《大学物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）双光栅测量微弱振动位移量

双光栅测微弱振动位移振幅陈水波2014-9

双光栅测微弱振动位移振幅 陈水波 2014-9

背景知识1842年多普勒路过铁路交叉处，发现火车从远而近时汽笛音调变尖，而火车从近而远时，音调奥地利物理学家、数学变低。同年他在文章“OntheColoredLightof家克里斯琴.约输.多普勒DoubieStars”提出“多普勒效应多普勒效应有着广泛应用，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。拍：根据振动选加原理，两列速度相同、振动面相同、频差较小而同方向传播的简谐波选加即形成拍。本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位移进行测量。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

背景知识 奥地利物理学家、数学 家克里斯琴.约翰.多普勒 ⚫1842年多普勒路过铁路交叉处，发现火车从远 而近时汽笛音调变尖，而火车从近而远时，音调 变低。同年他在文章“On the Colored Light of Doubie Stars ”提出“多普勒效应”。 ➢多普勒效应有着广泛应用，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。 ⚫拍：根据振动迭加原理，两列速度相同、振动 面相同、频差较小而同方向传播的简谐波迭加即 形成拍。 ⚫本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位移 进行测量。 ➢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

实验原理位相光栅的衍射激光平面波当激光平面波垂直入射到位相光栅时、由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波位相光栅出射捆曲波阵面的位相延迟作用，使入射的平出射的捆曲波阵面面波变成出射时的播曲波阵面。在远场可用光栅方程表示dsinkad为光栅常数，e是衍射角，入是波长T=t时刻的波形运动的位相光栅产生频移如果光栅在方向以速度移动T=0时刻的波形着，则出射波阵面也以速度在方向移动。从而，在不同时刻n级（T=t)对应于同一级的衍射光线，波n级(T=0)阵面上的出发点，在方向也有一个的位移量AS=v.tSino这个位移量相对于出射光波位相的变化量是：2元△p(t)=katvtsineAAp(t)得：2元

实验原理 ⚫ 位相光栅的衍射 ➢ 当激光平面波垂直入射到位相 光栅时，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。 ➢ 在远场可用光栅方程表示 ⚫ 运动的位相光栅产生频移 ➢ 如果光栅在y方向以速度v移动 着，则出射波阵面也以速度v在 y方向移动。从而，在不同时刻， 对应于同一级的衍射光线，波 阵面上的出发点，在y方向也有 一个的位移量 ➢ 这个位移量相对于出射光波位 相的变化量是： d k sin  = d 为光栅常数，θ是衍射角，λ是波长 得： ( ) d  =   t k t d 2 v d   = 2 ( ) sin t vt      = 令

实验原理光波从静止光栅出射E = Eio cosO,t光波从运动光栅出射E, = E2o cos[(0o + kのa)l]Wo+Wd可见，移动位相光栅的级衍射光波Wo相对于静止的位相光栅有一个多普勒频移：VB =0Wo+WdWo-WdWo=0+ko0.HW+WoWoWo+Wd光拍的获得-Wd两片完全相同的光栅平行紧贴BAW其中一片B静止不动只起衍射作用；另一片A相对B移动，既起衍射作用，也起频移作用由于双光栅紧贴，且激光束具有定宽度，所以两光束能平行选加，形成光拍

实验原理 ▪ 光波从静止光栅出射 ▪ 光波从运动光栅出射 ▪ 可见，移动位相光栅的k级衍射光波， 相对于静止的位相光栅有一个多普 勒频移： ▪ 光拍的获得 • 两片完全相同的光栅平行紧贴， 其中一片B静止不动只起衍射作 用；另一片A相对B移动，既起 衍射作用，也起频移作用 • 由于双光栅紧贴，且激光束具有 一定宽度，所以两光束能平行迭 加，形成光拍。 1 10 0 E E t = cos 2 20 0 cos[( ) ] E E k t = +  d k d 0    = + k

1=5(EI+E2)实验原理光拍的测量用光电探测器接加的光束光电池输出的光电流Eicos'(o.t+p)+Ecoso,to+p]I=(E+E2)=EEcos.+O+-+EEcosの++o+(P,+g·拍频讯号：is=EE2coso+p-经过实验分析，发现形成光拍振幅光电检测器测到的光拍讯号包络的原因是单振动光栅的衍射光边缘的强度变化。这是由于光的频率为拍频-Q-L=Vne上坊栅振动的同时伴随有转动造成的在振动光栅后加狭缝抑制衍射光n.-Ya光栅密度常数的边缘部分，可以很好地消除光拍信号中的包络

实验原理 ▪ 光拍的测量 • 用光电探测器接迭加的光束 • 光电池输出的光电流 • 拍频讯号： ▪ 光电检测器测到的光拍讯号 的频率为拍频 ( ) 1 2 2 I =  E +E ( ) 1 2 2 I =  E +E                   + + + + + + + − + − + + + + = [( ) ( )] [( ) ( )] [( ) ] ( ) 2 1 1 0 2 0 0 0 2 1 1 0 2 0 0 0 2 0 2 2 2 0 1 0 2 2 1 0 cos cos cos cos                t t t t d d d E E E E E E   ( ) 2 1 is = E10E20cos d t +  − v n v F A d A d   =  = = 2 拍 n d = 1  光栅密度常数 经过实验分析,发现形成光拍振幅 包络的原因是单振动光栅的衍射 光边缘的强度变化。这是由于光 栅振动的同时伴随有转动造成的。 在振动光栅后加狭缝抑制衍射光 的边缘部分,可以很好地消除光拍 信号中的包络

实验原理微弱振动振幅的测量Fdtv(t)dt-22n3可直接在示波器的荧光屏上计算（数出）波形数而得到sin aCOS波形数=整数个+分数个360360°1a,b为波群的首尾幅1/4、1/2、3/4度和该处完整波形的振幅之比如图波形数=4+1/4+尾数部分a=0;b=1-h/H=1-0.6/1=0.4

实验原理 ▪ 微弱振动振幅的测量 v t dt dt T T n F A   = = 2 0 2 0 2 1 ( ) 2 1  拍 dt T F n  = 2 0 2 1 拍  可直接在示波器的荧光屏上 计算（数出）波形数而得到 波形数=整数个+分数个 + 1 1 0 0 sin cos 360 360 a b − − + + a,b为波群的首尾幅 度和该处完整波形 的振幅之比 如图波形数=4+1/4+尾数部分 a=0;b=1-h/H=1-0.6/1=0.4 1/4、1/2、 3/4

拍频波数目的计数注意事项is= (Eio E2ocos loat+(P,-P)]

拍频波数目的计数注意事项   ( ) 2 1 is = E10E20cos d t +  −

拍频波的形状与硅光电池的频响特性·频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常采用调制光输入。光电池的频率特性就是指输出电流随调制光频率变化的关系。频率特性与材料、结构尺寸和使用条件等有关。由于光电池PN结面积较硅100%电大，极间电容大，故频率特性较差0硅光电池具有较高的频2率响应，而硒光电池则较差。0150030004.5006000光的颠率/Hz

拍频波的形状与硅光电池的频响特性

实验仪器半导体激光器（波长650nm），双光栅（100条/mm），光电池，音叉（谐振频率约440Hz）导轨，双综示波器和音叉激励信号源等

实验仪器 ▪ 半导体激光器(波长650nm)，双光栅(100条/mm)，光 电池，音叉(谐振频率约440Hz),导轨，双综示波器和 音叉激励信号源等

FB505型双光栅微弱振动测量仪杭州富阳精科仪器有限公司微光功率调节mA功率调节星示Hz功车调节数率维调频率粗调频事调节星示