激光绝对距离测量技术.

1.2 3
测量方法
大尺寸测量可分为： 位移测量和绝对距离测量
位移测量：
作为干涉条纹计数测长方法典型代表的双频激光干涉仪已经 可以在很高精度(5×10-7L,L是被测距离)下测到六十米的距离 但是,由于干涉条纹计数测长需要配备供测量镜移动的精密导 轨,并且测量过程不能中断,因此,其应用范围受到了限制
2
4 v2 L (v2 f 2 )Z c
两外差信号再叠加形成：
超外差信号
外差
超外差
外差
1
4 v1L (v1 f1 )Z c
2
4 v2 L (v2 f 2 )Z c
1r
4 (v1 f1 ) Z c
移相法
下图为清华大学研制的半导体激光器大尺寸绝对距离测量系统 采用三角波电流调制半导体激光器,调频范围为165GHz
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
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3
多波长测量原理
3.1发展背景
传统干涉仪： 1）需要导轨,计时从始态到终态全部过程,中间不允掉电 2）计数时间长,测量长度较大时耗时时间长,易受环境影响
B A
B A
一般侧相方法的难点：
1）各个波长的相位应该同时测出
2）两个单波长信号应该能够分开
1 2 s 1 2
3）原始单波长信号应该有高稳定度
超外差法：
AOFS1 Reflector
v1+f1
f1 BS
Z
λ/4
v2+f2 v1+f1 v1 v2
λ/4
P
v1
3）无零位,增量式,不能测量绝对位移
液摆
3.1发展背景
ct L 2n 2n 2
相位法测量过程中相位差只能介于0-2π,
故最大可测量程为：
Lmax

2n
因此需借助其他方法来扩展测量范围， 以满足大量程测量的需求
3.1发展背景
由此提出合成波长（多波长）激光干涉
测量方法来扩展测量范围，满足大尺寸
测量需求。
3.2合成波长法
多波长干涉计量是剩余小数法的发展。C.R Tilford在此理论上
作出了重要的贡献。
主要归纳为如下两个基本思想： 1)利用若干单波长组合出长度不同的合成 波长链
2)利用不同的合成波长,逐次求解被测长度
使被测量真值被逐次搜索—-即逐级精化。
以双波长测量为例,设参与干涉测量的两光波 分别为λ1和λ2(不妨设λ1>λ2),对于被测距离L
Laser 1
45º PBS1
v1
PBS3
Laser 2
v2
45º PBS2
v2
f2
PBS4
PBS5
L
v2+f2
PD
AOFS2
接收到的合成光强I(t)为：
I (t ) a0 a1 cos(2 f1t 1 ) a2 cos(2 f 2t 2 )
1
4 v1L (v1 f1 )Z c
尔逊干涉仪中两相干光波的相位 差周期性变化,形成光拍,因此即使 干涉仪保持静止状态也可以输出 交变光电信号,并从信号中提取包
含被测长度的信息,实现绝对距离
测量。
主要应用于半导体激光器。
根据对半导体激光器激光频率的调制方式的不同,调频激光干涉
测量方法可分为三种:
线性调频法(三角波调频和锯齿波调频) 正弦调频法
相位差测距法示意图：
ct L 2n 2n 2
2.2干涉测量
绝对距离干涉测量法分为： 多波长激光干涉测量法和调频激光干涉测量法
本节先简要介绍调频干涉测量法 多波长法及其原理将在下章详细介绍
调频激光干涉测量技术基本原理： 通过连续调制单纵模激光器的激
光频率,使得臂长差不为零的迈克
绝对距离测量：
二十多年来,随着激光技术、红外技术的发展,世界各工 业发达国家为满足无导轨高精度测量大长度的需要,相继 开展了以多波长小数重合法为基础的红外激光绝对法干 涉测距(即绝对距离干涉计量)的研究工作。
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
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绝对距离测量技术综述
讲解：XXX
内容提要
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研究背景 测量方法分类 多波长测量原理
发展现状
前景展望
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测量需求
大型零件尺寸超出一般工具测量范围，给测量带来困难
葛州坝水电站水轮机的定子和 转子的尺寸都在16m以上
要制造出高精度的大尺寸零件,必须在加工过程中不断进行 检测,因而测量精度的高低对零件的制造起着非常重要的作 用
cN L 2 f0
2.1非相干测量
相位差测距法： 测距仪对激光进行强度调制,通过测量调制光波往返被测距离一 次所产生的相位延迟确定往返时间t,从而得到这一相位延迟所代 表的距离值
=t 2 ft t / 2 f ct L 2n 2n 2
为延迟的相位
注： 相位法测量过程中相位差只 能介于0-2π而大量程测距时 会导致相位差大于2π，从而 导致多值性问题
用两波长分别测量后,有如下公式成立：
设距离的初测值为Lc,不确定度为ΔLc,若选定合适的激光
波长,使得初测不确定度满足条件：
ΔLc< λs/4-ΔLp,则
式中ΔLp为干涉级小数测量的不确定度
绝对距离测量最终归结为相位测量 测得相位即可获得对应的小数级次
测相分为三种方法：
拍波法 外差法 超外差法
绝对距离测量方法分类
绝对距离测量技术区别于相对位移测量的主要特征是在测量过 程中无需借助导轨,因此绝对距离测量又称为无导轨测量。 绝对距离测量方法主要包括非相干测量法和干涉测量法
液摆
2.1非相干测量
非相干测量法也称为飞行时间测量法,主要有脉冲测距法和相 位差测距法 脉冲测距法： 测量仪器发出一个短脉冲信号,该信 号经目标点反射返回,在经过了两倍 的待测距离后被仪器重新接收。通 过测量从发射到接收到同一脉冲信 号的时间间隔t,可以获得距离值： L=ct/2 液摆
拍波法：
根据同时发射的两个单波长光波形成的空间拍波信号幅值与光
程差的关系，通过测量幅值零点所对应的光程差的变化量得到 相应的合成波小数级次
外差法：
通过将各单波长光波外差信号与同频率参考信号进行比相处理 直接得到单波长小数级次。它的工作原理如图所示
A B
B A 2
B A 1 2