的靈敏度必須嚴(yán)格一致，它們之間的相對(duì)位置亦應(yīng)準(zhǔn)確，這在實(shí)際上是很難做到的，因?yàn)閮善怆娝霓D(zhuǎn)換效率往往相差很遠(yuǎn)，即使是將同一塊光電池刻劃分成四塊，每塊的轉(zhuǎn)換效率也仍然不一樣。 解決光電池的對(duì)稱問題，通常采用在光電池電路中串接可調(diào)節(jié)的平衡電阻的方法。如下圖所示，其中的兩個(gè)光電池是上、下或左、右的一對(duì)光電池。調(diào)節(jié)平衡電阻，就可以補(bǔ)償由于兩塊光電池的不對(duì)稱所引起的不平衡問題,25,激光準(zhǔn)直測(cè)量的應(yīng)用舉例,不直度的測(cè)量,圖6-24 機(jī)床導(dǎo)軌不直度的激光準(zhǔn)直測(cè)量原理示意圖,26,激光衍射準(zhǔn)直儀,利用激光的單色性，讓激光束通過一定圖案的波帶片，產(chǎn)生便于對(duì)準(zhǔn)的衍射圖像，從而提高精度。這種利用衍射原理的激光準(zhǔn)直儀叫激光衍射準(zhǔn)直儀。 波帶片是一塊具有一定遮光圖案的平玻璃片（圖