双光栅测量微弱振动位移量.ppt

1、双光栅测量微弱振动位移量,龚 平,一、开篇设问,1.预备问题,（1）什么是多普勒效应？,（2）什么是拍？,（3）本实验如何测量振动位移？,（4）实验室中提供的仪器分别有何作用？,（6）如何求出音叉振动振幅的大小？,（5）如何获得光拍频波？,一、开篇设问,2.容易出错的问题,（1）无法形成光拍，设备、光路、频率各方面可能存在的原因分别是什么？,（2）为什么测量的是音叉振动一半周期内的光拍波数？,（3）如何处理不足一个完整的拍波形？,（4）实验处理的哪个数据是微弱振动的位移？,一、开篇设问,3.课后思考问题,（1）如何判断动光栅和静光栅的刻痕已平行？,（2）测外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信

2、号功率？,（3）测量微弱振动位移的灵敏度是多少？,（4）本实验有何优点？,二、背景介绍,克里斯琴约翰多普勒 (Doppler, Christian Johann) 奥地利物理学家及数学家。 1803年11月29日出生于奥地利的萨尔茨堡 。,1842年的一天，多普勒路过铁路交叉处时， 恰逢一列火车从他身旁驰过。他发现火车从远 而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而 远时汽笛声变弱，音调变低。,同年他在文章 On the Colored Light of Double Stars 提出“多普勒效应”(Doppler Effect) 。,二、背景介绍,多普勒效应：在电磁波的传播过程中，由于光源和接

3、收器之间相对运动使得接收器收到的光波频率不同于光源发出的光波频率的现象。由此产生的频率变化称为多普勒频移。,多普勒频移有着广泛应用，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。,二、背景介绍,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的迭加即形成拍。,由于光的频率很高，所以无法通过光电探测器观察到。即使是目前最好的光电探测器，其响应时间也远大于光波的周期。,而拍频较低，故可让两个频率相差不大的光波叠加产生拍，从而达到可以观测的目的。,二、背景介绍,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

4、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。,三、实验原理,1. 位移光栅的多普勒频移,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。,（其中d为光栅常数，,为衍射角，,为光波波长）,在远场，可以用光栅方 程表示,三、实验原理,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，它的波阵面上出发点，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：

5、,其中，,三、实验原理,光波从静止光栅出射时，,光波从位移光栅出射时，,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：,三、实验原理,2. 光拍的获得与测量,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。,激光通过双光栅后所形成的衍射光，包含了两种不同频率而又平行的光束。,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。,形成光拍的方法：,三、实验原理,光拍信号进入光电探测器，光电探测器能检测到的光拍信号的频率为拍频 ：,光栅密度,三、实验原理,3. 微弱振动振幅的检测,实验时把光栅粘

6、在音叉上，则音叉振幅为：,音叉振动的半个周期内拍频波的个数,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个波形分数,例：如图所示，在T/2内，整数波形数为4，首数部分已满1/4波形，b=h/H=0.6/1=0.6,三、实验原理,1,2,3,4,波形数 = 4 + 0.25 +,= 4.25 + 0.10,= 4.35,四、实验仪器,1. 实验仪器、元器件、附件的详细介绍,2. 实验仪器的调节和使用,3. 注意事项,五、实验内容,1. 基本实验内容和实验程序,2. 实验数据的处理,六、设计案例,1. 陈水波“双光栅测速”发表在大学物理 vol01 2008,2. 黄壮雄

7、、潘永华、宋伟、 周进 “激光双光栅法测微小位移中光拍信号波形改进”发表在大学物理 vol04 2004,3. 凌志弘、李新章“双光栅精密定位”发表在大学物理 vol05 1992,七、进展及应用,“非对称双光栅位移测量”,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应用。,为提高大量程位移测量的灵敏度, Post D. 曾提出了用非对称双级闪耀参考光栅实现莫尔条纹倍增的思想 , 人们称这种思想在平面直线位移测量中的应用为非对称双光栅位移测量。,八、相关文献,3. Post D. Moire fringe multiplication with a nonsymmetrical doubly blazed referenc