激光衍射测量技术资料
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
6.2 激光衍射测量
§
6 图6-12 反射衍射法原理图 2 激 在P点处出现第级暗条纹的光程差应满足 2b sin 2b sin k ,在该图的几 光 衍 何关系下缝宽可以表示为 x b kL 2 x k cos k sin 射 2L 测 量
§
6 2 激 光 衍 射 测 量
.
图6-16 薄膜材料表面涂层厚度测量
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第 六 章 激 光 在 精 密 测 量 中 的 应 用
6.2.3 激光衍射测量的应用
2. 薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带(一般宽度在1毫米)以下，均 可利用激光衍射互补测量法进行测量。在测量时要求薄带相对激光束的光轴有准 确的定位，否则将引起测量误差。图6-17是薄带宽度测量原理图。
6 2 激 光 衍 射 测 量
当被测物体尺寸改变δ 时，相当于狭缝尺 寸改变δ ，衍射条纹的位置也随之改变, 可得 1 1 b b0 kL x k xk 0 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程:
db b2 t dx k kL
2
§
.
图6-9 衍射测量原理图
第 六 章 激 光 在 精 密 测 量 中 的 应 用
6.2.2 激光衍射测量的方法
1. 间隙测量法 其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图6-11(a)。作工件形状的轮廓 测量，如图6-11(b)。作为应变传感器使用，如图6-11(c)。
图6-11 间隙测量法的应用
6 变化前后的两个缝宽b和b’，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为 2 k k' 激 b'b (k k ' ) N 光 sin sin sin sin 衍 射 测 量
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。
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
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
激光衍射法是一种广泛应用于纺织品领域的非接触式测量方法。
该方法可以快速、准
确地测量纺织品细丝的直径，而且不会对样品造成任何损伤。
该方法的基本原理是，利用激光光束对样品进行照射，然后通过衍射的光线进行测量。
当激光光束照射到样品表面时，光线会发生散射和衍射。
这些衍射光线被收集并传送到检
测仪器中进行分析。
通过分析衍射光线的模式和相位，可以确定样品的直径。
激光衍射法具有许多优点。
其中最重要的是测量精度高、可靠性强和速度快。
此外，
该方法还可用于对大量样品进行自动化测量。
然而，激光衍射法的测量结果可能会受到许多因素的影响，如激光光束的直径、样品
表面的反射性和衍射角度等。
因此，在进行测量前必须进行仔细的准备工作，以确保获得
准确和一致的结果。
在使用激光衍射法测量纺织品细丝直径时，首先必须准备好样品。
样品应该被修剪成
长度适当的段，确保在测量过程中不会发生不必要的扭曲和形变。
随后，样品应该被放置在一个合适的位置，以确保激光光束可以照射到样品的准确位置。
为了避免反射造成的错误测量结果，通常采用黑色或无反射涂层处理样品表面。
然后，使用激光衍射仪器进行测量。
该仪器通常由激光光源、检测仪器和计算机组成。
操作人员向仪器输入各种参数，如激光光束的波长、衍射角度和检测器的位置等，在测量后，计算机将自动计算出样品直径。
最后，在测量完成后，操作人员应该对结果进行分析和理解。
测量结果应该与实际样
品直径进行比较，以确保结果的准确性和一致性。
第五章激光衍射测量原理
第五章激光衍射测量原理激光衍射测量原理是一种利用激光光源和衍射现象进行测量的方法。
激光衍射测量原理在工业、科研和医疗等领域都有广泛的应用。
本文将详细介绍激光衍射测量原理及其应用。
激光衍射测量原理是利用激光光源产生的单色、准直、相干的光束进行测量。
当激光光束通过物体表面时，会发生光的折射、反射和散射等现象。
其中衍射是一种光的特性，是光经过物体边缘或孔径时发生的现象。
通过测量物体边缘或孔径衍射时光的变化，可以得到物体的形状、尺寸和表面形貌等信息。
激光衍射测量原理的基本步骤是：首先，将激光光束照射到要测量的物体上；然后，测量光通过物体边缘或孔径时发生的衍射现象；最后，利用衍射光的性质进行信号分析和处理，得到物体的相关信息。
具体来说，激光衍射测量原理主要涉及以下几个方面：衍射光的方向、衍射光的干涉、衍射光的强度和衍射光的相位。
首先，衍射光的方向是由物体的形状和尺寸决定的。
通过观察衍射光的方向变化，可以得知物体的大小和形状。
其次，衍射光的干涉是指当两束相干光经过物体边缘或孔径时，产生的干涉现象。
通过干涉条纹的分析，可以得到物体的表面形貌信息。
然后，衍射光的强度是由物体的反射、折射和散射等因素决定的。
通过测量衍射光的强度变化，可以了解物体的光学特性。
最后，衍射光的相位是指光波传播过程中的相对相位差。
通过测量衍射光的相位差，可以计算出物体的相对位移或表面形貌。
激光衍射测量原理在很多领域都有广泛的应用。
在制造业中，可以利用激光衍射测量原理对零件的尺寸进行检测，保证产品质量。
在科研中，可以利用激光衍射测量原理进行光学实验研究，深入了解光的性质和特点。
在医疗领域中，可以利用激光衍射测量原理对眼睛的角膜形状进行测量，进行近视和视力矫正。
总结起来，激光衍射测量原理可以通过测量衍射光的方向、干涉、强度和相位等现象，获取被测物体的形状、尺寸和表面形貌等信息。
这种方法具有非接触性、高精度和广泛的应用领域，是现代测量技术中的重要手段之一。
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法是一种常用的测量纺织品细丝直径的方法。
该方法通过将激光打在细丝上，利用激光光源在细丝表面的衍射效应，结合适当的测量仪器，可以准确地测量出纺织品细丝的直径。
激光衍射法测量纺织品细丝直径的原理是，当激光照射到细丝上时，激光光源产生的光束会经过细丝表面的散射、折射等效应，形成衍射光斑。
根据衍射光斑的形状和大小，可以间接得到细丝的直径。
具体操作步骤如下：1. 准备工作：准备一台激光器和一个细丝样本。
激光器产生的激光光束应具有狭窄且稳定的光束。
细丝样本应有一定的长度，并且表面要光滑干净，尽量减少杂质的干扰。
2. 设置实验装置：将激光器固定在一定的位置上，并调整光线的照射角度，使激光光束能够均匀地照射到细丝上。
将一个光敏感器放置在细丝的另一侧，用于接收经过细丝散射的光线。
3. 进行测量：打开激光器，使其发射激光光束。
当光束照射到细丝上时，会形成一个衍射光斑。
通过光敏感器接收到的光信号，可以获取到衍射光斑的亮度分布情况。
4. 数据处理：使用计算机或其他相应的软件，对接收到的光信号进行处理和分析。
通过分析衍射光斑的亮度分布特点，可以间接计算出细丝的直径。
具体的计算公式和方法根据实际情况而有所差异。
激光衍射法测量纺织品细丝直径具有准确性高、非接触性、快速性等优点。
该方法也存在一定的限制和不足。
仪器设备的高昂价格、光线干扰、细丝样本的形态变化等因素都会对测量结果产生一定的影响。
激光衍射法是一种有效的测量纺织品细丝直径的方法。
在实际应用中，可以根据具体的需求选择适当的设备和方法，以提高测量的准确性和稳定性。
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
激光衍射法是一种常用的测量纺织品细丝直径的方法。
它通过测量激光经过纺织品细丝时的衍射效应，来推断出纺织品细丝的直径。
激光衍射法的原理是利用激光光束通过纺织品细丝时，会产生衍射现象。
激光光束经过纺织品细丝后，会呈现出明暗交替的衍射条纹。
这些衍射条纹的形状和间距与纺织品细丝的直径密切相关。
通过观察和测量衍射条纹的形状和间距，可以推断出纺织品细丝的直径。
具体的测量步骤如下：
1. 准备测量仪器和样品。
需要准备一台激光衍射仪和待测纺织品细丝样品。
激光衍射仪由激光器、准直系统、衍射系统和检测系统等组成。
2. 调整激光衍射仪。
将激光衍射仪固定在水平台上，并调整激光器和准直系统，使激光光束垂直射向样品。
3. 放置样品。
将待测纺织品细丝样品放置在激光光束的路径上，使其与光束垂直相交。
4. 观察衍射条纹。
打开激光衍射仪的衍射系统和检测系统，使衍射条纹在检测系统的显示屏上呈现出来。
观察并记录衍射条纹的形状和间距。
5. 计算细丝直径。
根据衍射条纹的形状和间距，使用相应的数学公式或计算方法，计算出纺织品细丝的直径。
激光衍射法具有测量快速、准确度高、非接触等优点，因此广泛应用于纺织品细丝直径的测量领域。
激光衍射法还可以用于其他材料的直径测量，具有较大的应用潜力。
随着科技的发展和对纺织品细丝直径要求的不断提高，激光衍射法的应用将会更加广泛。
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
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。
激光衍射测量和莫尔条纹技术演示文稿
dxk 0.1%
db0.3m
考虑到环境干扰的影响, db0.5m
113
第13页，共40页。
3. 测量范围：
kf
b2
250
这意味着db的变化量可放大250倍。但随着b的增大，放
大倍数将急剧地减小。f 的增大将受到仪器尺寸的限制。所以 衍射测量的高测量精度只有在测量微小尺寸时才能够得到保证
。这就决定了衍射测量的测量范围很小。
14
第14页，共40页。
如果狭缝宽度太小(例如 b=1 m), 光学透镜成象的 近轴条件得不到满足，所以b不能太小。 当b的范围为 :
0.0m 1 m b0.5mm
115
第15页，共40页。
圆孔衍射测量
衍射屏
L
观察屏
1
中央亮斑 (爱里斑)
I / I0 1
圆孔半径a
焦距f
圆孔衍射装置示意 图
衍射强度分布为：
28
第28页，共40页。
2、衍射干涉原理：
光栅副的衍射级次
光栅副衍射光的干涉
2299
第29页，共40页。
莫尔条纹的基本性质
1、放大性
2、同步性
w
d 2 sin (
)
d
2
90 2
栅距放大了1/θ倍 微小位移变化放大 提高了测量的灵敏度
光栅移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度w
3、准确性
7
第7页，共40页。
分离间隙测量法
参考物和试件不在同一平面内
8
第8页，共40页。
在P1处出现暗条纹的条件
A 1'A 1P 1A1 P A 1'P 1A1 P (A 1'A 1P 1A 1'P 1)
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法是一种目前广泛应用于纺织品细丝直径测量的非接触式测量方法。
通过利用激光光源照射到纺织品细丝上产生的散射光，并通过其衍射图样来获得细丝的直径信息。
该方法具有精度高、测量快速、非接触等优点，在纺织工业中得到了广泛应用。
激光衍射法测量纺织品细丝直径的基本原理是利用激光照射到纺织品细丝上时，光线经过细丝散射形成光晕区域。
根据光晕图样的衍射规律，可以推导出细丝直径和光晕图样之间的关系。
通过测量光晕图样的直径，就可以得到细丝的直径信息。
1. 准备工作需要准备一台搭载有激光光源的衍射仪器。
衍射仪器主要包括光源、激光发射系统、衍射系统和光电检测系统等部分。
确保各个部分的工作正常，保证精确的测量结果。
2. 校准在进行测量之前，需要对衍射仪进行校准。
校准的目的是确定光源和检测系统之间的距离，以及光源到细丝之间的距离，以确保测量的准确性和精度。
3. 测量将待测纺织品细丝放置在测量平台上，并将激光光源打开。
通过调节光源和细丝之间的距离，使激光光线正好照射到细丝上。
当激光照射到细丝上时，会产生一片光晕区域。
4. 图像获取利用光电检测系统，即相机或光电转换器等设备，捕捉光晕图样的影像。
将光晕图样的影像传输到计算机中进行图像处理。
5. 图像处理通过图像处理软件对光晕图样进行处理。
将图像转化为灰度图像，简化后续的图像处理。
然后，进行二值化处理，将光晕图样中的背景和细丝区域进行分离。
接着，可对图像进行去噪、边缘检测等处理，以便更准确地获取细丝的直径。
6. 数据分析对经过图像处理的光晕图样进行数据分析。
使用合适的算法和公式，将光晕图样的直径转化为细丝的直径。
根据需要，还可以对多个位置的图样进行分析和统计，以得到更为全面的测量结果。
激光衍射法测量纺织品细丝直径具有许多优点。
由于是非接触式测量，不会对纺织品细丝造成损伤。
测量速度快，可以快速获取大量数据。
激光衍射法精度高，对于细丝直径的测量要求较高的应用场合非常适用。
第五章 激光衍射测量原理
即 WSin K 特点：
K 1， 2，
（1）各暗纹间隔相等，亮纹间隔不相等。
（2）主极大角宽度为相临暗纹角间隔的二倍。
1000
五、衍射条纹的光电扫描测量
图5-8
设反光镜转速为n转/秒，反光镜大小和其位置的放置使+1级、 +2级衍射通过反光镜扫描后和狭缝所在平面重合。测量相临 暗纹扫过狭缝的时间t，即可求出细丝的直径。即 d F t
l1 l 2 d （属远场夫朗和费衍射）
由公式：
RK R R W Xn Xn b K
W fK Xn II
图5-3
（二）动态测量： 当狭缝改变ΔW时，同一级衍射条纹的位置改变。此时，即 找出 W W W F Xn 的函数关系。
1、无透镜系统：
W W W
RK RK 1 1 RK Xn Xn Xn Xn Xn Xn Xn RK RK III XnXn Xn 2 式中：Xn Xn Xn Xn Xn
，在其余各点处，振幅 y p 0 ；
根据在巴比列定律：平行光分别通过单缝和有相同宽度
的单丝后在P点的衍射条纹振幅之和（ y p y p）等于平行光
直接通过透镜后，在同一点P的振幅yP（此时yP=0）
即 y p y p y p 0，即 y p y p
2 Xn Xn 2 Sin 2WXn Cos Xn Sin 2W Cos 2 2R R R 2R
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A1' AP1 AP1 A1' P1 AP1 A1' AP1 A1' P1
bsin1 (z z cos1) k1
可得：
b
sin
1
2
z
s
in
2
1
2
k1
P2点出现暗条纹的条件：
b
sin
2
2z
sin
2
2
2
k2
由
sin 1
xk1 L
, s in 2
xk2 L
(139;b
kL xk '
kL xk
kL
1 xk '
1 xk
b'b kL k' L k'k N
sin sin
sin
sin
间隙测量法作为灵敏的光传感器可用于测定各种物理量的变
化，如应力、压力、温度、流量、加速度等
测量应变装置:
2、反射衍射测量法
利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的
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
2
2
2
b
kL xk
kL xk
L
k L
xk2
xk
kL
xk
2
L
L
2
xk
xk
2
对于He Ne激光器， / 109，可忽略
例：取L 1000mm，b 0.1mm，k＝3, 0.63m，L和xk不超过0.1%
则b 0.3m,此时缝宽b 0.19mm，b / b 1.6103。
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
衍射图的全部能量（中心亮斑和 前四个亮环即可），光电接收器7 只接收艾里圆的部分光能量，通 常选取艾里圆面积的一半。电压 比较器将光电接收器5和7的电压 信号进行比较从而得出被测孔径。
6.衍射频谱检测法
由傅里叶光学知: 平面光波射向衍射屏后在远场发生夫琅和 费衍射,衍射光强分布由衍射屏复振幅的傅里叶变换所决定。 激光衍射频谱检测法是利用衍射条纹傅里叶变换面上的频谱 变化，对工件表面缺陷进行检测，应用于金属筛孔、集成电 路掩模、纤维、线材及硅片等的表面检测。
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 1000 mm，b 0.1mm，k＝4, 0.63m，可得t 1/ 250
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0.04 m
由暗条纹的公式知:
L
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 xk
1 xk 0
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 t db b2 dxk kL
xk2
b
zxk2 2L
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
d
xk2
f '2
xk2 f '2
xk
s
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
L
2L
b
kL
/ 2 xk
cos
xk 2L
sin
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，布置方便
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
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 ( β2 )
β = πb sinθ λ
暗条纹位置 bsin k
测定任何一个暗条纹的位置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 xk
当θ不大时则有:
xk2 L2 sin tan xk
一般d的宽度取0.01mm-0.5mm
三 、圆孔衍射测量
屏上接收光强：
IP
I
0
2J1( x
x)
2
其中： x 2a sin
爱里斑尺寸 a 1.22 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 3）传感器
基本装置：
间隙法测量位移，有两种方法
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
dxk
kL
b2
db
db
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, 传感器不易放置, 灵敏度下降
L>>b2/λ, 仪器尺寸限制, b基本确定，L=1000mm，b<<0.8mm
由于平面镜作用，相当于缝宽为2b的单逢衍射，则第k个暗 条纹满足下列条件:
2bsin 2bsin( ) k
将上式展开进行三角运算
有 所以有:
2b(cos sin 2sin sin 2 ) k
2
sin tan xk
L
sin xk
2 2L
2b xk (cos xk sin ) k
可得
bxk1
L bxk2
L
zxk21 2L2 zxk22 2L2
k1 k2
分离间隙衍射的缝宽公式为
b k1L zxk1 k2L zxk2
xk1 2L xk2 2L
当k1=k2时
bxk1 zxk21 bxk2 zxk22 L 2L2 L 2L2
xk1 b
zxk1 2L
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