激光衍射傳感器的基本工作原理解析

　　【儀表網(wǎng) 儀表科普】光的衍射(或稱繞射)是光的波動(dòng)性的反映。當(dāng)光遇到障礙物或孔時(shí)，可以繞過障礙物到達(dá)按幾何光學(xué)(光的直線傳播)要成為“陰影”的區(qū)域或到孔的外面去，這種現(xiàn)象稱為光的衍射。由于光的波長較短，因此只有當(dāng)光通過很小的孔或狹縫或細(xì)絲時(shí)，才能有明顯的衍射現(xiàn)象。激光衍射傳感器利用了激光單色性好、方向性好、亮度髙的特點(diǎn)，使光的衍射現(xiàn)象能真正應(yīng)用于微小直徑、位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變等高精度非接觸測量中。例如，測量0.1 mm以下的細(xì)線外徑，測量精度可達(dá)0.05 μm。
 

　　光束通過被測物產(chǎn)生衍射現(xiàn)象時(shí)，在其后面的屏幕上形成光強(qiáng)有規(guī)則分布的光斑。這些光斑條紋稱為衍射圖樣。衍射圖樣和衍射物(即障礙物或孔)的尺寸，以及光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，因此根據(jù)衍射圖樣及其變化就可確定衍射物，也就是被測物的尺寸。
 

　　按光源 S、衍射物 x和觀察衍射條紋的屏幕 P三者之間的位置，可將光的衍射現(xiàn)象分為兩類：菲涅耳衍射(S，x和P三者間距較小，是有限距離處的衍射)和夫瑯和費(fèi)衍射(S，x 和 P三者間距無限遠(yuǎn)，是無限距離處的衍射)。若入射光和衍射光都是平行光束，就好似光源和觀察屏到衍射物的距離為無限遠(yuǎn)，因此產(chǎn)生的衍射就是夫瑯和費(fèi)衍射。由此可知，利用兩個(gè)透鏡，光源和觀察屏幕分別在兩個(gè)透鏡的焦平面上，就可將菲涅耳衍射轉(zhuǎn)化為夫瑯和費(fèi)衍射。由于夫瑯和費(fèi)衍射在理論分析上較為簡單，所以在此僅討論夫瑯和費(fèi)衍射。
 

　　1)夫瑯和費(fèi)單縫衍射
 

　　平行單色光垂直照射寬度為 b的狹縫 AB，經(jīng)透鏡在其焦平面處的屏幕上形成夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。若衍射角為 φ的一束平行光經(jīng)透鏡后聚焦在屏幕上 P點(diǎn)，如下圖所示，AC垂直 BC，因此衍射角為 φ的光線從狹縫 A和 B兩邊到達(dá) P點(diǎn)的光程差，即它們的兩條邊緣光線之間的光程差為
 

圖 夫瑯和費(fèi)單纏衍射原理圖
 

　　P 點(diǎn)干涉條紋的亮暗由 BC值決定：BC值為光波半波長λ/2的偶數(shù)倍，P 點(diǎn)為暗條紋；BC 值為 λ/2的奇數(shù)倍，P 點(diǎn)為亮條紋。用數(shù)學(xué)式表示如下：
 

　　式中，“±”號表示亮暗條紋分布于零級亮條紋的兩側(cè)；k=1，2，3…表示相應(yīng)為級、第二級等亮(或暗)條紋。中央零級亮條紋亮寬，為其他亮條紋寬度的 2倍。兩側(cè)亮條紋的亮度隨級數(shù)增大而逐漸減小，它們的位置可近似地認(rèn)為是等距分布的。暗點(diǎn)等距分布在中心亮點(diǎn)的兩側(cè)。當(dāng)狹縫寬度 b變小時(shí)，衍射條紋將對稱于中心亮點(diǎn)向兩邊擴(kuò)展，條紋間距增大。
 

　　當(dāng)采用氦氖激光器作為光源時(shí)，由于激光的方向性好，發(fā)散角僅1 mrad，因此相當(dāng)于平行光束，可以直接照射狹縫。又由于激光單色性好、亮度高，因此衍射圖樣明亮清晰，衍射級次可以很高。此時(shí)，若屏幕離開狹縫的距離L遠(yuǎn)大于狹縫寬度 b，將透鏡取掉，則仍可在屏幕上得到垂直于縫寬方向的亮暗相間的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。
 

　　由于 φ角很小，因此由上圖和下式可得
 

　　式中，k——從φ=0算起的暗點(diǎn)數(shù)；x——第k級暗點(diǎn)到中心亮條紋之間距；λ——激光波長；S=xk/k為相鄰兩暗點(diǎn)的間隔。
 

　　下圖示出了屏幕離狹縫距離L為1 m時(shí)，不同b值所形成的幾種衍射圖樣。由于 b值的微小變化將引起條紋位置和時(shí)隔的明顯變化，因此可以用目測或照相記錄或光電測量出條紋間距，從而求得 b值或其變化量。用物體的微小間隔、位移或振動(dòng)等代替狹縫或狹縫的一邊，則可測出物體微小間隔、位移或振動(dòng)等值。
 

不同狹縫寬度b的衍射圖樣
 

　　夫瑯和費(fèi)單縫激光衍射測量裝置的誤差由 L和 xk的測量精度決定。狹縫寬度b—般為0.01?0.5  mm。2)夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射 由氦氖激光器發(fā)出的激光束照射細(xì)絲(被測物)時(shí)，其衍射效應(yīng)和狹縫一樣，在屏幕(在焦距為f的透鏡的焦平面處)上形成夫瑯和費(fèi)衍射圖樣，如下圖所示。
 

激光細(xì)絲衍射原理圖
 

　　與上同理，相鄰兩暗點(diǎn)或亮點(diǎn)間隔 S與細(xì)絲直徑d的關(guān)系為
 

　　當(dāng)被測細(xì)絲直徑變化時(shí)，各條紋位置和間距也隨之變化。因此可根據(jù)亮點(diǎn)或暗點(diǎn)間距測出細(xì)絲直徑。其測量范圍為0.01?0.1 mm，分辨力為0.05 μm，測量精度一般為0.1 μm，也可髙達(dá)0.05 μm。
 

　　由激光器、光學(xué)零件和將衍射圖樣轉(zhuǎn)換成電信號的光電器件所組成的激光衍射傳感器的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，精度高，測量范圍小，需選用1.5 mW較大功率的氮氖激光器，激光平行光束要經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束成直徑大于1 mm(有時(shí)為3 mm)的光束。