激光传感技术及应用

图6 利用激光的方向性 准直示意图
利用高斯光束的中心线作 直线基准。常用He-Ne激光器 作为光源，它的发散角为 lmrad，远处的光斑直径为 50cm，采用准直望远镜后， 可以将发散角压缩至0.1mrad。 高斯光束的中心线是一条直线， 可以用来作为基准直线。用四 象限光电池作为接收器，当准 直点偏离中心时，光电池就会 输出与偏差量成正比的电压信 号Vx。和Vy。
图 4 激光莫尔版型测量系统

图5 激光扫描原理图
激光束经过透镜l后被 反射镜反射，由于同步位 相马达的转动而形成扫描 光束。扫描光束经过透镜1 后变成平行的扫描光束， 平行扫描光在扫描过程中 被工件遮挡，光束经过透 镜2后被位于焦平面上的探 测器D接收得到一个随时问 变化的光电信号。再经过 后续的信号处理电路(主要 包括信号放大电路、边 缘检出电路、计数电路等)， 就可以得出工件直径的测 量值。
图9 利用激光相 关性准直示意图
采用方形菲涅耳波带片来提高激光 准直仪的对准精度，称为波带片准直 法。当激光束通过望远镜发射出来以 后，均匀地照射在波带片上，并使其 充满整个波带片。这样，在光轴的某 一个位置会出现一个很细的十字叉。 当用一个观察屏放在此处，可以看到 清晰的十字亮线。调节望远镜的焦距， 十字叉就会出现在光轴的不同位置。 这些十字叉的交点的连线为一直线， 可以用来作为直线基准来进行准直测 量。十字叉中心的探测可以用光电探 测器，这样可提高准直精度。采用这 种方法进行准直，在3km以内的准直 精度达25um。
激光准直法通常在长距离直线度测量仪器中采用， 不但具有拉钢丝的直观性、简单性，而且具有光学准 直仪的高精度，同时还可以实现全自动测量。激光准 直测量技术为许多领域中的直线度测量提供了一种较 理想的手段。 直线度是指一系列的点列或连续表面对于几何直 线的偏离程度。直线度测量是平面度、平行度、垂直 度等几何量测量的基础，而激光准直技术是直线度测 量的关键技术。激光准直的方法主要有两种。 1、利用激光的方向性准直 2、利用激光的相干性准直

脉冲测距法是利用光速不变的基本原理，由激光器向 被测目标发出一个激光短脉冲信号，该信号经目标反射后 返回，如果激光从发出脉冲到接收返回信号的时间间隔为 t，则被测距离可表示为 L=0.5 Co *t 式中Co 为光速



调幅波相位测距 脉冲相位测距





粗糙表面或许多颗粒会引起激光散射，由于这些散射 光彼此不规则的位相关系可产生干涉的斑纹，称之为散斑。 大气层使星光闪烁，电离层的扰动使电波强度产生变化， 海面或树木可造成雷达盲区，都是基于这一原理。 由于激光的相干性好以及亮度高，所以很容易观察到 激光散斑。 1、用多张散斑图测量空间位移 2、用散斑照相研究位相物体 1）透明固体折射率和厚度的测定 2）透明液体折射率的测定 3、用时间平均散斑图分析振动

以激光干涉测量平晶楔角为例
图1测量平晶楔角的激光干涉系统
如图1-1所示， 由激光器发出的光 束经会聚透镜聚焦 在观察屏的小孔之 处，成发散光束， 该光束经待检平晶 前、后两个面反射 形成观察屏上干涉 条纹，干涉条纹的 中心为O，测出OS 的距离就知道平晶 的楔角。

对于微小尺寸(500um以下)的各种细丝、狭缝、 微小位移、微小孔等的测量，如果采用几何光学放 大成像法测量，会由于光的衍射效应导致测量误差 增大。激光衍射技术可以实现非接触动态测量，能 够解决这一问题。 1、细丝直径测量 2、薄带宽度测量
激光具有单色性好、方向性好、相干性好、亮 度高四大优点，因此广泛的应用于传感领域。激光 传感可以实现许多常规传感器无法实现的功能，包 括大距离、纳米级微小尺寸、高精度、非接触测量 等，而且传感器性能稳定可靠



激光干涉法 激光衍射法 激光莫尔法 激光扫描法 激光准直法 激光测距 散斑测量 全息干涉测量
图2 激光衍射测量系统组成
1、2是放大器 3是差分放大器 4是反相器 5是“与”门
图3 激光衍射钟表游丝动态测 量系统

激光莫尔法的主要功能是可以实现板材的板形测量， 由日本新日铁(株)生产技术研究所的北村公一等人开发并 用于热轧带钢板形测量。测量原理是利用相同级次的莫尔 条纹代表钢板在相同高序的位移。
．


要从全息底片观察到原被摄物的像，必须把全 息底片放回到原来照相时的位置，这时已移去被摄 物体，同时让参考光Leabharlann Baidu以与摄像时相同的角度照射 底片，那么在被照射底片的背后就能观察到原物体 的立体像。拍摄全息像的过程称为全息记录过程， 显像过程称为全息重现过程。 1、实时法全息干涉技术 2、两次曝光全息干涉技术
图10 平面参考波 拍摄全息相的原 理图
激光出射光束被分光器分 成参考光束和照明光束两部分。 参考光束通过转向反光镜、扩 束器成为平面波直接射到全息 底片上。照明光束通过扩束器 成为平面波照射到被摄物体， 然后，物体表面的漫散射光射 到全息底片上与参考光叠加。 由于浏光具有良好的空间和时 间相干性，所以能产生干涉， 在全息底片上留下全息像，经 过跟普通摄影类似的对全息底 片作显影、定影处理后，就得 到一张反映物体表面轮廓全部 信息的全息底片。
两个物体之间的距离测量是人们日常生活、工农业生产、 大地测绘和军事武器等经常遇到的问题，如两城市之间的距 离、河流的宽度和深度、山的高度等是由两个空间代表位置 间的距离确定的；而机械零件的加工、土地的丈量、武器的 瞄准和跟踪同样涉及参考位置和目标位置之间的距离测量。 激光测距不仅可以用于天文学上的大距离测量，如地球到月 亮的距离，而且测量范围可按需要选定，从纳米、微米级微 小尺寸范围一直到米、几十米、几公里的长度，各种范围都 有相应的测距传感器满足要求。根据测量原理，激光测距主 要有以下两种方法： 1、脉冲（时间）测距法 2、相位测距法

全息术是由英藉匈牙利物理学家伽博(Dennie Gabor， 1900--1997)于1948年发明的，为此，他获得了1971 年的诺贝尔物理学奖。全息术即全息照相术，是记录波动 (包括机械波、电磁波和光波)干扰的振幅和位相分布，以 及使之再现的专门技术。“全息”意思是全部的信息，即 不仅是振幅信息，还包含位相信息在内。