双光栅微弱振动实验报告.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划双光栅微弱振动实验报告　　双光栅测量微弱振动位移量实验　　(FB505型双光栅微弱振动测量仪)　　实　　验　　讲　　义　　杭州精科仪器有限公司　　双光栅测量微弱振动位移量实验　　精密测量在自动化控制的领域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较好的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用　　多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪，测量海水各深度层的海流速度和方向、卫星导航定位系统、乐器的调音等　　双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微弱振幅、测量和光拍研究等　　【实验目的】　　1．了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍的拍频；2．学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法；　　3．应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅　　【实验原理】　　1.位移光栅的多普勒频移　　多普勒频移是指光源、接收器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。

　　由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同，对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1　　激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和每缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化在远场，我们可以　　用大家熟知的光栅衍射方程即式来表示主极大位置：　　k?0,1,2,......dsin???k?式中：整数k为主极大级数，d为光栅常数，?为衍射角，?为光波波长　　如果光栅在y方向以速度v移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v在y方向移动因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光，它从光栅出射时，在y方向也有一个vt的位移量，见图2　　这个位移量对应于出射光波位相的变化量为Δφ(t)　　Δ?(t)?把(1)代入(2)得：　　2π　　?　　Δs?　　2π　　?　　v?t?sin?(2)　　k???　　?k?2π?t?k??d?t?dd　　v　　式中?d?2π　　dΔ　　?(t)?　　2π　　??t　　T＝t）　　T＝0）　　若激光从一静止的光栅出射时；光波电矢量方程为E=E0cosω0t而激光从相应移动光栅出射时，光波电矢量方程则为　　E?E0cos[(?0t?Δ?(t)]?E0cos[(?0?k?d)t]显然可见，移动的位相光栅k级衍射光波，　　图10-3波阵面相对于静止的位相光栅有一个多普勒频移。

图2衍射光线在y方向上的位移量　　如图3所示　　?n??0　　?k??d　　2.光拍的获得与检测　　光频率很高为了在光频?0中检测出多普勒频移量，必须采用“拍”的方法，即要把　　已频移的和未频移的光束互相平行迭加，以　　形成光拍由于拍频较低，容易测得，通过　　拍频即可检测出多普勒频移量　　本实验形成光拍的方法是采用两片完全相同的光栅平行紧贴，一片B静止，另一片A相对移动激光通过双光栅后所形成的衍　　图3移动光栅的多普勒频率射光，即为两种以上光束的平行迭加其形　　成的第K级衍射光波的多普勒频移如图4所示　　光栅A按速度　　起频移作vA移动，　　用，而光栅B静止　　不动，只起衍射作用，故通过双光栅后射出的衍射光包含了两种以上不同频率成分而又平行　　的光束由于双光栅紧贴，激光束具　　有一定宽度，故该光束能平行迭加，这样直接而又简单地形成了光拍如图5所示　　当激光经过双　　光栅所形成的衍射光叠加成光拍信号光拍信号进入光电检测器后，其输出电流可由下述关系求得：　　光束1：E1　　?E10?cos(?0t??1)　　光束2：E2　　?E20?cos[(?0??d)t??2)](5)　　光电流：I??(E1?E2)2　　2222　　?(?0??d)t??2???Ecos(?t??)?Ecos(6)　　?E10?E20cos???0??d　　??0?t?(?2??1)?　　?E10?E20cos?(?0??d??0)t?(?2??1)??　　其中ξ为光电转换常数　　因光波频率ω0甚高，在式第一、二、四项中，光电检测器无法反应，式第三项即为拍频信号，因为频率较低，光电检测器能作出相应的响应。

其光电流为　　?　　iS?ξ?E10?E20cos???0??d??0??t???2??1??????E10?E20cos??d?t???2??1???　　拍频F拍即为：　　v　　F拍??A?vA?n0(7)　　2πd1　　其中n0?为光栅密度，本实验　　d　　n0?1/d?100条/1mm　　?d　　a）tb）3.微弱振动位移量的检测　　从式可知，F拍与光频率?0无　　图5频差较小的二列光波叠加形成“拍”　　关，且当光栅密度n0为常数时，只正比于光栅移动速度vA，如果把光栅粘在音叉上，则vA是周期性变化的所以光拍信号频率F拍也是随时间而变化的，微弱振动的位移振幅为：A?　　1T/21T/2F拍(t)1　　v(t)dt?dt?2?02?0n?2n0　　T/2　　?　　T/2　　F拍(t)dt(7)　　式中T为音叉振动周期，　　?F　　拍(t)dt　　表示T/2时间内的拍频波的个数所　　以，只要测得拍频波的波数，就可得到较弱振动的位移振幅　　波形数由完整波形数、波的首数、波的尾数三部分组成，根据示波器上显示计算波形的分数部份为不是一个完整波形的首数及尾数，需在波群　　的两端，可按反正弦函数折算为波形的分数份，即　　波形数＝整数波形数＋波的首数和尾数中满1/2或1/4或3/4　　sin?1asin?1b　　?个波形分数部份+　　360?360?　　式中a,b为波群的首、尾幅度和该处完整波形的振幅之比。

波群指T/2内的波形，分数波形数若满1/2个波形为，满1/　　4　　h　　H　　图7计算波形数　　个波形为，满(转载于:写论文网:双光栅微弱振动实验报告)3/4个波形为　　例题：如图7，在T/2内，整数波形数为4，尾数分数部分已满1/4但不满1/2波形，所　　sin?1()　　?????(8)以：波形数?4??00　　　　1T/21T/2F拍(t)1T/2A??v(t)dt??dt?F拍(t)dt?0220n?2n00　　对应的振动位移为：　　1?10-3　　????10?5(m)　　2?100　　【实验装置】　　实验仪器：激光源、信号发生器、频率计激光器：??635nm,0~3mW连续可调；　　信号发生器：f?120~950Hz,step,输出功率P?0~650mW连续可调；频率计显示范围：f?1~?；　　音叉谐振频率：f?500Hz左右双光栅微弱振动测量仪面板结构见图8；光栅常数：d?　　1　　mm100　　【实验内容】　　1.预习《示波器的应用》，熟悉双踪示波器的使用方法　　2.将示波器的Y1、Y2、X外触发器插座用专用电缆接至双光栅微弱振动测量仪的Y1、　　Y2、X的输出插座上，开启双踪示波器和双光栅微弱振动测量仪的电源。

　　3.几何光路调整：　　调节激光器固定架左右、上下两唯调节旋钮，使红色激光通过静光栅、动光栅并让某一级衍射光正好落入光电池前的小孔内调节光电池架手轮，锁紧光电池架调节驱动音叉“功率”旋钮到4点位置左右，频率调节到505Hz一边细心调节激光器位移上下、左右调节器，一边观察示波器，此时能看到清晰无重叠的拍频波即可　　4.双光栅调整：　　轻轻敲击音叉，调节示波器，配合调节激光器输出功率(一般调节到最大即可)，调节静光栅位移调节器、找到清晰无重叠的拍频波即可　　5.音叉谐振调节：　　先将“功率”旋钮置于4~5点钟附近，调节“频率”粗调旋钮，附近，　　实验二十五双光栅测量微弱振动位移量　　精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用　　多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等　　双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。

　　【实验目的】　　1.了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频；2.学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法；　　3.应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅　　【实验原理】　　1．位移光栅的多普勒频移　　多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移　　由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1　　激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置：　　dsin???k?k?0,1,2,???　　式中，整数k为主极大级数，d为　　光栅常数，?为衍射角，?为光波波图1出射的摺曲波阵面　　长　　如果光栅在y方向以速度v移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v在y方向移动。

因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y方向也有一个vt的位移量，见图2　　这个位移量相应于出射光波位相的变化量为??(t)　　119　　??代入(2)得：　　??光电流：I??(E1?E2)2　　??{E10cos2(?0t??1)?E20cos2[(?0??d)t??2]　　?E10E20cos[(?0??d??0)t?(?2??1)]　　?E10E20cos[(?0??d??d)t?(?2??1)]}　　其中?为光电转换常数　　因光波频率?0甚高，在式第一、二、四项中，光电检测器无法反应，式第三项即为拍频信号，因为频率较低，光电检测器能作出相应的响应其光电流为is??{E10E20cos[(?0??d??0)t?(?2??1)]}??{E10E20cos[?dt?(?2??1)]}拍频F拍即为：F拍?　　22　　?dvA　　??vAn?(7)2?d　　1　　为光栅密度，本实验d　　图5频差较小的二列光波叠加形成“拍”　　其中n??　　n???100条/mm　　3、微弱振动。