f2 ( f1 f ) ( f2 f1) f
相当于Δf对频率为（f1-f2）光进行调制。
对两路光拍信号进行混频或频率计数，做加减运算，即可得到表征物体运动速
度的光学差频信号Δf
f 2 v
28
用积分器累加差频信号的相位变化，或计数 差频信号的波数N，可得
t
t 2v
2t
2
N 0 fdt 0 dt 0 vdt L
应引起的光学多普勒频移；或电磁场变化引起 的环形激光与反向光波间的光波偏移。 人为产生光频差：如声光控制的布拉格频率分裂 等内调制法，主要用于外差干涉仪和激光外差 通信。
26
双频激光干涉仪
27
激光器产生频率为f1，f2的激光，二者相差几MHz， 其在其准光束分光镜M1处分为两束，其中反射光在 光电检测器PD1混小三得到两频的差频信号（f1-f2） 作为参考信号。透射光受干涉反射镜M2的反射经光 学滤波器F2得到单频f2的光，由M3反射后作为参考 光；透过M2的光束经光学滤波器F1得到f1单频光， 经M4扳射后附加了镜面运动引起的多普勒频移Δf后， 以f1+Δf的光频入射到光检测器PD2上，并与参考光 频f2混频，得到光学差频信号，其频率为
16
图7-30所示为它的结构和信息流程。 干涉仪中的激光源是相干光载波的信号发生器，它
产生振幅为A，频率为fr ，初相位为φ0的载波信号， 用I0(A，fr, φ0)表示。
17
载波信号分为二路引入干涉仪。在测量臂中I0(A， fr, φ0) 受到待测位移信号的相位调制。形成I0(A， fr, φ0+Δφ) 的调相信号。待测信息为运动速度v(x)， 产生的调频信号为I0(A, fr+Δf ,φ0) 这样测量臂起到 信号调制器的作用。
位移或振动等。
33
2 夫琅和费细丝衍射
ห้องสมุดไป่ตู้d f
S
当d变化时，各条纹位置和间距随之变化。因此可根据亮 点或暗点间的距测出细丝的直径。
若在屏幕位置放置线阵CCD传感器件，可以直接读出
亮、暗条纹的间距，即可测出细丝的直径。测量范围约为
0.01～0.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm，
9
1、像点轴上偏移检测的光焦点法
其原理如下： Z` 2Z f / Z0
式中各参数如图所示
10
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
其原理如下：
A P1P2 Z sin
Z A A
sin
式中各参数如图所示
11
7.3.3 速度信息的光电变换
将电机等物体的转动速度、运行速度、信息的 变化速度等物理量变换成光电信号的过程称为速度 信息的光电变换。能够完成速度信息的光电变换的 方法有多种，其中利用光电耦合器（光电开关）、 旋转光闸、频闪式转速表等方法实现的速度信息光 电变换即简单又容易实现多种用途的变换。
2A1 A2 cos[(1 2 )t (1 2 )]}
24
光电检测器件及转换电路本身就是一个 低通滤波器，则得到的只是差频信号：
I 2K 2A1 A2 cos[(1 2 )t (1 2 )] 2K 2A1 A2 cos(t )
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光学差频信号的形成有两种方式： 由被测量引起的同一光波的频率分离，如运动效
t
L 0 vdt
L N
2
29
双频激光干涉测长优点在于整个系统中 的信号是在固定频率偏差下工作的，其 克服了常规干涉仪中采用直流零频系统 所固有的通道耦合复杂、长期工作漂移 等不稳定因素。
提高了测量精度和对环境的适应能力。
30
7.4.2 衍射方法的光电信息变换
原理：光束通过被测物产生衍射现象时，将在其后 面的屏幕上形成光强有规则分布的光斑。衍射图样 和衍射物的尺寸、以及光学系统的参数有关。因此 根据衍射图样及其变化就可确定衍射物即被测物的 尺寸。 光的衍射现象有两大类：菲涅耳衍射、夫琅和费衍 射
x
ax`
b sin x`cos
x
b
sin（1
ax`cos1 2） x`co（s 1
）
2
z b tan
bf `/ x`
4
三角法测量精度影响因素： 内因——像差、光点大小和形状、探测器的固有
位置检测不确定度和分辨力，探测器的暗电流、 外界杂散光、电路噪声、温度漂移 外因——被测表面倾斜、光泽、粗糙度、颜色等， 解决方法：实验标定 产品有：日本Keyence，Reinshaw公司OP2，美 国MEDAR公司的2101型
y y`/ 对像的测量方法有两种：
用投影屏上的十字线或米字刻线对工件被测 部位的轮廓边缘分别进行对准，通过工作台 的移动在读数机构上测得工件的尺寸；
另一种是在投影屏上放大 的影像与标准图样（工件 的公差带）比较，检验工 件是否合格。
3
2、激光三角法
随着半导体技术、光电子技术等发展，三角法测 试技术在位移、物体表面形态和质量测试应用多， 其原理如下：
19
2、单频光相干的条纹检测
单频光相干测量一般有一维和二维干涉条纹检测。
一维：当用窄光束单频光照明的干涉测量，单元光 电器件为检测元件实现干涉条纹的较小空间范围内 检测条纹波数或相位随时间变化，从而测得物的位 移信息。
二维：当用宽光束照射被测物时，得到平面干涉图 像，反映了被测物表面微观面形的几何参量的变化， 实现了二维空间内对单频光的相位调制，依据干涉 条纹的光强分布进行测量。某点处条纹的空间相位 是从与周围条纹分布的比较中得到的。
已调制光频波在干涉物上和来自参考臂的参考光 波相干涉，呈现出具有稳定的干涉图样（在测位 移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的 输出信号.
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这个信号消除了光频载波的影响，以干涉条纹的相位 分布或光拍的时间性变化表征出被测量的变化。因此 这被看作是光学解调制的过程。
干涉测量的调制和解调过程可以是时间性的，也可以 是空间性的。根据调制的方式不同，形成了各种类型 的光学图样。这种以光波的时空相干性为基础，受被 测信息调制的光波时空变换称作相干光学信息。它的 形成和检测过程就是光载波受待测信息调制和已调制 光波解调再现为信息的过程。根据相干光学信息的时 空状态和调制方式，可以分为：局部空间的一维时间 调制的光信号和在二维空间内时间或空间调制光信号。
12
1、光电耦合器件（光电开关）测速
13
2、利用频闪式转速表测速
频闪效应：依据人眼的视觉暂存效应，物消失后的一 定时间内，人眼视网膜能在一段时间内保持视觉印象， 大维时间为1/20~1/5s。 测量原理：用一个可调频率的闪光灯照射频闪盘时， 在闪光频率与频闪盘转动频率相同时频闪盘在某一位 置灯恰好闪亮，使人眼清晰地看到频闪像在同一位置 静止不动，闪光频率乘以60即为频闪盘每分钟的转数。
20
干涉条纹的时序变化检测主要有：干涉条纹光强检 测法、干涉条纹比较法、干涉条纹跟踪法等。
干涉条纹光强检测法 利用干涉仪的双光束或多光束的干涉作用，以光电器
件直接检测条形或同心圆环形条纹的光强变化来实 现测量的。
21
干涉条纹比较法 测量波长
22
干涉条纹跟踪法
23
3.双频光相干的差频检测
电信号与光振幅平方成正比：
也可高达0.05mm。
34
作业：以光学多普勒差频检测为例说明双频激光 干涉仪的工作原理
P211——7.7
35
E1 A1 sin(1t 1)
E2 A2 sin(2t 2 )
光电检测器输出电流为
I K (E1 E2 )2 K[ A1 sin(1t 1) A2 sin(2t 2 )]2
A2 K{ 1
2
A2 2
A12 2
c os 2(1t
1)
A22 2
c os 2(2t
2)
2 A1 A2 cos[(1 2 )t (1 2 )]
5
3、光学灵敏杠杆法
其原理如下： •找拐点法
D x2 x1 d
6
测弦找中点法
两弦端点座标：(x1, y1), (x1, y2 ) y3 y1 ( y2 y1) / 2 D x3 x2 d
7
4、激光扫描法
其原理如下：
v L f 2m f 4vm f
d
vt
vm fn
1 v0
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7.4 物理光学方法的光电信息变换
由于光具有波动的属性，单一频率的光波 在它们的传输过程中会发生衍射，几束光的叠 加能形成干涉。衍射和干涉现象通常是发生在 一定的空间域内，由此组成各种衍射和干涉图 样。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图 样和散斑图样。不同频率光波间的干涉会形成 光学拍频，空间域内的拍频分布构成光拍图形。
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1、夫琅和费单缝衍射
BC bsin
bsin
b
b sin sin
2k (2k
2 1)
2
xk
k
f
b
s f
b
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由于b值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化， 因此可以用目测或照相记录或光电的方法测量出条纹间距，
从而求得b值或其变化量。利用物体的微小间隔、位移或 振动等代替狭缝或狭缝的一边，则可测量物体的微小间隔、
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7.4.1 干涉方法的光电信息变换
1、光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部 几何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动 方向和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。
在这种变换过程中，光波作为物质的载体，载荷了待测 信息及其变化，表现出随时间和空间改变的外观特性。 从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测信息 对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干涉仪 器或干涉装置是光频波的调制器和解调器。
光电技术（第13讲） ——光电信息变换（2）