无接触测量

无接触式玻璃厚度及折射率测量方法研究指导老师：王珩学生：要舒心Studyonmeasurementmethodofthicknessandrefractiveindexofglasswithoutcontact绪论非接触测量原理非接触测量的应用实验总结及分析目录01020304IntroductionTheprincipleofnon-contactmeasurementTheApplicationofnon-contactmeasurementExperimentsummaryandanalysis绪论1.非接触测量定义和意义2.装置介绍3.实验涉及原理1Introduction绪论•非接触测量就是以光电、电磁、超声波等技术为根本，在不接触被测物体表面的情况下，获得物体表面信息及参数的测量方式。无接触测量的意义就在于不用接触被测物体就可以测量其尺寸以及其他属性。比如高温，有毒，腐蚀性强等不易接触的物体均可实现对其测量。•本实验研究了利用固体激光器和光功率计以及工业相机，设计出了三种用无接触式测量玻璃厚度的装置。本实验的研究基于几何光学中的折射与反射原理。分别用光功率计与工业相机作为接收器。用光功率计作为接收器时属于透射式测量方法，精度可达1mm。用工业相机作为接收器时属于反射式测量方法，精度可达2μm。•本实验的目的是利用光学方面的非接触测量方法来测量玻璃的厚度及折射率，包括激光三角法，朗伯定律，折射定律，全反射，布儒斯特定律。可以测量一些不可接触的物体，如辐射体、高温物体等数字图像处理，计算机识别，因而采集速度较快排除接触测量对柔性物体测量的人为等受力干扰以光电、电磁、超声波等技术为根本1Introduction绪论非接触测量的优点非接触测量原理1.电磁波传播2.朗伯定律3.激光三角法4.折射定律5.全反射与临界角6.光的偏振2Theprincipleofnon-contactmeasurement非接触测量原理本实验采用直射法，测量光路图为图2.2所示。激光笔1发出的激光直接打到被测物体的上表面2上，当物体移动或是表面发生变化时会导致光点沿入射光轴移动。透镜3会接收来自光点的散射光，并会在接收器4（此处使用工业相机）敏感面处成像。除了只有一个精确对焦的地方，其他位置都处于不同程度的离焦状态，是由于激光器发出的光线与被测物体表面正交。激光三角法2Theprincipleofnon-contactmeasurement非接触测量原理为了提高测量精度，像平面、透镜平面、物平面必须相交于同一条直线，即tan𝜃1=βtan𝜃2，其中β为横向放大率。此时，在一定的景深范围内的被测点都能正焦在探测器上成像，保证了测量的精度，光点在成像面上的位移为，根据相似三角形比例关系可以求出被测面的位移𝑥。𝑥=𝑎𝑥′sin𝜃2𝑏sin𝜃1−𝑥′sin（𝜃1+𝜃2）上式中，𝑎是接收透镜光轴与激光器光轴交点到透镜中心得距离；𝑏是接收透镜中心到成像面的距离；𝜃1为接收透镜光轴与激光器打出的光线之间夹角；𝜃2为接收透镜光轴与探测器之间夹角。概括1折射光线位于入射光线和界面法线所决定的平面内概括2折射线和入射线分居在法线两侧概括3入射角的正弦和折射角的正弦的比值对折射率一定的两种媒质来说是一个常数2Theprincipleofnon-contactmeasurement非接触测量原理折射定律当光由第一介质射入第二介质时，在平整光滑界面上，部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。sin𝜃1sin𝜃2=𝑛212Theprincipleofnon-contactmeasurement非接触测量原理在从光密介质射入到光疏介质时，要离开法线折射，如图所示。当入射角增加到某种情形时，折射线延表面进行，即折射角为90°，该入射角称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反回光密介质（如图f、g射线），此现象称为全反射。当光线由光疏介质射到光密介质时，因为光线靠近法线而折射，故这时不会发生全反射。公式表达式写为：𝑛sin𝐶=1;C为临界角。全反射与临界角非接触测量法的应用1.朗伯定律2.折射定律3.全反射4.布儒斯特角3TheApplicationofnon-contactmeasurement非接触测量法的应用利用郎伯定律测玻璃厚度激光器发出的激光打在光功率计的接收探头上，分别将不透过玻璃和不透过玻璃的光功率记录下来。根据公式：𝐼=𝐼0𝑒−𝛼λ𝑑计算出玻璃厚度。由于本实验无法确定玻璃的吸收系数，只能作为验证实验来做。先用游标卡尺把玻璃的真实厚度测量出来，再利用光功率计来测量透过玻璃前与透过玻璃后的光功率，根据上式来计算玻璃的吸收系数。再用这个已知的吸收系数来和透过玻璃前和透过玻璃后的光功率来反推理论上玻璃的厚度，再与真实值作比较。需要分两次数据，第一次是计算玻璃吸收系数；第二次是计算玻璃的理论厚度。3TheApplicationofnon-contactmeasurement非接触测量法的应用折射定律来测量玻璃折射率默认空气的折射率为1，此时即为玻璃的折射率，利用激光笔与刻度盘测量。将玻璃的一个棱与中心刻度对应。用激光笔照射时可以在刻度盘上直接读出入射角与折射角。3TheApplicationofnon-contactmeasurement非接触测量法的应用全反射来测量玻璃折射率根据公式：𝑛=1sin𝐶临界角的正弦值的倒数为玻璃的折射率，所以测量临界角即可。3TheApplicationofnon-contactmeasurement非接触测量法的应用布儒斯特角测量玻璃折射率当线偏振光（振动方向平行于入射面）以布儒斯特角入射的时候，反射光会发生消光现象，此时根据公式：tan𝜃=𝑛2𝑛1其中𝑛1为空气折射率，我们在此默认为1。所以布儒斯特角的正切值为玻璃的折射率。对于使用朗伯定律测量玻璃厚度的方法，通过实验，由于无法消除光功率计探头与玻璃之间很少的空气层，所以为了能减少这样的误差对实验结果的影响，这种方法适用于较厚的玻璃，最低厚度为8mm，超过了这个数值空气薄层就可忽略，对结果影响也就可以忽略对于使用折射定律测量玻璃的折射率的方法，通过实验发现测量时入射角不宜过大或是过小，激光的宽度也要尽量窄。这种方法测量玻璃的折射率效果简单明了，除了读数之外的误差，其他情况下只要玻璃表面是平整的就可以测量。但是要求玻璃可以放在刻度盘上，如果温度过于高的玻璃可能不能测量，只限于静态测量对于使用全反射测量玻璃的折射率的方法，通过实验发现测量时玻璃的宽度不能太小，不然很难使激光光线在第二次在玻璃与空气分界面上在一个舒服测量的角度上去观察。本方法用于面积大的玻璃3实验总结与分析Experimentsummaryandanalysis对于使用布儒斯特角测量玻璃的折射率的方法，通过实验发现为了方便观察反射光的消光现象必须要在黑暗条件下进行，为了消除人眼的微小误差，建议使用大探头的光功率计来接收反射光线来观察消光。这个方法适用于仪器选择上比较丰富的时候做，在仪器匮乏的状态只能用人眼观察，引入了增加误差的因素再次感谢导师的指导