激光衍射传感器的特性及原理解析

光的衍射（或称绕射）是光的波动性的反映。当光遇到障碍物或孔时，可以绕过障碍物到达按几何光学（光的直线传播）要成为“阴影”的区域或到孔的外面去，这种现象称为光的衍射。由于光的波长较短，因此只有当光通过很小的孔或狭缝或细丝时，才能有明显的衍射现象。激光衍射传感器利用了激光单色性好、方向性好、亮度髙的特点，使光的衍射现象能真正应用于微小直径、位移、振动、压力、应变等高精度非接触测量中。例如，测量0.1 mm以下的细线外径，测量精度可达0.05 μm。

光束通过被测物产生衍射现象时，在其后面的屏幕上形成光强有规则分布的光斑。这些光斑条纹称为衍射图样。衍射图样和衍射物（即障碍物或孔）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，也就是被测物的尺寸。

按光源 S、衍射物 x和观察衍射条纹的屏幕 P三者之间的位置，可将光的衍射现象分为两类：菲涅耳衍射（S，x和P三者间距较小，是有限距离处的衍射）和夫琅和费衍射（S，x 和 P三者间距无限远，是无限距离处的衍射）。若入射光和衍射光都是平行光束，就好似光源和观察屏到衍射物的距离为无限远，因此产生的衍射就是夫琅和费衍射。由此可知，利用两个透镜，光源和观察屏幕分别在两个透镜的焦平面上，就可将菲涅耳衍射转化为夫琅和费衍射。由于夫琅和费衍射在理论分析上较为简单，所以在此仅讨论夫琅和费衍射。

1）夫琅和费单缝衍射

平行单色光垂直照射宽度为 b的狭缝AB，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射图样。若衍射角为 φ的一束平行光经透镜后聚焦在屏幕上 P点，如下图所示，AC垂直 BC，因此衍射角为 φ的光线从狭缝 A和 B两边到达 P点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为

图 夫琅和费单缠衍射原理图

P 点干涉条纹的亮暗由 BC值决定：BC值为光波半波长λ/2的偶数倍，P 点为暗条纹；BC 值为 λ/2的奇数倍，P 点为亮条纹。用数学式表示如下：

式中，“±”号表示亮暗条纹分布于零级亮条纹的两侧；k=1，2，3…表示相应为第一级、第二级等亮（或暗）条纹。中央零级亮条纹最亮最宽，为其他亮条纹宽度的 2倍。两侧亮条纹的亮度随级数增大而逐渐减小，它们的位置可近似地认为是等距分布的。暗点等距分布在中心亮点的两侧。当狭缝宽度 b变小时，衍射条纹将对称于中心亮点向两边扩展，条纹间距增大。

当采用氦氖激光器作为光源时，由于激光的方向性好，发散角仅1 mrad，因此相当于平行光束，可以直接照射狭缝。又由于激光单色性好、亮度高，因此衍射图样明亮清晰，衍射级次可以很高。此时，若屏幕离开狭缝的距离L远大于狭缝宽度 b，将透镜取掉，则仍可在屏幕上得到垂直于缝宽方向的亮暗相间的夫琅和费衍射图样。

由于 φ角很小，因此由上图和下式可得

式中，k——从φ=0算起的暗点数；x——第k级暗点到中心亮条纹之间距；λ——激光波长；S=xk/k为相邻两暗点的间隔。

下图示出了屏幕离狭缝距离L为1 m时，不同b值所形成的几种衍射图样。由于 b值的微小变化将引起条纹位置和時隔的明显变化，因此可以用目测或照相记录或光电测量出条纹间距，从而求得 b值或其变化量。用物体的微小间隔、位移或振动等代替狭缝或狭缝的一边，则可测出物体微小间隔、位移或振动等值。

不同狭缝宽度b的衍射图样

夫琅和费单缝激光衍射测量装置的误差由 L和 xk的测量精度决定。狭缝宽度b—般为0.01？0.5 mm。2）夫琅和费细丝衍射 由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样，如下图所示。

激光细丝衍射原理图

与上同理，相邻两暗点或亮点间隔 S与细丝直径d的关系为

当被测细丝直径变化时，各条纹位置和间距也随之变化。因此可根据亮点或暗点间距测出细丝直径。其测量范围为0.01？0.1 mm，分辨力为0.05 μm，测量精度一般为0.1 μm，也可髙达0.05 μm。

由激光器、光学零件和将衍射图样转换成电信号的光电器件所组成的激光衍射传感器的特点是：结构简单，精度高，测量范围小，需选用1.5 mW较大功率的氮氖激光器，激光平行光束要经望远镜系统扩束成直径大于1 mm（有时为3 mm）的光束。
来源：传感器专家网