光电测量系统设计说明.doc

学习好帮手 光电测量系统设计光电测量系统设计 基于干涉方法测量压电陶瓷微小伸长量基于干涉方法测量压电陶瓷微小伸长量 指导老师 朱海东 樊敏 姓名 陈权 学号 2013031053 班级 电科 132 班 时间 2016 年 11 月 7 日 学习好帮手 摘摘 要要 本次实验为光电测量系统设计 从而测量压电陶瓷由于加热而产生的微小 形变量 故需要掌握干涉和衍射的基本原理和产生条件 结合相关仪器软件完 成对光电探测器的设计 首先是对通过杨氏双缝干涉 夫琅禾费衍射 PSD 微 小位移测量实验对理论知识的补充和了解 并对测量系统的搭建有一个大概的 构思 然后在机房通过仿真软件 ZMAX 完成扩束准直系统的设计 ZW CAD 绘制 出探测器的光学结构 探头主体 底座 支杆等 最后 进行了光纤端面处理 和光纤传感综合实验 关键词关键词 光电测量系统 干涉 衍射 探测器 光纤实验 学习好帮手 目目 录录 论文总页数 11 页 1 简介 1 1 1 实验目的及内容 1 2 干涉及衍射原理 1 2 1 干涉 1 2 1 1 干涉原理 1 2 1 2 干涉条件 2 2 1 3 实现光束干涉的基本方法 2 2 2 衍射 2 2 2 1 衍射原理 2 2 2 2 衍射分类 2 3 干涉仪 2 4 整体结构 3 5 上机 4 5 1 ZMAX 仿真设计 4 5 1 1 单透镜 4 5 1 2 双透镜 5 5 1 3 扩束准直系统 6 5 2 探测器设计 7 6 总结 10 6 1 实验结果及分析 10 6 2 问题分析 10 6 3 实验改进 11 结 语 11 参考文献 11 学习好帮手 1 1 简介简介 1 1 实验目的及内容实验目的及内容 1 基于光的干涉 衍射原理 理解干涉 衍射测量法的原理及方法 了解 各部分的作用并能综合运用 2 了解探测器的设计原理及探测器的分类 综合应用所学的光学知识 利 用干涉测量法测量压电陶瓷的微小伸长量 3 通过相关实验仪器和软件的操作完成对光电探头的设计 2 2 干涉及衍射原理干涉及衍射原理 2 1 干涉干涉 2 1 1 干涉原理干涉原理 只有两列光波的频率相同 相位差恒定 振动方向一致的相干光源 才能 产生光的干涉 由两个普通独立光源发出的光 不可能具有相同的频率 更不 可能存在固定的相差 因此 不能产生干涉现象 光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时 在重叠区内形成稳定的强弱强 度分布的现象 例如 两列单色线偏振光 cos 0111011 rktEE cos 0222022 rktEE 在空间点相遇 它们的振动方向间夹角为 则在点处得总光强为p p coscos2 2121 IIIII 1221 2III 式中 是二光束的光强 是两光束的相位差 且有 1 I 2 I trkrk 020122 21 coscos 2112 III 由此可见 两光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度和 而是多了 一项交叉项 它反映了这两束光的干涉效应 通常称为干涉项 干涉现象就 12 I 是指这两束光在重叠区内形成的稳定的光强分布 所谓稳定 就是用肉眼或记 录仪器能观察到或者记录到条纹分布 即在一定时间内存在着相对稳定的条纹 学习好帮手 分布 显然 如果干涉项远小于两光束中较小一个 就不容易观察到干涉现 12 I 象 如果两光束的相位差随时间变化 是光强度条纹图样产生移动 且当条纹 移动的速度快到肉眼或记录仪器不能分辨出条纹图样时 就观察不到干涉现象 了 2 1 2 干涉条件干涉条件 1 两束光的频率应当相同 2 两束光在相遇处的振动方向应当相同 3 两束光在相遇处应有固定不变的相位差 2 1 3 实现光束干涉的基本方法实现光束干涉的基本方法 1 分波面法 将一个波列的波面分成两部分或几部分 由这一部分发出 的波再相遇时 必然会产生干涉现象 杨氏双缝干涉实验就是应用的这种原理 2 分振幅法 利用透明薄板的第一 二表面对入射光的依次反射 将入 射光的振幅分解成若干部分 当这些部分的光波相遇时就产生干涉 这是一种 很常见的获得相干光 产生干涉的方法 2 2 衍射衍射 2 2 1 衍射原理衍射原理 光波遇到障碍物以后或多或少的偏离几何光学传播定律的现象 光在传播 路径中 遇到不透明或透明的障碍物或者小孔 窄缝 绕过障碍物 产生偏离 直线传播的现象称为光的衍射 衍射时产生的明暗条纹或光环 2 2 2 衍射分类衍射分类 衍射现象一般分两类 菲涅尔衍射和夫琅和费衍射 其中夫琅和费衍射是 指光源和观察者屏离开衍射物体都为无穷远时的衍射 但因为实际做不到无穷 远 所以一般要求满足光源和观察屏离开衍射物体之间的距离都远大于S 就能观察到夫琅和费衍射现象 其中为衍射物体的孔径 为光源 2aa 的波长 学习好帮手 3 3 干涉仪干涉仪 图 1 上图是迈克尔逊干涉仪的光路示意图 图中 M1 和 M2 是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜 其中 M2 是固 定的 M1 由精密丝杆控制 可沿臂轴前 后移动 移动的距离由刻度转盘 由粗 读和细读 2 组刻度盘组合而成 读出 在两臂轴线相交处 有一与两轴成 45 角的平行平面玻璃板 G1 它的第二个平面上镀有半透 半反射 的银膜 以便 将入 G2 也是平行平面玻璃板 与 G1 平行放置 厚度和折射率均与 G1 相同 由于它补偿了光线 和 因穿越 G1 次数不同而产生的光程差 故称为补偿板 从扩展光源 S 射来的光在 G1 处分成两部分 反射光 经 G1 反射后向着 M1 前进 透射光 透过 G1 向着 M2 前进 这两束光分别在 M1 M2 上反射后逆着各自的入 射方向返回 最后都达到 E 处 因为这两束光是相干光 因而在 E 处的观察者 就能够看到干涉条纹 由 M1 反射回来的光波在分光板 G1 的第二面上反射时 如同平面镜反射一 样 使 M1 在 M2 附近形成 M1 的虚像 M2 因而光在迈克尔逊干涉仪中自 M1 和 M2 的反射相当于自 M1 和 M2 的反射 由此可见 在迈克尔逊干涉仪中所产生 的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的 当 M1 和 M2 平行时 此时 M1 和 M2 严格互相垂直 将观察到环形的等倾干涉条纹 一般情况下 M1 和 M2 形成一 空气劈尖 因此将观察到近似平行的等厚干涉条纹 学习好帮手 4 4 整体结构整体结构 图 2 如原理图所示 He Ne 激光器发出的激光经过聚焦 扩束 准直后得到一束平行光 平行光入射到半反镜上分成两束光 一束为参考光束 一束为测量光 两束光分别经过 与回到 并在处发生干涉 其干涉条纹被聚光后被光电器件接收 形成脉冲 1 M 2 MGG 信号 反射镜的位置移动量的模拟信息载于脉冲信号中 全反射固定 而全反射镜 2 M 1 M 与钢丝紧密接触 这样就可以根据的移动量与被测钢丝长度增长量的线性关系可 2 M 2 M 以测量钢丝的微小增长量 参考光束和和测量光束的光程不相等 当光程差是波长的 整数倍 即时 两束光波的相位相同 光强度最大 在上出现 3 2 1 0 kk 3 M 亮条纹 光电接收器得到经聚光后的亮度信号 当光程差时 两束光波 2 1 k 的相位差为 光强度为零 在上出现暗条纹 光电接收器上无光信号入射 输出信 3 M 号为零 这样 当可动反射镜因为钢丝受热增长而移动时 在上将出现亮暗交替 2 M 3 M 的干涉条纹 其光强度的变化规律为 式中 为平均光 2cos IOVOVV KIII OV I 强度 为干涉条纹的对比度 从上式可知 光程差每变化波长时 干涉条纹暗亮变 I K 化一次 干涉条纹变化次 则光程差 对于图 1 所示结构 光程差是动镜n n 位移量的 2 倍 因此 被测位移量 2 ML2 nL 学习好帮手 5 5 上机上机 5 1 ZMAX 仿真设计仿真设计 通过对单透镜 双透镜的光路仿真设计 学会对扩束准直系统的仿真设计 5 1 1 单透镜单透镜 图 3 图 4 5 1 2 双透镜双透镜 图 5 学习好帮手 图 6 5 1 3 扩束准直系统扩束准直系统 图 7 学习好帮手 5 2 探测器设计探测器设计 图 8 探头主体 图 9 探头后盖 学习好帮手 图 10 玻璃窗口压片 图 11 硅光压圈帽 图 12 底座 学习好帮手 图 13 硅光螺旋柱 图 14 锁紧螺纹 学习好帮手 图 15 外支柱 图 16 小支杆 6 6 总结总结 6 1 实验结果及分析实验结果及分析 1 干涉 衍射实验 利用双缝干涉 单缝衍射验证了条纹间距公式的正确性 并了解干涉仪的 工作原理及使用方法 误差分析 测量工具 直尺 精度不够 读数有误 明暗条纹不够明显等 3 PSD 位移传感实验 验证了位移与电压的关系 4 光纤端面处理 掌握了对光纤端口的处理方法 使用米勒钳 或者燃烧 氢氟酸溶液腐蚀 等方式 剥离保护层 再将光纤表面处理平整 了解了判断其好坏的标准 利 学习好帮手 用显微镜观察光纤表面是否平整 端口 旋转一周 是否整齐 6 2 问题分析问题分析 1 干涉条纹间隔对测量的影响 由于条纹之间的偏差所表示的波面偏差为 W h H n 式中 H 是最 适合条纹间隔 n 是干涉仪的通道数 条纹之间的间隔变化 H 会影响波面偏差 2 激光干涉测量误差 1 系统误差 主要指受到激光干涉测量方法及测量系统元部件制造精度的 限制 2 环境误差 干涉仪工作过程中 环境的波动 空气温度 压力及相对湿度 的变化 引起空气折射率的变化 由此导致的误差 3 人为误差 人眼读数 记录数据错误 测量方法的错误等所造成的误差 6 3 实验改进实验改进 1 添加防震系统 若实验台有振动 则它将影响干涉图案 实验设计应设计防震系统 2 减弱对流 空气的流动 细小的微风也会对条纹产生影响 使干涉图案出现飘移或颤 动 3 抑制反射镜的移动 绝大部分发生在反射镜可移动范围的两端 结结 语语 通过次光电测量系统设计 对干涉及衍射的原理和产生条件有了更深刻的 了解 对整个测量系统的搭建 还有途中遇到的问题都有大概的解决方案 在 机房对仿真软件 ZMAX 和 ZW CAD 制图软件都有一定的学习和运用 最后在实践 操作中学习了对光纤的处理 丰富了自己的知识面 在这几周的设计中 虽然 遇到一些困难 团队的 个人的 都想办法去解决 而不是束手待毙 这是一 次很好的收获 参考文献参考文献 1 羡一民 双频激光干涉仪的原理与应用 J 工具技术 1996 年 04 期 2 周炳琨 高以智 编著 激光原理 国防工业出版社 2004 3 李林 编著 应用光学