第三章 激光衍射测量技术
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径1. 引言1.1 激光衍射法的基本原理激光衍射法是一种利用激光光束经过细丝时发生衍射现象来测量细丝直径的方法。
其基本原理是将激光光束照射到纺织品细丝上，细丝会散射出具有特定频率和方向的光线。
这些衍射光线经过适当的光学系统，形成明暗交替的衍射斑图。
通过测量这些衍射斑的特性，如斑点之间的距离和角度，可以计算出细丝的直径。
激光衍射法利用了激光光束的高强度和单色性，使其在经过细丝后产生清晰的衍射斑图，从而能够准确测量细丝直径。
与传统的光学显微镜方法相比，激光衍射法具有更高的测量精度和测量范围，能够适用于不同类型和直径范围的纺织品细丝。
激光衍射法通过利用激光的特性和衍射现象，实现了对纺织品细丝直径的精确测量，为纺织品生产和质量控制提供了重要的技术支持。
1.2 纺织品细丝直径的重要性纺织品细丝直径是纺织品品质的重要指标之一。
纺织品细丝直径的大小直接影响着纺织品的质地、手感、透气性和耐磨性等性能。
纺织品细丝直径的精确测量对于调整纺纱工艺、改进纺织品产品质量具有重要意义。
纺织品细丝直径决定了纺织品的织物密度及表面光泽度。
纤维直径较细的纺织品更加柔软细腻，而直径较粗的纺织品则具有较强的耐磨性和结实度。
通过准确测量纤维直径，可以有针对性地调整纺纱工艺参数，生产出更符合市场需求的纺织品产品。
纺织品细丝直径对纺织品的透气性和吸湿性也有影响。
细丝直径较细的纺织品透气性好，吸湿快，适合夏季穿着；而较粗的纺织品则保暖效果更好，适合冬季穿着。
通过准确测量纤维直径，可以根据不同季节和用途要求生产出功能性更强的纺织品产品。
纺织品细丝直径的重要性不言而喻。
精确测量纤维直径将有助于提高纺织品的品质，满足消费者多样化的需求，推动纺织品行业的发展。
研究和应用激光衍射法测量纺织品细丝直径具有重要意义，值得进一步探索和推广。
2. 正文2.1 激光衍射法在纺织品细丝直径测量中的应用激光衍射法在纺织品细丝直径测量中的应用是一种非常有效的技术方法。
激光测量技术
激光测量技术
作者：孙长库
出版年： 2001年
本书系统地介绍了激光测量的基本原理、方法及应用,主要内容包括:激光的基本原理与技术、激光干涉测量技术、激光衍射测量技术、激光准直及多自由度测量技术、激光三维视觉测量技术等。
第一章激光原理及技术
第一节辐射理论概要
第二节激光产生的原理及条件
第三节激光的基本物理性质
第四节高斯光束
第五节稳频技术
第六节激光调制技术
第七节半导体激光器
第二章激光干涉测量技术
第一节激光干涉测量长度和位移
第二节激光小角度干涉仪
第三节激光外差干涉测量技术
第四节激光全息干涉测量技术
第五节激光散斑干涉测量技术
第六节激光光纤干涉测量技术
第七节激光多波长干涉测长技术
第三章激光衍射测量技术
第一节激光衍射测量原理
第二节激光衍射测量方法
第三节激光衍射测量的应用
第四章激光准直及多自由度测量
第一节激光准直测量原理
第二节激光准直仪的组成
第三节大气扰动及激光束漂移
第四节激光准直测量的应用
第五节激光多自由度测量技术
第五章激光视觉三维测量技术
第一节激光三角法测量原理
第二节激光视觉测量的基本原理
第三节激光视觉三维测量技术的应用第六章激光的其他测量技术
第一节激光多普勒(Doppler)测速技术第二节激光扫描测径技术
第三节激光测距技术。
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
激光衍射方法是一种常用的非接触式测量纺织品细丝直径的方法。
相比传统的直径测
量方法，如显微镜测定法和拉力测定法，激光衍射法具有高精度、快速、不会对纤维产生
伤害等优点。
激光衍射法的基本原理是利用激光束的衍射现象，通过对衍射光的干涉图案进行分析，可以计算出纺织物细丝的直径大小。
在测量过程中，将纺织品细丝放置在激光束中心，激
光束通过光阑限制其大小，使其成为一个圆形的光斑，然后让激光束通过纺织品细丝，当
激光束与纺织品细丝相遇时，会产生衍射现象，衍射光会在示波器上形成一幅干涉图案。
根据衍射光干涉图案的形状和大小，可以计算出纺织品细丝的直径大小。
激光衍射法的优点是测量过程中不会对纤维产生损伤，能够测量微小的纤细丝，精度高，速度快。
对于纤细丝直径的测量在纺织品生产的各个环节中都具有重要的应用价值。
例如，在精纺过程中需要控制纤维的直径大小，以保证纱线的强度和质量；在纺织面料制
造过程中，需要测量细丝的直径大小，以便控制面料的质量；在纤维科学研究中，需要对
纤维的直径大小进行分析和比较，以探究纤维的物理化学性质。
因此，激光衍射法是一种非常重要的测量手段。
随着激光技术的不断发展，激光衍射
法将会越来越被广泛应用在纺织、化学等领域。
激光测量技术总结
激光测量技术第一章 激光原理与技术1、简并度：同一能级对应的不同的电子运动状态的数目；简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级，这样的能级叫 简并能级2、泵浦方式：光泵浦，电泵浦，化学泵浦，热泵浦3、激光产生三要素：泵浦，增益介质，谐振腔阀值条件:光在谐振腔来回往返一次所获得光增益必须大于或者等于所遭受的各种 损耗之和.4、He-Ne 激光器的三种结构：【主要结构：激光管（放电管，电极，光学谐振腔）+电源+光学元件】 1）内腔式；2）外腔式；3）半内腔式5、激光器分类：1）工作波段：远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X 光激光器2）运转方式：连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器6、激光的基本物理性质：1）激光的方向性。
不同类型激光器的方向性差别很大，与增益介质的方向性及均匀性、谐振腔的类型及腔长和激光器的工作状态有关。
气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性 ，最好！例1：对于直径3mm 腔镜的632.8nmHe-Ne 激光器输出光束，近衍射极限光束发散角为2）激光的高亮度。
3）单色性。
激光的频率受以下条件影响：能级分裂；腔长变化←泵浦、温度、振动4）相干性：时间相干性(同地异时)：同一光源的光经过不同的路径到达同一位置，尚能发生干涉，其经过的时间差τc 称为相干时间。
相干长度： 例 : He-Ne laser 的线宽和波长比值为10-7求Michelson 干涉仪的最大测量长度是多少？ 解： ，最大测量长度为Lmax=Lc/2=3.164m 。
空间相干性（同时异地）：同一时间，由空间不同的点发出的光波的相干性。
7、相邻两个纵模频率的间隔为谐振腔的作用：（1）提供正反馈；（2）选择激光的方向性；（3）提高激光的单色性。
例 设He-Ne 激光器腔长L 分别为0.30m 、1.0m,气体折射率n~1,试求纵模频率间隔各为多少?8、激光的横模：光场在横向不同的稳定分布，激光模式一般用TEMmnq 表示原因：激活介质的不均匀性，或谐振腔内插入元件（如布儒斯特窗）破坏了腔的旋转对称性。
激光衍射测试技术介绍
演讲人
目录
01. 激光衍射测试技术原理 02. 激光衍射测试技术方法 03. 激光衍射测试技术应用案例 04. 激光衍射测试技术的发展趋
势
激光衍射测试技术原 理
激光衍射现象
激光衍射是光波在传播过程中遇到 障碍物或小孔时，发生散射的现象。
激光衍射现象是由于光波在传播过程 中遇到障碍物或小孔时，发生干涉和 衍射，形成明暗相间的条纹。
应用领域
激光测距：测量距离、速度、加
01
速度等参数 激光雷达：用于自动驾驶、无人
02
机、机器人等领域 激光通信：实现高速、远距离的
03
数据传输 激光医疗：用于眼科、皮肤科、
04
牙科等领域的诊断和治疗
激光衍射测试技术方 法
测试方法分类
01
单光束法：利用 单束激光进行衍 射测试，适用于 简单样品的测试
激光衍射 测试技术 在航空航 天领域的 应用
01
02
03
04
市场前景
激光衍射测试技术在工业生产中的应用越来越广 泛，市场需求持续增长。
随着科技的发展，激光衍射测试技术在科研领域 的应用也越来越多，市场潜力巨大。
激光衍射测试技术在医疗、环保等领域的应用也 在逐步拓展，市场空间广阔。
随着激光衍射测试技术的不断进步，未来市场将 更加多元化，竞争更加激烈。
性质。
激光衍射测试技术 可以分析材料的晶 体结构、晶粒大小、 晶界分布等参数， 为材料的设计和优
化提供依据。
激光衍射测试技术 还可以用于材料的 无损检测，如检测 材料的缺陷、裂纹 等，为材料的质量
控制提供支持。
激光衍射测试技术 在材料分析领域具 有广泛的应用前景， 如金属材料、陶瓷 材料、高分子材料
激光衍射计量的基本原理
激光衍射计量的基本原理
激光衍射计量是一种利用激光光束经过物体后产生的衍射现象来测量物体尺寸和形状的方法。
其基本原理如下：
1. 衍射现象：当一束光通过一个孔或物体边缘时，会出现光的弯曲和扩散现象，称为衍射。
这是由于光波遇到物体边缘时，部分光波被遮挡或遇到不同介质的折射、反射等现象导致的。
2. 激光光源：激光是一种特殊的光源，具有单色性、方向性和相干性等特点。
激光光源产生的光束具有高度的平行性，能够产生清晰的衍射图样。
3. 衍射图样：当一束激光光束通过物体后，光波将遇到物体边缘产生衍射现象。
在远离物体的平面上，可以观察到衍射图样，即被衍射光波干涉形成的暗条纹和亮条纹。
根据衍射图样的形状和尺寸，可以推断出物体的尺寸和形状信息。
4. 衍射计量原理：利用激光光束通过物体后的衍射图样，通过对衍射图样进行分析和测量，可以计算出物体的尺寸和形状参数。
常用的方法有衍射光栅、傅里叶变换和数学模拟等。
衍射计量方法具有非接触、高精度和无破坏性等优点，广泛应用于工业、科研和医学等领域，用于测量微小物体的形状和尺寸。
激光衍射法
激光衍射法激光衍射法是一种用激光光束照射样品后，通过观察光束的散射图案来分析样品结构和性质的方法。
它是一种非常重要的实验技术，在材料科学、化学、生物学等领域都有广泛的应用。
一、激光衍射法的原理激光衍射法是利用激光光束照射样品后，观察光束的散射图案来分析样品结构和性质。
光束在照射样品后，会发生散射现象，这种散射现象可以被观察到，并用来分析样品的结构和性质。
激光衍射法的原理是基于光的散射现象。
当光线通过一个物体时，会发生散射现象。
散射光线的方向和强度与物体的形状、大小、密度和折射率等因素有关。
因此，观察散射光线的方向和强度可以了解物体的结构和性质。
二、激光衍射法的应用1. 材料科学领域激光衍射法在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以用来分析材料的晶体结构、纤维结构、表面形貌等。
例如，利用激光衍射法可以研究纳米颗粒的大小和分布、聚合物的分子量和分子量分布、金属表面的形貌和粗糙度等。
2. 化学领域激光衍射法在化学领域的应用也非常广泛。
它可以用来分析分子的大小、形状、结构和分布等。
例如，利用激光衍射法可以研究蛋白质的分子量和分子量分布、聚合物的分子量和分子量分布、胶体粒子的大小和分布等。
3. 生物学领域激光衍射法在生物学领域的应用也非常广泛。
它可以用来分析生物分子的大小、形状、结构和分布等。
例如，利用激光衍射法可以研究细胞的大小、形状和表面结构、蛋白质的分子量和分子量分布、DNA 的大小和分子量等。
三、激光衍射法的优点1. 非接触性激光衍射法是一种非接触性的分析方法。
它不需要接触样品，可以避免样品受损或污染，同时也可以避免影响样品的测量结果。
2. 高精度激光衍射法可以实现非常高的精度。
它可以测量非常小的样品，同时也可以测量非常大的样品。
它可以测量样品的大小、形状、结构和分布等，可以提供非常详细的样品信息。
3. 非破坏性激光衍射法是一种非破坏性的分析方法。
它可以在不破坏样品的情况下进行分析，可以保持样品的完整性和稳定性。
激光衍射法测粒径的原理
激光衍射法测粒径的原理
激光衍射法测粒径的基本原理是:
1. 当细小粒子遇到激光光束时,会发生弯曲衍射现象。
2. 衍射角度与粒子大小相关,角度越大,表示粒径越小。
3. 检测器探测各角度上衍射光强度的分布。
4. 根据衍射理论,可以推导出每个角度的光强对应着特定大小粒子的存在。
5. 通过数学运算和转化,可以得到overall的粒径分布和统计参数。
6. 优势是快速、广谱范围、统计充分,可测试微米至纳米级粒径。
7. 需要校准样品建立角度与大小的对应关系。
8. 结果受粒子形状、折射率等因素影响。
9. 适用于粉体、乳液、悬浮液等样品。
10. 广泛应用于工业颗粒制品的粒径分析与过程控制。
综上,该技术根据光的衍射原理,实现对细小颗粒粒径的快速精确测量。
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径
应用激光衍射法测量纺织品细丝直径纺织品的细丝直径是评估其质量的重要指标之一。
现有的测量方法包括显微镜测量和电子显微镜测量。
但这些方法需要昂贵的仪器和技术人员，并且需要对样品进行处理和准备。
因此，需要一种简便、准确、非破坏性的方法来测量纺织品细丝直径。
激光衍射法是一种测量尺寸的非破坏性方法，已广泛应用于许多领域。
本篇文章将介绍应用激光衍射法测量纺织品细丝直径的原理、方法和应用。
1. 原理激光衍射法是利用光的散射现象来测量物体直径的方法。
当激光束穿过物体时，光线会散射，形成一个光斑。
通过测量光斑的大小和位置，可以计算出物体的直径。
对于细丝来说，如果光斑比细丝直径小得多，即光斑处于光的衍射极限之内，那么衍射现象就不能忽略。
这时，可以利用 Fresnel 衍射公式来计算细丝直径，公式如下：d = (λL)/(a(sinθ1 + sinθ2))其中，d 是细丝直径，λ 是激光波长，L 是激光到细丝的距离，a 是光斑直径，θ1 和θ2 是光斑中心处的散射角。
2. 方法激光衍射法的测量步骤如下：(1) 将纺织品细丝固定在一个支架上，使其与激光光路垂直。
(2) 将激光指向细丝，使其穿过细丝并产生光斑。
(3) 调整光斑位置，使其在摄像机的视野内。
(4) 利用摄像机对光斑进行拍摄，然后对图片进行处理，如裁剪和调整亮度和对比度。
(5) 利用图像处理软件对光斑的大小和位置进行测量，然后代入 Fresnel 衍射公式，计算出细丝直径。
需要注意的是，测量时要保持光路稳定，避免干扰，同时选用合适的激光波长和光斑大小，以保证测量的准确性。
3. 应用激光衍射法在纺织品领域的应用主要包括以下几个方面：(1) 评估纺织品细丝直径的精度和一致性，以确定产品质量。
(2) 比较不同纤维的细丝直径，研究其影响因素，如纤维类型、纺纱方式等。
(3) 评估纺织品的抗拉强度和伸长率等力学性能，以及对其进行耐久性测试。
(4) 研发新型纤维材料和纺织品，通过测量细丝直径以评估其性能。
激光衍射测量技术
1980年代
随着计算机技术的发展，激光 衍射测量技术逐渐成熟，并广
泛应用于各个领域。
1990年代至今
激光衍射测量技术不断创新和 完善，成为一种高精度、高效
率的测量技术。
激光衍射测量技术的应用领域
微纳测量
用于测量微小尺寸和纳 米级结构，如微电子器
件、纳米材料等。
生物医学
用于测量生物细胞、蛋 白质等生物分子的结构
光电探测器接收衍射光信号，并将其转换为电信号，信号处理和控制系统对电信号 进行分析和处理，最终得到测量结果。
03
激光衍射测量技术
的实验方法
实验前的准备
选择合适的测量仪器
确定测量参数
根据实验需求选择合适的激光器、光路系 统、探测器等设备，确保测量精度和稳定 性。
根据被测物体特性，确定合适的测量距离 、角度、波长等参数，确保测量结果的准 确性。
激光衍射测量技术
目录
CONTENTS
• 激光衍射测量技术概述 • 激光衍射测量技术的基本原理 • 激光衍射测量技术的实验方法 • 激光衍射测量技术的应用实例 • 激光衍射测量技术的优缺点
01
激光衍射测量技术
概述
定义与原理
定义
激光衍射测量技术是一种利用激光束 的衍射效应进行测量和检测的技术。
原理
快速测量
激光衍射测量技术具有快速测量的特点，能够实现快速、实时的测量， 提高了测量效率。
高分辨率
激光衍射测量技术具有高分辨率的成像能力，能够清晰地呈现出被测 物体的细节和结构。
缺点
对环境要求高
激光衍射测量技术对环境条件 要求较高，需要在恒温、恒湿 、无尘的环境中进行测量，以 确保测量结果的准确性和稳定 性。
光电子测量技术-激光衍射测试技术
➢ 目前制作的光纤光栅反射率R可达98％，反射谱宽为1nm。
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23
§3-3 衍射光栅
3.3.2 衍射光栅应用例 ➢ 4．光栅分束器
第三章 激光衍射测试技术
引言
➢ 光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向， 绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观 察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。 使光波发生衍射的障碍物或者其它能使入射光波的振幅或 位相分布发生某种变化的光屏称为衍射屏。
➢ 激光出现后，由于它具有高亮度、相干性好等优点，使光 的衍射现象在测试技术中得到了实质性应用。
b k1L zxk1
xk1 2L
k2L zxk2
xk21
2L
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L
1
A
b
θ1
A1
θ2
A’1
3
z
2
分离间隙法原理图
P1
xk1
xk2 P2
15
§3-2 激光衍射测试方法
3.2.4 艾里斑测量法
➢ 艾里斑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。
光电接收器1
激光器
S
bθ
P0
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单缝夫琅和费衍射的实验装置
4
§3-1 激光衍射测试技术基础
5.1.1 单缝衍射 ➢ ②单缝夫琅和费衍射强度I 分布 ➢ 用振幅矢量法或衍射积分I0 法1都可以得到缝宽为b的单缝夫
第3章 -激光衍射测量技术-1
互补测量法
26
2
激光衍射测量方法
艾里斑测量法 艾里斑测量法是基于圆孔的夫琅禾费衍射原理。下图为用艾里 斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。
测量仪器和被测件作相对 运动，以保证每个孔顺序 通过激光束。通常不同的 喷丝头，其孔的直径约为 10~90µ m 范 围之 内 。 由 激 光器1发出的激光束，照射 到被测孔2上，通过孔以后 的衍射光束由分光镜3分成 两部分，分别照射到光电 接收器 5 和 7 上。两接收器 分别将照射在其上的衍射 图案 4 、 6 的光信号转换成 电信号送到电压比较器8。
激光多波长干涉测量：半导体激光调频干涉测距
今天主讲内容：
激光衍射测量技术
1
第3章 激光衍射测量技术
1 激光衍射测量原理
2
激光衍射测量方法
3 激光衍射测量的应用
2
1
激光衍射测量原理
概述 衍射是波在传输途中遇到障碍物而发生偏离直线传播的现象。 波的衍射也叫绕射，顾名思义，波可以绕过障碍物而在某种程 度上传播到障碍物的几何阴影区。 由于光的波长较短，只有当光通过很小的孔或者狭缝，很小的 屏或细丝时才能明显地观察到衍射现象。激光出现以后，由于 它的单色性好、相干性好、高亮度等优点，使光的衍射现象得 到了实质性的应用。 1972年加拿大国家研究所的T.R.Pryer提出了激光衍射测量方法。 这是一种利用激光衍射条纹的变化来精密测量长度、角度、轮 廓的一种测量方法。 具有非接触、稳定性好、自动化程度及精度高等优点，广泛应 用于国防、工业、医学等领域。
单缝衍射测量的分辨力、精度和量程 测量分辨力：指的是激光单缝衍射测量能分辨的最小量值。 得到衍射测量的灵敏度：
由衍射测量公式
第三章 激光衍射测量技术
39
当颗粒尺寸较大（至少大于 2 倍波长）， 并且只考虑小角 散射 （散射角小于 5°）时，散射光场也可用较简单的夫琅 禾费衍射理论近似描述。
由发射、接收和测量窗口等三部分组成
发射部分由光源和光束处理器件组成，主要是为仪器提供单
色的平行光作为照明光；接收器是仪器光学结构的关键；测量窗 口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便 仪器获得样品的粒度信息。
特点：1、灵敏度提高一倍
2、入射光可以以一定角度入射，布置方便
应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等
问题：组成狭缝的两棱边不在同一平面内
利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹进行 精密测量的方法被称为分离间隙法
P1出现暗条纹的条件：
A 1 'A 1 P A 1 P A 1 'P 1 A 1 P A 1 'A 1 P A 1 'P 1
bk1Lzxk1 k2Lzxk2
xk1 2L xk2 2L
当k1=k2时
bxk1 zxk21 bxk2 zxk22 L 2L2 L 2L2
xk1 b
zxk1 2L
xk2
b
zxk2 2L
故有 xk2 xk1,所以狭缝的两在 个同 棱一 边平 不面上纹 ，会使
中心亮条纹两图 边样 的出 衍现 射不对 ;在称 接现 收象 屏棱边
天津大学工程光学实验——激光衍射法测量细丝直径
专业：测控技术与仪器
年级：
成绩：
f
2x
632.8 109 60 102 0.095mm 2 2 103
故细丝的直径约为 0.095mm.
x f
图1 当一束激光照射到被测细丝上，发生衍射效应，在透镜焦距 f 处接收 其衍射光强分布图，由衍射光强分布图测出第 n 级暗纹中心到中央零级 条纹中心的距离 X，即可计算出细丝直径。 值得注意的是： 此法虽然测量精度较高， 但一般只适用于测量 0.5mm 以下的细丝直径，同时要求 L>>d。 三、 实验内容与要求
测量原理如图1所示当一束激光照射到被测细丝上发生衍射效应在透镜焦距f处接收其衍射光强分布图由衍射光强分布图测出第n级暗纹中心到中央零级条纹中心的距离x即可计算出细丝直径
天津大学本科生实验报告
课程名称：工程光学 实验四
一、 实验目的
姓名：
学号：
学院：精仪学院
实验内容
专业：测控技术与仪器
年级：
成绩：
激光衍射法测量细丝直径
1. 了解衍射效应在计量技术中的应用 2. 掌握激光衍射法测量细丝直径的基本原理和测量方法 二、 实验原理 激光衍射法测量细丝直径是基于巴俾捏原理：两个互补的障碍物，其夫 朗和费衍射图形、光强分布相同，位相相差π/2，因此，当细丝直径与狭缝 宽度相等时，他们是两互补障该物，可以用测量狭缝的方法测量细丝直径。 测量原理如图 1 所示
ห้องสมุดไป่ตู้
本实验方法对被测直径是 O.6mm 的细丝适用吗？ 答：不适用，此法虽精度高，但一般只适用于 0.5mm 以下的细丝直径测量，若直 径过宽会导致衍射暗纹距中央亮条纹过近以致难以辨别，或根本找不到暗纹，暗 纹级次难以分辨出，故 0.3mm 细丝不适用。 五、 数据处理 （暗条纹） ； sin
激光衍射计量的基本原理
激光衍射计量的基本原理
激光衍射计量是一种测量物体形状和尺寸的非接触式测量方法。
它利用激光光束通过物体表面产生衍射现象来测量物体的形状和尺寸。
其基本原理可以分为以下几个方面：
1. 激光光源：激光衍射计量使用激光作为光源，激光具有高相干性和定向性，能够产生高强度、窄带宽和平行度好的光束。
2. 衍射原理：当激光光束照射到物体表面时，光波会发生衍射现象。
根据衍射原理，光波在物体表面上衍射后，会形成一系列衍射光斑，其中的干涉和衍射效应与物体形状和表面特征相关。
3. 光场分析：通过对衍射光斑进行光场分析，可以获取物体表面的形状和尺寸信息。
衍射光斑的形态和分布规律可以反映物体表面的形状和表面差异。
4. 光场重构：通过对衍射光斑进行拍摄或光学传感器采集，可以重构出物体表面的形状图像。
通过对光场进行信号处理和计算，可以获取物体的高程和形状信息。
激光衍射计量的优点是可以实现非接触式测量，无需直接接触物体表面，避免了对物体的损伤和污染。
同时，激光光源产生的激光光束具有高能量密度和高方向性，能够获得高质量的衍射光斑，提高测量精度和分辨率。
激光衍射计量广泛应用于工业制造、材料科学、生物医学等领域。
例如，它可以用于测量三维物体的形状和表面粗糙度，用于检测产品的尺寸和形状偏差，用于定位和导航，用于工业自动化生产线上的质量控制等。
总之，激光衍射计量是一种基于衍射原理的非接触式测量方法，通过分析和重构衍射光斑，可以获取物体的形状和尺寸信息。
它具有高精度、高分辨率、高效率和无损伤等优点，在工业制造和科学研究中具有重要的应用价值。
激光衍射技术
激光衍射技术电测控51 05043005 冯宁激光衍射测试技术摘要:激光衍射的原理，激光衍射的应用,激光衍射的发展关键词：激光、衍射、测量、波、传播等光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象惠更斯——菲涅耳原理是波动光学的基本原理, 是研究衍射现象的理论基础。
一、惠更斯原理在研究波的传播时，总可以找到同位相各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等相面，叫做波面，惠更斯曾提出次波的假设来阐述波的传播现象,从而建立了惠更斯原理。
惠更斯原理可表述如下：任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源,各自发出球面次波；在以后的任何时刻,所有这些次波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。
根据这个原理,可以从某一时刻已知的波面位置求出另一时刻波面的位置。
s's's s r=vt（图2－1)图2-1可以用来说明这个原理，图中SS 是某一时刻（0=t ）的波面,箭头表示光的传播方向，若光速为υ，为了求得另一时刻τ的波面的位置，可以把原波面上的每一点作为次波源，各点均发出次波，经时间τ后,次波传播的距离为υτγ=,于是各次波的包络面''S S 就是在时刻τ的波面，光的直线传播、反射、折射等都能以此来进行较好的解释。
此外，惠更斯原理还可解释晶体的双折射现象，但是，原始的惠更斯原理是十分粗糙的，用它不能说明衍射的存在，更不能解释波的干涉和衍射现象，而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而其实并不存在倒退波。
由于惠更斯原理的次波假设不涉及波的时空周期特性——波长，振幅和位相，因而不能说明在障碍物边缘波的传播方向偏离直线的现象。
事实上，光的衍射现象要细微得多。
例如还有明暗相间的条纹出现,表明各点的振幅大小不等，因此必须能够定量计算光所到达的空间范围内任何一点的振幅，才能更精确地解释衍射现象。
二、菲涅耳对惠更斯原理的改进菲涅耳根据惠更斯的“次波”假设，补充了描述次波的基本特征——位相和振幅的定量表示式，并增加了“次波相干叠加”的原理，从而发展成为惠更斯—菲涅耳原理，这个原理的内容表述如下：Q S ds rr 0θp(图2－2）如图2—2所示的波面S 上每个面积元dS 都可以看成新的波源，它们均发出次波，波面前方空间某一点P 的振动可以由S 面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振幅来表示。
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悬板相对于基准棱缘在半个周期中不断改变缝宽 b, 于是 引起衍射条纹沿一个方向扫过探测器，当振幅达到极限 位臵后，条纹即向相反方向移动；方波a和a’对应于待测 物体在改变振动方向时的转折点，a和a’之间整数和小数 部分的条纹数，相当于峰间振幅，是悬板振幅的两倍。
六、直径和薄带宽度测量
1.漆包线激光动态测径仪
θ为任意值， 可以测量某一θ角度下的两个xk值求解
特点： 1、灵敏度提高一倍
2、入射光可以以一定角度入射，布臵方便
应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等
3.分离间隙法
问题：组成狭缝的两棱边不在同一平面内
利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹进行 精密测量的方法被称为分离间隙法
P1出现暗条纹的条件：
激光测量技术
Laser Measurement Technology
第三章 激光衍射测量技术
§3.1 激光衍射测量原理
一、 菲涅耳和夫琅禾费衍射
菲涅耳和夫琅禾费衍射 光的波长短， 对很小的孔/屏、狭缝/细丝才有明显的衍射现象；
夫琅禾费衍射是本章进行衍射测量的基本原理
特点：全场，非接触，稳定性好，自动化程度高，精度高
A1 ' AP1 AP1 A1 ' P1 AP1 A1 ' AP1 A1 ' P1 b sin 1 ( z z cos 1 ) k1
可得：
b sin 1 2 z sin 2 1 k1 2
P2点出现暗条纹的条件：
b sin 2 2 z sin 2 2 k2 2
由于很多不确定因素的存在, 使得待识别的信号在局部区域内不是光 滑连续的。直接采用上面的算法将导致识别失败, 为此改进算法如下: ( 1) 采用中值滤波对信号作平滑处理; ( 2) 用滑动窗口内信号的平均值来代替单点值扫描衍射图样; 采用非线性中值滤波的目的在于消除信号中尖峰干扰 (主要由量化引 入) , 保证局部范围内信号的平滑, 但必须合理选择滤波器的宽度否则 达不到目的。用滑动窗口内信号的平均值来代替单点值扫描识别衍射 图样, 可以消除信号小范围波动对识别的影响，增强暗点识别的可靠 性。 识别暗点数同时可以得到暗点的粗略位臵( 扫描到一个暗点时记下它 的位臵) 。由于识别时对信号作了非线性处理, 而且扫描是由滑动窗 口完成的, 因而此时得到的暗点位臵是很粗糙的, 远远达不到测量精 度要求, 必须进一步精确指定暗点位臵。对暗点的精确定位是基于下 面三个前提:
则b 0.3m, 此时缝宽 b 0.19mm，b / b 1.6 103。
考虑环境因素的影响，一般测量的精度可达±0.5μm
3.测量量程
dx k
kL db db 2 b
1)b越小,β越大,衍射明显 2)b越小, XK变大,光强分布减弱,高级次条纹不明显 3)b越大, XK变小,条纹变密, 传感器不易放臵, 灵敏度下降 L>>b2/λ, 仪器尺寸限制, b基本确定，L=1000mm，b<<0.8mm
5.爱里斑测量法
测量对象：直径约在10~90 μm范围之间的喷丝头
基于圆孔的夫琅和费衍射原理，由于艾里斑中心亮斑和暗环没有十分
明显的边界，因此采用能量比较法间接测量
假设：通过微孔衍射所得到的明暗条纹的总能量不随孔的微小变化
而变化，但明暗条纹的强度分布随孔的变化而急剧改变。
方案： 设计使光电探测器 5 接收
如果xk的测量分辨力是 0.01mm，则衍射测量能达到的 分辨力为0.04m
2.测量精度
由仪器的随机误差理论，可得到衍射测量误差为
b
kL kL kL L x k 2 xk xk xk
CCD能接收2~4个条纹，则每个条纹周期T=2048/4=512μs。考 虑到 CCD接收的信号是非周期的，实际应用中采用二阶巴特 沃思低通滤波，截止频率取10×1/T。
暗点识别：为得到精确的测量结果必须对信号衍射图样进行精确的
识别，包括以下两方面： ( 1) 能自动识别出一帧CCD 信号衍射图样中暗点的个数; ( 2) 能精确地定位每个暗点对应的位臵; 存在困难：因为被测细丝的直径有一定的分布范围, 衍射图样变化很 大, 且衍射图样中暗点锐度很小。 衍射图样中暗点数的识别：一般地 , 采用扫描法逐点扫描衍射图样来 识别暗点数。理论上, 在顺序扫描时如果某一点满足下面两个条件就 可认为是一个暗点: ( 1) 当前点的值比前一点值小; ( 2) 后一点值比当前点值大
Hale Waihona Puke zxk212
bxk2
zxk22
应用举例:
4、互补测量法
巴俾涅原理
用平面光照射两个互补屏时，它们产生的衍射图形的形 状和光强除光源点的几何像点之外完全相同，仅复振幅 的位相差为π。
细丝,薄带可进行衍射测量:
互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.0l—0.1mm 测量精度可达0.05μm
k xk2 f '2 xk2 f '2 d xk s
将上式展开进行三角运算
2b(cos sin 2 sin sin
2
2
) k
有
所以有:
x sin tan k L
xk sin 2 2L
xk xk 2b (cos sin ) k L 2L
xk b kL / 2 xk cos sin 2L
可求出被测物尺寸或轮廓的变化量
(三) 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程
1.测量分辨力
衍射测量灵敏度
db b2 t dxk kL
缝宽b越小，级数越高，L越大, 波长越长, 分辨力越高 灵敏度反映了狭缝衍射对尺寸的放大倍数 , 即放大了1/t 倍；Xk的测量分辨力,决定了狭缝的测量分辨力
例：取L 1000mm，b 0.1mm，k＝ 4, 0.63m，可得 t 1/ 250
二、单缝衍射测量
(一) 单缝衍射测量原理
观察屏上的光强分布：
sin2 β I = I0 ( 2 ) β β = πb sinθ λ
暗条纹位臵 b sin k 测定任何一个暗条纹的位臵就可以精确知道被测间隙的尺寸
(二) 单缝衍射测量的基本公式
由远场衍射条件有 sin 当θ不大时则有:
作用：漆层厚度变化造成漆包线外径的变化将显示在测
量仪的显示器上，从而实现人工调整涂漆参数，保证涂 漆质量。
为避免 CCD 探测器饱和，扩大 CCD 动态范围，将零级条纹挡去。
CCD输出信号处理 低通滤波：在保证信号不失真前提下尽可能降低截止频率
例：若CCD像素2048，数据时钟1MHz，在设计结构时保证
一般d的宽度取0.01mm-0.5mm
三 、圆孔衍射测量
屏上接收光强：
2 J ( x) I P I0 1 x
2
其中：
x
2a sin
a 1.22
爱里斑尺寸
f'
D
§3.2 激光衍射测量方法 1、间隙测量法
基于单缝衍射原理 应用：
1）尺寸比较测量
2）形貌测量
由 sin 1
xk1 L
, sin 2
xk2 L
可得
bxk1 zxk21 k1 L 2 L2 2 bx zx k2 k2 k 2 2 L2 L
分离间隙衍射的缝宽公式为 k1 L zxk1 k2 L zxk2 b xk1 2L xk2 2L
2 2 2 2 2
kL L xk xk L xk
2
对于He Ne激光器， / 109，可忽略 例： 取L 1000 mm，b 0.1mm，k＝ 3, 0.63m，L和xk不超过 0.1%
3）传感器
基本装臵：
间隙法测量位移，有两种方法 (1) 绝对测量法
b'b
b'b
1 kL kL 1 kL x ' x xk ' xk k k
(2)增量测量法
kL k ' L k 'k N sin sin sin sin
xk
2 xk L2 xk sin tan L
由暗条纹的公式知:
b xk k L
b
kL L xk s ——单逢衍射测量的基本公式
被测物尺寸改变 时，相当于狭缝尺寸改变 ，由下式
b b0 kL
1 1 xk xk 0
要求棱缘全长都同时被激光束照亮，通常用于测量线
状边缘的物体，也可以测定曲率较小的弧形或一 些不规则的构件。
四、位移和间隔的远离测量
特点：检测器可以离传感器很远，对在需要遥测或有害
环境下观察特别有利。
还可用于研究封闭容器中（如真空中）弹性物体的变形 情况，以便作为传感器监视地震或重力加速度的变化。
五、振动的测量
当k1=k2时
bxk1 L 2L L 2 L2 zxk1 zxk2 xk b xk1 b 2 2 L 2 L 故有xk2 xk1 , 所以狭缝的两个棱边不 在同一平面上，会使条 纹
中心亮条纹两边的衍射 图样出现不对称现象 ; 在接收屏棱边较 近的方向，条纹间距增 大
应用方法:
1.傅里叶变换检测法 直接利用透镜的傅里叶变换特性，用光电探器 探测物体的频谱，对信号进行分析和处理、然后判 定是否有缺陷。
2. 二次傅里叶变换检测法
利用透镜衍射的二次傅里叶变换。获得被检缺 陷的像，用目视或光电检测直接判定缺陷大小以及 缺陷的位臵。