虚拟仪器技术在激光精密测量中的应用

　　1　引　　言

　　虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合计算机高效灵活的软件来完成各种各样的自动化测试工作。模块化的硬件能方便地组成测试系统,通过软件能创建完全自定义的用户界面,这些标准的软硬件平台能满足用户对各种应用开发需求,这也正是近年来测试测量行业的发展趋势。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成测试系统的软硬件开发技术这三个组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少,以及出色的集成这四大优势。

　　软件是虚拟仪器技术中最重要的部分。使用先进的软件开发工具并通过设计或调用特定的程序模块,就可以高效地创建用户的人机交互界面,完成数据采集、信号分析处理和结果的输出显示等应用开发,调试通过后投入实际测试应用。标准图形化编程软件——LabVIEW,不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,可以灵活设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。

　　将虚拟仪器技术用于光测量技术可以快速准确的测量微小几何尺寸的物体,如单缝宽度、小孔的直径和细丝直径等。这里以单缝衍射的光强分布数据的自动测取及单缝宽度的测量为例介绍在激光精密测量中采用虚拟仪器技术进行开发的过程。

　　2　测量原理及测量方法

　　当光在传播过程中经过障碍物,一般为不透明物体的边缘,如狭缝、小孔或细线等时,会产生衍射现象。光的衍射现象是光的波动性的一种表现。衍射使光强在空间重新分布,如果障碍物的尺寸与波长相近,那么,这样的衍射现象就比较容易观察到。利用光电元件测量光强的相对变化,是测量光强分布的方法之一。利用这种光学原理就可以测量微小几何物尺寸,也是光学精密测量的常用方法之一。

　　传统的测量方法是由光电检测器测取数据后,得到衍射的光强分布,通过人工繁琐的计算后,获得诸如单缝宽度、小孔的直径或细丝直径等的测量值,测量装置原理图见图1所示。采用的仪器可以为WGZ型光强分布测试仪,其中光源为JGQ—250型氦氖激光器,波长为632.8nm;测量仪器为WJF—×10-7A型数字式检流计。

　　以单缝宽度的精密测量为例,由理论计算可得,垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布的规律为:

　　在图2中,当θ=0时,x=0,I=I0,此处光强最强,称为中央主极大;当θ=Kπ(K=±1,±2,…),即θ=KλD/d时,为暗条纹。暗条纹以光轴为对称轴,呈等间隔左右对称分布。中央亮条纹的宽度Δx可用K=±1的两条暗条纹间的间距确定,即Δx=2λD/d;某一级暗条纹的位置与缝宽d成正比,d大,x小,各级衍射条纹向中央收缩,于是,单缝的宽度计算式为: