激光检测计量..
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引言
测试、计量是人们从客观事物中提取所需信息，借以认识 客观事物并掌握其客观规律的一种科学方法，测试测量技 术则是通过测试手段实现上述方法的技术。 激光是高强度的相干光，具有单色性和方向性，因而是精 密计测的理想光源【1】。 利用激光的某一特性或几种特性，可以进行多种几何 和物理参数的激光检测。目前,激光检测技术已涉及精密测 量、计量、生产过程的自动监控以及科学研究多方面的应 用。
2.2.3 用共焦法布里一珀罗干涉仪接收超声脉冲
• 我们研制了一台用单片机稳定 毛作点的共焦法布里一珀罗干 涉仪并成功地接收到铝样品中 的超声脉冲信号。
2.3 激光超声的应用前景和优缺点
2.3.1 激光超声的优缺点
激光超声的优点
非接触 检测
优点1
频带宽
优点2
光点小
优点3
光速容易 移动
优点4
光速容易 组成列阵
激光准直仪
技术参数：漂移量、工作距离、仪器输出最大光功率等
1.2 激光测距
原理：利用激光集中不发散的特性， 根据发出和返回光束之间的时间差乘 以光速，来测量距离【3】。 应用：主要应用于远距离测量。
优点：较红外测距（反射光较弱）来讲 ，不需要使用棱镜。探测距离远、测距 精度高，抗干扰能力强、保密性好，且 激光测距仪具有体积小、重量轻、重复 频率高等特点。
2.2.1 用压电换能器接收激光超声脉冲
• 实验装置如图所示。 • 我们分别对铝、黄铜和钢 样品投射激光脉冲,并且 从接收的波形中可以计量 出样品的厚度,同时还进 行了样品表面状态对激励 超声脉冲的影响、材料中 人工缺陷对超声脉冲的影 响等的研究。
2.2.2 用外差干涉仪接收激光超声脉冲
• 我们采用光外差技术和一系列电子技术,对铝、铜和钢样 中的激光超声脉冲进行了非接触接收,并取得了初步结果。
定义及基本原理
激光超声的应用 激光超声应用背景和优缺点 参考文献
2.2
2.3
2.4
2.1 定义及基本原理
• 定义：激光超声是指脉冲激光所产生的脉冲超声。 • 激光超声的原理如图所示。
2.2 激光超声的应用
• 2.2.1 用压电换能器接收激光超声脉冲
• 2.2.2 用外差干涉仪接收激光超声脉冲 • 2.2.3 用共焦法布里一泊罗干涉仪接收超 声脉冲
斯德克激光测速仪
技wk.baidu.com参数：捕获时间、距离范围、速度范围、 速度精度等
1.5
激光应用在检测计量方面的特点
精度高 难度大
实用性高 涉及面广
可测 参量多
1.6 研究现状、发展趋势以及存在问题
测量精确度 不断提高
研究现状 激 光 检 测 计 量 存在问题 发展趋势
从静态测量 到动态测量 测量对象复杂化 测量条件极端化 超大尺寸精密测 量、微/纳米级超 精密测量等
激光雷达
1.4 激光测速
原理：利用激光照射到运动物体上所产生 的多普勒效应来测量运动物体速度。 激 光多普勒测速仪就是利用这个原理【1】。 应用：主要应用于对湍流强度及流场分布 的测量等。 优点：与传统测速方法相比，具有非接触 测量；测速精度高；空间分辨率高；测速 范围广；动态响应快，可实时测量；可同 时进行多维测量，具有良好的方向灵敏度 等。 缺点：测量精度受工作环境影响较大。
现选择激光在检测计量中主要的几个方面来分析一下 国内外激光检测的发展与应用现状。
激光准直导向
激光测距
激光雷达
激光超声
检测 计量
激光测速
全息检测
1.1 激光准直导向
原理：利用激光的方向性,把激光当作直线， 或由激光扫出一个光束平面,就可以用来进 行精密的定位、导向、安平等【2】。 应用：主要用于测量大型机械（特别是长 距离的）中的孔、轴系的同轴度以及平面 的直线度、平面度、平行度等。 优点：与目视光学仪器相比，具有工作 距离长、测量精度高、便于自动控制、 操作方便等。 缺点：在自由度测量时，分辨力较低。
• 材料特性的检测
• 由于超声能透入金属内部,大多数需要测量的材料特性参 数不是影响超声速度,就是影响超声衰减,或者两者都影响, 再加上激光超声的特点,它有可能测量以下各项特性： (l)材料的尺寸特性如厚度、高度等,用激光超声可提高测 量薄片的能力,几十微米厚的金属片,测量误差约2%。还可 进行高温在线测厚。
(2)力学特性,如测量残余应力、弹性模量等。
(3)表面质量检测。
2.4 参考文献
[1].应崇福,激光超声的原理及其在固体中的 应用.1996-06-24. [2]. 龚育良,白世武,俞为民,刘惠敏,计量新 技术——激光超声.1995-01-28. [3]. 钱梦騄,激光超声检测技术及其应.2003.
优点5
缺点：激光设备庞大复杂。
2.3.2 激光超声的应用前景
计量标准
无损检测
材料特性的检测
• 计量检测
宽频 带 非接 触测 量 超声 检测 系统 对系 统无 影响 准确 度高 高的 空间 分辨 率
波长 绝对 测量
因此激光超声检测系统适合于超声换能器和声发射换能器的计量标准。
• 无损检测
• 因为激光技术对包括纵波、横波和表面波在内的整个超声 波都是灵敏的,所以它可以用来探测体内,表面和表面下的 缺陷。 • 由于激光超声检测可实现非接触式遥控检测,因此它特别 适合恶劣环境下敏感表面产品和很小样品,如微观焊接的 无损检测。
缺点：对气候的依赖关系很强。 技术参数：测量精度（分辨力）、测量距离等
激光测距仪
1.3 激光雷达
原理：在激光测距仪的基础上，利用分光方 法，对特定的大其成分的分布进行测定，是 一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统 ，其原理与构造与激光测距仪极为相似【1】。 应用：直升机障碍物规避 、化学战剂探测 、成像激光雷达可水下探物 优点：与普通微波雷达相比，激光雷达由于 使用的是激光束，工作频率较微波高了许多 。所以具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干 扰能力强、低空探测性能好、体积小、重量 轻等。 • 缺点：工作时受天气和大气影响大、波束窄 ，在空间搜索目标困难等。 技术参数：作用距离、目标搜索和捕获能力等
自主创新 能力较差 高附加值测量仪 器设备几乎空白
1.7 参考文献
[1].陈家璧，彭润玲主编.激光原理及应用.北 京：电子工业出版社,，2009 [2].叶声华主编.激光在精密测量中的应用.北 京：机械工业出版社，1980 [3].蓝信钜等.激光技术.北京：科学出版社， 2000
2. 激光超声
2.1
测试、计量是人们从客观事物中提取所需信息，借以认识 客观事物并掌握其客观规律的一种科学方法，测试测量技 术则是通过测试手段实现上述方法的技术。 激光是高强度的相干光，具有单色性和方向性，因而是精 密计测的理想光源【1】。 利用激光的某一特性或几种特性，可以进行多种几何 和物理参数的激光检测。目前,激光检测技术已涉及精密测 量、计量、生产过程的自动监控以及科学研究多方面的应 用。
2.2.3 用共焦法布里一珀罗干涉仪接收超声脉冲
• 我们研制了一台用单片机稳定 毛作点的共焦法布里一珀罗干 涉仪并成功地接收到铝样品中 的超声脉冲信号。
2.3 激光超声的应用前景和优缺点
2.3.1 激光超声的优缺点
激光超声的优点
非接触 检测
优点1
频带宽
优点2
光点小
优点3
光速容易 移动
优点4
光速容易 组成列阵
激光准直仪
技术参数：漂移量、工作距离、仪器输出最大光功率等
1.2 激光测距
原理：利用激光集中不发散的特性， 根据发出和返回光束之间的时间差乘 以光速，来测量距离【3】。 应用：主要应用于远距离测量。
优点：较红外测距（反射光较弱）来讲 ，不需要使用棱镜。探测距离远、测距 精度高，抗干扰能力强、保密性好，且 激光测距仪具有体积小、重量轻、重复 频率高等特点。
2.2.1 用压电换能器接收激光超声脉冲
• 实验装置如图所示。 • 我们分别对铝、黄铜和钢 样品投射激光脉冲,并且 从接收的波形中可以计量 出样品的厚度,同时还进 行了样品表面状态对激励 超声脉冲的影响、材料中 人工缺陷对超声脉冲的影 响等的研究。
2.2.2 用外差干涉仪接收激光超声脉冲
• 我们采用光外差技术和一系列电子技术,对铝、铜和钢样 中的激光超声脉冲进行了非接触接收,并取得了初步结果。
定义及基本原理
激光超声的应用 激光超声应用背景和优缺点 参考文献
2.2
2.3
2.4
2.1 定义及基本原理
• 定义：激光超声是指脉冲激光所产生的脉冲超声。 • 激光超声的原理如图所示。
2.2 激光超声的应用
• 2.2.1 用压电换能器接收激光超声脉冲
• 2.2.2 用外差干涉仪接收激光超声脉冲 • 2.2.3 用共焦法布里一泊罗干涉仪接收超 声脉冲
斯德克激光测速仪
技wk.baidu.com参数：捕获时间、距离范围、速度范围、 速度精度等
1.5
激光应用在检测计量方面的特点
精度高 难度大
实用性高 涉及面广
可测 参量多
1.6 研究现状、发展趋势以及存在问题
测量精确度 不断提高
研究现状 激 光 检 测 计 量 存在问题 发展趋势
从静态测量 到动态测量 测量对象复杂化 测量条件极端化 超大尺寸精密测 量、微/纳米级超 精密测量等
激光雷达
1.4 激光测速
原理：利用激光照射到运动物体上所产生 的多普勒效应来测量运动物体速度。 激 光多普勒测速仪就是利用这个原理【1】。 应用：主要应用于对湍流强度及流场分布 的测量等。 优点：与传统测速方法相比，具有非接触 测量；测速精度高；空间分辨率高；测速 范围广；动态响应快，可实时测量；可同 时进行多维测量，具有良好的方向灵敏度 等。 缺点：测量精度受工作环境影响较大。
现选择激光在检测计量中主要的几个方面来分析一下 国内外激光检测的发展与应用现状。
激光准直导向
激光测距
激光雷达
激光超声
检测 计量
激光测速
全息检测
1.1 激光准直导向
原理：利用激光的方向性,把激光当作直线， 或由激光扫出一个光束平面,就可以用来进 行精密的定位、导向、安平等【2】。 应用：主要用于测量大型机械（特别是长 距离的）中的孔、轴系的同轴度以及平面 的直线度、平面度、平行度等。 优点：与目视光学仪器相比，具有工作 距离长、测量精度高、便于自动控制、 操作方便等。 缺点：在自由度测量时，分辨力较低。
• 材料特性的检测
• 由于超声能透入金属内部,大多数需要测量的材料特性参 数不是影响超声速度,就是影响超声衰减,或者两者都影响, 再加上激光超声的特点,它有可能测量以下各项特性： (l)材料的尺寸特性如厚度、高度等,用激光超声可提高测 量薄片的能力,几十微米厚的金属片,测量误差约2%。还可 进行高温在线测厚。
(2)力学特性,如测量残余应力、弹性模量等。
(3)表面质量检测。
2.4 参考文献
[1].应崇福,激光超声的原理及其在固体中的 应用.1996-06-24. [2]. 龚育良,白世武,俞为民,刘惠敏,计量新 技术——激光超声.1995-01-28. [3]. 钱梦騄,激光超声检测技术及其应.2003.
优点5
缺点：激光设备庞大复杂。
2.3.2 激光超声的应用前景
计量标准
无损检测
材料特性的检测
• 计量检测
宽频 带 非接 触测 量 超声 检测 系统 对系 统无 影响 准确 度高 高的 空间 分辨 率
波长 绝对 测量
因此激光超声检测系统适合于超声换能器和声发射换能器的计量标准。
• 无损检测
• 因为激光技术对包括纵波、横波和表面波在内的整个超声 波都是灵敏的,所以它可以用来探测体内,表面和表面下的 缺陷。 • 由于激光超声检测可实现非接触式遥控检测,因此它特别 适合恶劣环境下敏感表面产品和很小样品,如微观焊接的 无损检测。
缺点：对气候的依赖关系很强。 技术参数：测量精度（分辨力）、测量距离等
激光测距仪
1.3 激光雷达
原理：在激光测距仪的基础上，利用分光方 法，对特定的大其成分的分布进行测定，是 一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统 ，其原理与构造与激光测距仪极为相似【1】。 应用：直升机障碍物规避 、化学战剂探测 、成像激光雷达可水下探物 优点：与普通微波雷达相比，激光雷达由于 使用的是激光束，工作频率较微波高了许多 。所以具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干 扰能力强、低空探测性能好、体积小、重量 轻等。 • 缺点：工作时受天气和大气影响大、波束窄 ，在空间搜索目标困难等。 技术参数：作用距离、目标搜索和捕获能力等
自主创新 能力较差 高附加值测量仪 器设备几乎空白
1.7 参考文献
[1].陈家璧，彭润玲主编.激光原理及应用.北 京：电子工业出版社,，2009 [2].叶声华主编.激光在精密测量中的应用.北 京：机械工业出版社，1980 [3].蓝信钜等.激光技术.北京：科学出版社， 2000
2. 激光超声
2.1