双光栅微弱振动实验报告.docx

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】 ;; 。【实验原理】 、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 ?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),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