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激光测长技术(卷名：机械工程)

lasertechniqueindimensionalmetrology

利用激光单色性和方向性好的特性测量长度的长度计量技术。常用的方法有干涉法、扫描法、光强法和准直法等。

干涉法

利用光波干涉现象精密测长的方法。两束具有相同频率、相位和振动方向的光波S1、S2，经过不同的光程后在空间相交。当光程差等于波长整倍数时，波峰与波峰相遇叠加，光亮加强，出现亮的干涉条纹；当光程差等于半波长的奇倍数时，波峰与波谷相遇，光亮减弱，出现暗的干涉条纹。这种现象称为光波干涉现象（图1）。利用干涉法测量位移的原理(图2a)是：从光源发出的光，经分光镜分为两路。一路透过分光镜射向可动反射镜Μ1，另一路由分光镜反射到固定反射镜Μ2，并分别从Μ1和Μ2反射回来，经过分光镜叠加在接受屏上。每当Μ1移动1/2波长时，接受屏上的干涉条纹就会出现一次由暗到亮或者由亮到暗的变化。计算这些明暗变化次数就可以计算出Μ1的移动量。利用这一原理测量位移的光学系统称为迈克耳逊干涉系统。激光干涉仪就是用这个系统来测长的。

此外，干涉法还可用于平面度测量和微量变形测量。后者是通过全息照相实现的(图2b)。由激光器发出的光束经分光镜分为两路。一路经反射镜1反射后成为参考光束射向感光胶片，另一路经反射镜2反射后射向被测物，再由被测物反射后也射向感光胶片。此光束和参考光束在感光胶片上叠加后产生干涉图样。干涉图样的形状反映被测物反射光束与参考光束的相位差，从而反映被测物表面几何形状相互位置的关系。干涉图样的明暗对比程度反映被测物光的强弱(振幅的平方)。这样，被测物反射光波的全部信息就被记录下来。这种记录被测物光全部信息的胶片即称为全息照片。用激光照射全息照片，就能再现被测物光的立体图象。对被测物在不加载和加载变形条件下双重曝光全息照相后，可根据全息照片上的干涉图样计算出变形量，也可根据干涉条纹的异常变形分析出被测物的内部缺陷。

扫描法

利用激光方向性好这一特性形成的细光束扫描工件，测量工件的外径或厚度（图3）。激光器发出的光束经准直透镜和回转的透明四面棱体周期性地扫描工件外径，当扫描至工件边缘时，即被遮住。此时光电转换元件发出信号，电子计数器开始计算与四面棱体同轴安装的圆光栅副发生的莫尔条纹数，直至激光束扫描至工件另一边缘，光电转换元件发出计数终止信号为止。所得莫尔条纹总数经过当量转换后即得到被测外径值。也可利用其他方法，例如由音叉谐振产生激光束扫描运动和利用计时脉冲作为计数频率等。

光强法

利用激光方向性好的特性和反射光束的光强变化测量表面粗糙度和表面缺陷等。图4为测量表面粗糙度的原理。激光束以一定的入射角射向被测表面。当测量高光洁表面时，可得到较大的反射光强。当测量低光洁表面时，反射光强减小，散射光强增加。把光电转换元件（光电池组）安放在接受反射光强和散射光强的位置，就可以把接受到的光强信号（常采用反射光强与散射光强的比值）转换为电信号。与从表面粗糙度样块或样品所测得的电信号对比后，即可计算出被测表面粗糙度值。此法适宜于测量表面粗糙度数值较小的工件，同理也可以测量表面缺陷如划伤、裂痕等。光强法还可以用于测量微小位移等。

准直法

利用激光方向性好的特性，采用光学准直系统使激光束成为一理想光学直线，进行直线度测量等。

除上述方法外，还可利用光学衍射现象测量细丝和小孔（通孔），利用多普勒效应（见激光干涉仪）测量直线位移和角位移等。