双光栅测微弱震动
双光栅实验设计报告
双光栅测量微弱振动位移数据采集处理系统研究XXXX 学号：XXX电话：********* Emai:*********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广泛的运用。
双光栅测量微弱振动位移实验是将光栅衍射原理、多普勒频移原理以及“光拍”测量技术等多学科结合在一起，把机械位移信号转化为光电信号，对弱振动位移量进行测量。
【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。
4． 通过labview 软件和数据采集系统硬件电路完成了对拍频波、音叉振动信号的数据采集及数据处理。
【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vk 级（T=t ） k 级（T=0）vtΔs图2 衍射光线在y 方向上的位移量x vy位相光栅 出射摺曲面波图1 出射的摺曲面波激光平面波光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲面波，如图1所示。
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，通过光栅后的强度出现周期性的变化。
在远场，我们可以用大家熟悉的光栅方程即（1）式来表示主极大位置：dsin θ=±k λ k=0,1,2, (1)式中，整数k 为主极大的级数，d 为光栅常数，θ为衍射角，λ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。
双光栅测量微弱振动
激 光器：λ=635nm,0~30mW 信号发生器：120~950Hz， 0.1Hz微调，0~650mW输出 音叉谐振频率：500Hz 频率计：(1~999.9)±0.1Hz
FB505型 双光栅微弱振动测量仪 mV 耳机插孔 11
激光器功率调节
Y1 Y2 X
12 功率调节显示 Hz 频率粗调 频率细调 频率调节显示 功率调节
拍频和光频无关，正比于光栅移动速度vA 微弱振动的位移振幅 只要测得拍频波的个数，就可得到微弱振动的位移振幅 4．拍频波个数的计算方法 ．
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个波形分数部分+
sin −1 a sin −1 b + 0 0 360 360
实验仪器
FB505型双光栅微弱振动测量仪、双踪示波器
实验内容
1．将示波器上的Y1、Y2、X和 FB505型双光栅 微弱振动测量仪Y1、Y2、X的插孔对接 2．几何光路调整 观察示波器的波形直到有很漂亮的拍频波为至 3．音叉谐振调节 示波器上看到的T/2内的光拍的个数为15个左右 4．测出外力驱动音叉时的谐振曲线
【预习思考题】 预习思考题】
1．如何判断动光栅和静光栅已平行 2．作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要 固定信号的功率？ 3．测量微振动位移的灵敏度是多少？
制作：黄 勇
武汉理工大学物理实验中心
1. 位移光栅的多普勒频移 激光从一静止光栅出射时，光波的电矢量方程为： E=E0COSω0t 激光从移动光栅出射时，光波电矢量变为： E=E0COS[ω0t+∆φ(t)] =E0COS[(ω0+kωd)t] 移动的光栅相对于静止的光栅， v 它的k级衍射波有一个多普勒频移 ω
双光栅测微弱震动
用双光栅测量微弱振动-------- S eries1505.8 506 506.2 506.4 506.6 506.8 507 5072 507.4(2)用双光栅测量微弱振动一、 实验目的1. 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理;2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。
二、 实验仪器双光栅微弱振动测量仪，双踪示波器。
三、实验原理1 .位相光栅的多普勒频移所谓的位相材料是指那些只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料, 如生物切片、油膜、热塑以及声光偏转池等，他们只改变入射光的相位，而不影 响其振幅。
位相光栅就是用这样的材料制作的光栅。
当激光平面波垂直入射到位相光栅光波波长然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动，贝U 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，它的波阵面上的点， 在y 方向上也有一个vt 的位移量，如图2所示。
图1这个位移量对应于光波位相的变化量为（t ）vtsin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 波在出射时变成折曲波阵面，如图1所示, 由于衍射干涉作用，在远场我们可以用大家 熟知的光栅方程来表示：d sin n(1)式中d为光栅常数， 为衍射角， 为 (t)2n (t)vt dn2n d (3)v 2d⑷nod(5)a级%d t—l 级带入（2）式中d把光波写成如下形式: 相对于静止的位相光栅有一个 显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波, 大小：的多普勒频率，如图3所示。
ft - r 时亂玻前0级气 —2 恤_ 2叫E E °expi o t (t)expi o n d t/ f 时亂波前”汕/一八0圾（2洞2.光拍的获得与检测光波的频率甚高，为了要从光频0中检测出多普勒频移，必须采用“拍”的方法。
也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，以形成光拍。
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。
西安交通大学综合与近代物理实验9.7用双光栅测量微弱震动
图1
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，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图1所示，由于衍射干涉作用，在远场我们可以用大家熟知的光栅方程来表示
实验9.7用双光栅测量微弱振动
1842年多普勒(Doppler)提出，当波源和观察者彼此接近时，接收到的频率变高；而当波源和观察者彼此相离开时，接收到的频率变低。这种现象在电磁波和机械波中都存在。即当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者所接收到的频率不等于波源振动频率，这种现象称为多普勒效应。而当光源与接收器之间有相对运动时，接收器感受到的光波频率不等于光源频率，这就是光学的多普勒效应或电磁波的多普勒效应。该效应已经在科学技术以及医学的许多领域得到应用。
式中： 为音叉振动周期。 可以直接在示波器的荧光屏上计算光拍波形数而得到，因为 表示 内的波的个数，不足一个完整波形，需要在波群的两端，按反正弦函数折算为波形的分数部分，即
式中： ， 为波群的首尾幅度和该处完整波形的振幅之比。（波群指 内的波形，分数波形数包括满1/2个波形为0.5，满1/4个波形为0.25）
四、实验仪器介绍
双光栅微弱振动测量仪面板结构如图5所示。
图5
1—光电池座，顶部有光电池盒，盒前方一小孔光阑；2—电源开关；3—光电池升降手轮；4—音叉座；5—音叉；6—粘于音叉上的光栅（动光栅）；7—静光栅架；8—半导体激光器；9—锁紧手轮；10—激光器输出功率调节；11—信号发生器输出功率调节；12—信号发生器频率调节；13—驱动音叉用耳机；14—频率显示；15—信号输出；Y1—拍频信号；Y2—音叉驱动信号；X—示波器提供“外触发”扫描信号，使得示波器显示的波形稳定
双光栅测微弱震动
用双光栅测量微弱振动用双光栅测量微弱振动一、实验目的1. 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理；2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。
二、实验仪器双光栅微弱振动测量仪,双踪示波器。
三、实验原理1．位相光栅的多普勒频移所谓的位相材料是指那些只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料，如生物切片、油膜、热塑以及声光偏转池等，他们只改变入射光的相位，而不影响其振幅。
位相光栅就是用这样的材料制作的光栅。
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，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图1所示，由于衍射干涉作用，在远场我们可以用大家熟知的光栅方程来表示：λθn d =sin（1）式中d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。
然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动，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，它的波阵面上的点，在y 方向上也有一个vt 的位移量，如图2所示。
图1这个位移量对应于光波位相的变化量为)(t ∆Φθλπλπsin 22)(vt s t =∆∙=∆Φ （2）带入（2）tn t d vn dn vt t d ωπλλπ===∆Φ22)(（3）式中d v d πω2=把光波写成如下形式：()[]()[]t n i t t i E E d ωωω+=∆Φ+=000exp )(exp(4)显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个大小：d a n ωωω+=0（5）的多普勒频率，如图3所示。
2.光拍的获得与检测 光波的频率甚高，为了要从光频0ω中检测出多普勒频移，必须采用“拍”的方法。
也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，以形成光拍。
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。
激光通过双光栅后形成的衍射光，即为两个光束的平行叠加。
双光栅测微弱震动
用双光栅测量微弱振动用双光栅测量微弱振动一、 实验目的1. 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理；2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。
二、 实验仪器双光栅微弱振动测量仪,双踪示波器。
三、实验原理1．位相光栅的多普勒频移所谓的位相材料是指那些只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料，如生物切片、油膜、热塑以及声光偏转池等，他们只改变入射光的相位，而不影响其振幅。
位相光栅就是用这样的材料制作的光栅。
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，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图1所示，由于衍射干涉作用，在远场我们可以用大家熟知的光栅方程来表示：λθn d =sin（1）式中d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。
然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动，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，它的波阵面上的点，在y 方向上也有一个vt 的位移量，如图2所示。
图1这个位移量对应于光波位相的变化量为)(t ∆Φθλπλπsin 22)(vt s t =∆∙=∆Φ （2）带入（2）tn t d vn dn vt t d ωπλλπ===∆Φ22)(（3）式中d v d πω2=把光波写成如下形式：()[]()[]t n i t t i E E d ωωω+=∆Φ+=000exp )(exp(4)显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个大小：d a n ωωω+=0（5）的多普勒频率，如图3所示。
2.光拍的获得与检测 光波的频率甚高，为了要从光频0ω中检测出多普勒频移，必须采用“拍”的方法。
也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，以形成光拍。
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。
激光通过双光栅后形成的衍射光，即为两个光束的平行叠加。
双光栅微弱振动实验报告
双光栅微弱振动实验报告双光栅微弱振动实验报告引言：微弱振动是物理学中一个重要的研究领域，它涉及到许多实际应用，如地震监测、机械振动分析等。
在本次实验中，我们将使用双光栅技术来研究微弱振动现象，并探索其潜在应用。
实验装置：实验装置主要由激光器、双光栅、光电探测器和数据采集系统组成。
激光器产生一束单色、相干性很好的激光光束，该光束经过双光栅后会发生干涉现象。
光电探测器用于接收干涉信号，并将其转化为电信号。
数据采集系统则用于记录和分析电信号。
实验步骤：首先，我们将双光栅装置固定在一个平稳的支架上，并调整其位置，使得两个光栅的光程差为零。
然后，我们将激光器的光束照射到双光栅上，并将光电探测器放置在干涉图样的中心位置。
接下来，我们将通过改变实验装置的振动条件来研究微弱振动现象。
首先，我们将在实验装置上施加一个小的外力，例如用手轻轻拍击支架。
我们观察到干涉图样的形态发生了变化，这是因为振动引起了光栅的相对位移，从而改变了光程差。
然后，我们将通过改变外力的大小和频率来进一步研究微弱振动现象。
我们发现，当外力的频率接近光栅的固有频率时，干涉图样会出现明显的共振现象。
这是因为外力与光栅的固有振动频率相匹配，从而导致光栅的振幅增大。
结果与讨论：通过实验，我们成功地观察到了双光栅微弱振动现象，并研究了其频率响应特性。
我们发现，双光栅的共振频率与其固有振动频率密切相关。
这一发现对于设计和优化微弱振动传感器具有重要意义。
此外，我们还发现，双光栅的干涉图样对微弱振动非常敏感。
微小的振动可以导致干涉图样的形态发生明显变化，这为微弱振动的检测和测量提供了一种新的方法。
双光栅技术的高灵敏度和高分辨率使其在微弱振动领域具有广泛的应用前景。
结论：本次实验通过双光栅技术成功地研究了微弱振动现象，并探索了其潜在应用。
实验结果表明，双光栅具有高灵敏度和高分辨率，可以用于微弱振动的检测和测量。
这一技术在地震监测、机械振动分析等领域具有重要的应用前景。
双光栅测微弱振动实验原理修正
摘要：本文简述了双光栅形成光拍信号的过程与微弱振动测试的基本原理，通过仿真计算与实验测试相互对比，对光拍
信号的表达式进行了修正，振幅修正系数是由于光栅振动带动衍射光斑振动而产生的；同时，本文通过仿真计算解释了光拍
信号毛刺的产生原理，光拍信号的毛刺是由于高级衍射带来的，要想降低毛刺对光拍信号的影响，应尽量使光栅条纹平行或
射相位光栅时的原始相位．激光在通过衍射光栅以
后，会形成一排衍射光斑，任意两个衍射光斑之间的
光程相差波长的整数倍，所以任意两个衍射光斑之
间的相位相差 ２ 的整数倍，这相当于所有衍射光斑
都
同
相 将
位 由
，所以本文中全部用 式（５）产生的附加相
位φ０
来表示． 加入到式
（６
）中
，可
以得到振动光栅的第 ｋ 级衍射光的振幅，可表示为
Ｅｍａｉｌ ｚｈａｎｇｊｕｎｗｕ＠ ｍａｉｌ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
４２
大 学 物 理
第 ３８ 卷
（ ） Φｋ
＝
２π Ａｃｏｓ
λ
ωｄ ｔ＋φｄ ｓｉｎ θ
（４）
再将光栅方程（１）代入式（４），将波长和衍射角替换
为光栅常数和衍射级数，可以得到
（ ） Φ
ｋ
＝
２π Ａｃｏｓ
ｄ
ωｄｔ＋φｄ ｋ
Φ
＝
２π Δ
ｓｓｉｎ
θ
（２）
λ
在本实验中相位光栅被贴在音叉上，所以相位光栅
会随音叉做周期性简谐振动，位移 Δｓ 可表示为
（ ） Δｓ ＝ Ａｃｏｓ ωｄ ｔ＋φｄ
（３）
其中 ωｄ 和 φｄ 分别代表光栅振动的频率和初相位，Ａ 为音叉振动的振幅，也是本实验要测量的微弱振动
实验13 双光栅测量微弱振动位移量实验
实验13 双光栅测量微弱振动位移量实验实验重点预习内容：1.在实验中怎样产生光拍？2.如何计算波形数？（画图表示）3.如何计算微弱振动的位移振幅？写出公式并对每个量进行逐一解释。
4.如何听拍频信号?多普勒效应：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。
提出“多普勒效应”。
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叠加即形成拍。
本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位移进行测量一、实验目的1. 理解利用光的多普勒频移形成光拍的原理；2. 理解双光栅衍射干涉位移测量原理；3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动产生的微小振幅。
二、实验仪器双光栅微弱振动测量仪、模拟示波器、数字示波器三、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 图1 出射的摺曲波阵面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y xvd激光平面波 位相光栅出射折面波光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置：d sin θ=±k λ k =0,1,2,… (1) 式中：整数k 为主极大级数，d 为光栅常数，θ为衍射角，λ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射，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。
实验35 双光栅微弱振动测量
实验35 双光栅微弱振动测量双光栅微弱振动测量是一种常用的光学方法，广泛应用于物理、生物、化学等领域中的振动测量和结构分析。
该方法基于光的干涉原理，通过两个光栅的干涉形成衍射条纹，利用物体微小振动引起衍射条纹的移动，再通过计算反推物体振动的位移和频率。
一、实验目的1. 学习双光栅微弱振动测量的原理和方法；2. 理解干涉条纹的特性和与物体振动的关系；3. 掌握光路的调节方法和光学实验仪器的使用。
二、实验仪器1. 双光栅干涉仪；2. 可调激光器；3. 振动台。
三、实验原理1. 干涉条纹的特性干涉条纹是指两束相干光在空间中干涉形成的亮暗交替的条纹。
当两束光束相向而行，相位差为整数个波长时，两光束相互干涉，形成一条亮纹，相位差为半个波长时则形成一条暗纹。
干涉条纹的图案和数量可由光干涉的波动性和光路差决定。
2. 双光栅干涉仪的原理双光栅干涉仪是一种常用的振动测量仪器，可用于测量物体在微小振动下的位移和频率。
如图1所示，双光栅干涉仪由两个光栅和一个可调激光器构成。
主光栅A发出平行光束，次光栅B接受光束并重新发出次级平行光束，两光栅之间的光程差决定了干涉条纹的数量和位置。
当物体O在垂直于光束方向上发生微小振动时，由于物体的振动引起了光程差的改变，导致干涉条纹发生位移。
此时，通过计算条纹移动的距离和时间，可以求出物体的振动频率和振幅。
3. 光路调节光路调节是双光栅干涉仪测量中的重要环节，正确的光路调节可以保证测量精度和稳定性。
调节方法如下：（1）调节第一光栅到调谐角的位置，使其正好呈现光谱分布，条纹间隔均匀。
（2）调节次光栅，使其完全接收第一光栅的光束，并尽量削减残留散射光。
（3）调节整个系统，使其能够接收尽可能多的光，工作在适当的动态范围内。
四、实验步骤2. 打开激光器，调整输出功率，并使激光能够穿过主光栅。
3. 通过调节主光栅、次光栅和镜面，将激光束反射到振动台上并尽量削减散射光。
4. 调节振动台，使其能够产生微小振动。
双光栅检测微弱振动位移量附录双光栅检测微弱振动位移量讲义
) (1)
式中 m 为衍射级数，d 为光栅常数，θ 为衍射角，λ 为光波波长。
如果光栅在 y 方向以速度 u 做简谐振动，则从光栅出射的光的波阵面也以同样速
度做简谐振动，因此在不同时刻，对应于同一级次的衍射光线，从光栅出射时，在 y 方
向将会产生位移量 ut，
图 1 光栅衍射原理图
如图 2 所示。
(6)
其中 ξ 为光电转换常数。
因光波频率很高，(6)式中第一项、第二项、第四项，光电池无法分辨，第三项为拍频
信号，因为频率较低，光电池能做出相应的响应，其光电流为可表示为
is = ξ{E10 E20 cos[(ω0 + ωd − ω0 )t + (ϕ2 − ϕ1 )]} = ξ{E10 E20 cos[ωd t + (ϕ 2 − ϕ1 )]}
数据处理
1．求出音叉谐振时光拍信号的平均频率； 2．求出音叉在谐振点时作微弱振动的位移振幅； 3．用坐标纸作图，做出音叉的频率～振幅曲线； 4．选作内容：做出音叉不同有效质量时的谐振曲线，定性讨论其变化趋势。
讨论题
1．如何判断动光栅与静光栅的刻痕已平行? 2．作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号功率?
4．谐振曲线的测量：在音叉谐振点附近，调节驱动信号频率，频率间隔 fn=(f0±0.1n)HZ,f0 是谐振频率，n=0，±1，±2 选 5 个点,分别测出对应拍频波的波数,计算出相应的振幅 An。
5．选作内容：改变音叉的有效质量，可以将塑料软管依次放入音叉不同位置的小孔里， 或将橡皮泥粘在音叉的不同位置，研究音叉谐振曲线的变化规律。 三、报告要求
图 2 用移动的皱褶波面来解释多普勒效应 (a)褶皱波面的相位超前 (b)不同衍射级次的频移
双光栅测微弱振动综述报告
五、本实验装置的其他应用
可设计带有若干凹槽的音叉替代原有音叉，向凹槽内放置不同数量的微小金属块，通过示波器上显示的拍频波个数计算出各相应情况下的音叉振幅，拟合出音叉振幅大小与音叉附着质量关系曲线。对于质量位于本实验所采用的质量区间内的微小物体，都可以通过双光栅微弱振动实验测量出振幅，再利用所得的关系计算出质量大小。
三、光栅尺(莫尔条纹)在工业中测量控制微小量的原理
1、双光栅衍射成像的研究
2、双光栅双参量的传感研究
六、普通光栅和位相光栅的区别
由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。
八、思考题
1、如何判断动光栅和静光栅的刻痕已经平行？
将观察屏放于光电池架处，慢慢转动光栅架，仔细观察，调节，两个光束重合时，动光栅和静光栅即处于平行状态。
矩形棒
式中，b，h分别为棒的宽和厚。
在国际单位制中，杨氏模量的单位为牛顿/米2（N·m-2）。
实验原理图如5所示。由信号发生器输出的正弦信号，加到激发换能器Ⅰ上，通过激发换能器Ⅰ把信号转变成机械振动，再由悬丝把机械振动传给待测试样，使试样受迫做横向振动，试样另一端的悬丝将振动传给接受换能器Ⅱ，这时机械振动又转变成电信号。该信号送到示波器中显示。
实验23 双光栅测量微弱振动位移量
实验23 双光栅测量微弱振动位移量随着光电子学和激光技术的不断发展，新的课题、新的实验技术不断涌现。
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，如医学上的超声波诊断仪，测量不同深度的海水层的流速和方向，卫星导航定位系统，音乐中乐器的调音等。
本实验将光栅衍射原理、多普勒频移原理以及“光拍”测量技术等多学科结合在一起，对移动光栅微弱振动进行测量。
【实验目的】1．熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理，测量光拍拍频； 2．应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅； 3．了解精确测量微弱振动位移的一种方法。
【预备问题】1．什么是多普勒效应？什么是拍频？如何获得光拍频波？ 2．本实验如何测量振动位移？ 3．如何求出音叉振动振幅的大小？【实验仪器】双光栅微弱振动测量仪，示波器。
【实验原理】1．相位光栅的多普勒频移在电磁波的传播过程中，由于光源和接收器之间存在相对运动而使接收器接收到的光的频率不同于光源发出的光的频率，这种现象称为多普勒效应，由此产生的频率变化称为多普勒频移。
理想的单色光在不同介质中的传播速度是不同的，在折射率为n 的介质中，光传播的速度是真空中光速的1/n 。
对于两束相同的单色光，如果初始时刻相位相同，其中一束光在真空中经过几何路程L ，另一束光在折射率为 n 的介质中经过几何路程为n L L /='，则经过之后两束光的相位仍然相同；如果初始时刻相位相同，经过相同几何路程而不同折射率的介质，出射时两光的相位则不相同。
y出射摺曲波阵面相位光栅vx图23-1 出射摺曲波阵面2对于相位光栅而言，当激光平面波垂直入射到相位光栅时，由于光栅上不同折射率的介质对光波的相位延迟作用不同，使入射的平面波在出射时产生了一定的相位差，平面波阵面变成了摺曲波阵面，如图23-1所示。
双光栅微弱振动实验报告
一、实验目的1. 了解双光栅微弱振动测量技术的原理和方法。
2. 掌握双光栅微弱振动测量仪器的操作方法。
3. 通过实验验证双光栅技术在微弱振动测量中的可行性和准确性。
二、实验原理双光栅微弱振动测量技术是基于多普勒频移原理。
当振动体相对于光栅运动时，光栅上的衍射条纹发生位移，从而导致入射光与反射光之间的相位差发生变化。
通过测量相位差的变化，可以计算出振动体的位移。
三、实验仪器与材料1. 双光栅微弱振动测量仪2. 数字示波器3. 音叉4. 激光器5. 信号发生器6. 频率计四、实验步骤1. 将双光栅微弱振动测量仪的Y1（拍频信号）和Y2（音叉激振信号）输出接口分别连接到数字示波器的X（CH1）和Y（CH2）输入端。
2. 打开激光器、信号发生器和频率计，调节相关参数，确保激光器发出稳定的光束。
3. 将音叉放置在双光栅微弱振动测量仪的测量平台上，调整测量仪的位置，使激光束垂直照射到音叉上。
4. 打开示波器，观察拍频信号和音叉激振信号的波形，并记录数据。
5. 调整音叉的振动幅度，观察示波器上的波形变化，分析振动体的位移情况。
6. 通过频率计测量音叉的谐振频率，计算振动体的振动周期。
五、实验结果与分析1. 在实验过程中，我们成功测量到了音叉的微弱振动，示波器上的波形图显示了振动体的位移情况。
2. 通过调整音叉的振动幅度，我们可以观察到示波器上的波形变化，从而得到振动体的位移信息。
3. 实验结果表明，双光栅技术在微弱振动测量中具有较高的分辨率和灵敏度，能够满足微弱振动测量的需求。
六、结论1. 本次实验通过双光栅技术成功地研究了微弱振动现象，验证了该技术在微弱振动测量中的可行性和准确性。
2. 双光栅技术具有较高的分辨率和灵敏度，可以应用于许多领域，如工程、医学、物理等。
3. 在实验过程中，我们掌握了双光栅微弱振动测量仪器的操作方法，为今后开展相关实验奠定了基础。
七、注意事项1. 实验过程中，注意保持激光器的稳定性，避免光束偏移。
双光栅微弱振动测量实验
没有侥幸这回事，最偶然的意外，似乎也都是有必然性的。
---爱因斯坦（美国）
大学物理实验报告
college physical experiment report paper
名称：双光栅微弱振动测量实验
班级：
姓名：
学号：
大学物理实验预习报告
1．熟悉利用光的多普勒频移形成光拍的原理，掌握精确测量微弱振动位移的方法。
2．做出外力驱动音叉时的谐振曲线。
预习思考检测题
1. 什么是位相光栅的多普勒频移？
2．怎样进行光拍的获得与检测?
3. 微弱振动位移量如何检测?
大学物理实验报告
实验目的：实验仪器：实验原理：
实验步骤：
实验数据表格及记录
【注：此处数据属原始记录，是批改报告时进行核查的依据，经教师签字后不得更改】
教师签字：
数据处理及误差分析：。
利用双光栅测量微弱振动实验报告
利用双光栅测量微弱振动实验报告本文介绍了利用双光栅测量微弱振动的实验方法和结果。
通过调整双光栅的位置和角度，测量了不同频率和振幅的振动信号。
实验结果表明，双光栅测量微弱振动的方法具有高精度、高灵敏度和高可靠性的特点，可用于各种微弱振动的测量。
关键词：双光栅、微弱振动、测量、精度、灵敏度、可靠性一、实验目的本实验旨在掌握双光栅测量微弱振动的实验方法和原理，了解双光栅的结构和工作原理，掌握双光栅的调整和测量方法，熟悉双光栅测量微弱振动的特点和应用。
二、实验原理双光栅是一种光学干涉仪，由两个光栅组成，其中一个光栅为参考光栅，另一个光栅为测量光栅。
当两个光栅之间存在微小的位移或振动时，会产生一系列干涉条纹，通过测量干涉条纹的位移或变化，可以计算出振动信号的频率、振幅和相位等信息。
双光栅测量微弱振动的主要特点包括：1. 高精度：双光栅测量微弱振动的精度可以达到亚微米级别，适用于各种微小振动的测量。
2. 高灵敏度：双光栅可以检测到微小的振动信号，灵敏度高，响应迅速。
3. 高可靠性：双光栅结构简单，操作方便，可靠性高，适用于各种工况和环境。
三、实验装置本实验采用双光栅测量微弱振动的实验装置，包括以下主要部分：1. 激光器：用于产生单色光源，保证测量精度和灵敏度。
2. 双光栅：由两个光栅组成，其中一个光栅为参考光栅，另一个光栅为测量光栅。
3. 振动台：用于产生不同频率和振幅的振动信号。
4. CCD相机：用于捕获干涉条纹的图像，提取振动信号的信息。
5. 电脑：用于控制实验装置和处理实验数据。
四、实验步骤1. 调整双光栅的位置和角度，使参考光栅和测量光栅的光程差为零，产生干涉条纹。
2. 将振动台上的振动源接入实验装置，调整振动台的频率和振幅，产生不同频率和振幅的振动信号。
3. 通过CCD相机捕获干涉条纹的图像，提取干涉条纹的位移和变化信息。
4. 利用计算机处理实验数据，得到振动信号的频率、振幅和相位等信息。
五、实验结果本实验测量了不同频率和振幅的振动信号，实验结果如下：1. 当振动频率为10Hz时，测量得到振动幅度为0.5μm，振动相位为0°。
用双光栅测量微弱振动实验 综述报告
用双光栅测量微弱振动实验综述报告
双光栅测量微弱振动实验是一种用于研究微弱振动现象的实验方法。
本文将对这一实验方法进行综述，并介绍其原理、仪器搭建和应用领域。
一、原理
双光栅测量微弱振动实验的原理是利用光学干涉原理来测量物体的振动。
在实验中，将物体置于一对干涉光栅之间，当物体振动时，会引起干涉光斑的移动。
利用这一移动的特性，可以测量物体的振幅、频率等参数。
二、仪器搭建
双光栅测量微弱振动实验需要的仪器有：激光器、物体振动平台、双光栅系统以及用于记录干涉光斑的光学检测系统。
首先，在实验中需要使用激光器发射出一束平行光，这一光束通过一个分束器后，被分成两个平行的光束。
其次，物体振动平台需要按照一定频率和振幅振动，可以通过电机等设备实现。
然后，光线经过一个双光栅系统并在物体振动平台上反射，进入到光学检测系统。
最后，使用光学检测系统对干涉光斑进行记录和分析，得到物体振动的参数。
三、应用领域
双光栅测量微弱振动实验可以被广泛应用于研究各种物体的振动特性，比如微机械、生物医学和光学等领域。
例如，在微机械领域，双光栅测量微弱振动实验可以用于研究微型机器人和微型传感器的振动特性，实现微小物体的控制和测量。
在生物医学领域，双光栅测量微弱振动实验可以用于研究生物分子、细胞等的振动参数，为生物医学研究提供重要帮助。
在光学方面，双光栅测量微弱振动实验可以用于研究光学材料和光学器件的振动特性，为光学器件的研发提供帮助。
综上所述，双光栅测量微弱振动实验是一种重要的实验方法，其具有广泛的应用领域和研究价值，是现代科学研究领域中不可或缺的一部分。
双光栅微弱振动测量实验报告
双光栅微弱振动测量实验报告双光栅微弱振动测量实验报告引言：微弱振动的测量对于许多领域都具有重要意义，包括工程、物理学和生物学等。
本实验旨在利用双光栅技术来测量微弱振动，并通过实验结果来验证其可行性和准确性。
实验原理：双光栅技术是一种利用光学原理测量微弱振动的方法。
其基本原理是通过将一个光栅固定在振动物体上，当物体发生微小振动时，光栅也会随之振动，从而改变光栅上的衍射图样。
另一方面，将另一个光栅作为参考光栅，通过光栅间的干涉效应，可以测量到振动物体的位移。
实验装置：本实验所使用的装置包括一束激光器、两个光栅、一个光电二极管和一个示波器。
其中，激光器用于产生一束单色激光光束，光栅用于产生干涉效应，光电二极管用于接收光信号，示波器用于显示振动物体的位移。
实验步骤：1. 将激光器调整至合适的位置，使其发出的激光光束能够穿过两个光栅。
2. 将一个光栅固定在待测物体上，确保其与物体的振动方向一致。
3. 将另一个光栅固定在一个稳定的支架上，作为参考光栅。
4. 将光电二极管放置在参考光栅的衍射图样处，用于接收光信号。
5. 将光电二极管与示波器连接，将示波器调整至适当的显示模式。
6. 开始测量振动物体的微弱振动，并观察示波器上的显示结果。
实验结果：在实验过程中，我们通过调整示波器的参数，成功地测量到了振动物体的微弱振动。
示波器上的波形图显示了振动物体的位移情况，通过对波形图的分析，我们可以得到振动物体的振幅、频率等相关参数。
讨论与分析：通过本实验，我们验证了双光栅技术在微弱振动测量中的可行性和准确性。
双光栅技术不仅能够测量到微小振动的位移，还能够提供较高的分辨率和灵敏度。
与传统的测量方法相比，双光栅技术具有更高的精度和稳定性。
然而，双光栅技术也存在一些局限性。
首先，实验中使用的光栅需要具有较高的质量和稳定性，否则会影响测量结果的准确性。
其次，双光栅技术对光源的要求较高，需要使用单色激光光源，以确保干涉效应的产生。
大学物理实验双光栅微弱振动
双光栅微弱振动测量仪的各项技术指标为：测量精度5 µm，分辨率1 µm；激 光器波长λ=635 nm，功率0.3 mW；信号发生器频率范围100–1000 Hz，0.1 Hz微调， 0.500 mw输出；频率计范围1.999.9± 0.1 Hz；音叉谐振频率500 Hz。
华北电力大学物理实验中心 2013.08
(t )
2
v t sin = n d t
（2）
y
v
x vt θ
图 2 衍射光在 y 方向上的位移量
式中 d
2 v 。因此，若激光从静止光栅出射时光波电矢量为 E0 cos(0t ) ， d
则当激光从运动光栅出射时，光波电矢量变成 E0 cos[0 t (t )] 。由此可见， 对于运动光栅 n 级衍射光波，相对于静止光栅有一个 n d 的多普勒频移，如图 3
6
小孔时，并不一定都能产生好的波形，有时在光斑的边缘也能产生较好的波形。 可以微调光电池架或激光器的位置，改变一下光斑落在光电池上的位置，观察波 形是否有所改善。 （5）测量外力驱动音叉时的谐振曲线 保持信号发生器功率大小不变，在音叉谐振点附近，从比谐振频率稍小的频 率开始，逐渐增大信号频率，并越过谐振频率，测出音叉的振动频率与对应的信 号 振 幅 大 小 。 选 取 10 个 频 率 ， 分 别 测 出 对 应 的 波 的 个 数 ， 由 公 式
检测器后，其输出电流 I 可表示为
I ( E1 E2 ) 2
2 2 E10 cos2 (0t 1 ) E20 cos 2 (0 d )t 2
E10 E20 cos d t (2 1 ) E10 E20 cos (20 d )t (2 1 )
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
用双光栅测量微弱振动
用双光栅测量微弱振动
一、 实验目的
1. 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理；
2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。
二、 实验仪器
双光栅微弱振动测量仪,双踪示波器。
三、实验原理
1．位相光栅的多普勒频移
所谓的位相材料是指那些只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料，如生物切片、油膜、热塑以及声光偏转池等，他们只改变入射光的相位，而不影响其振幅。
位相光栅就是用这样的材料制作的光栅。
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，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图1所示，由于衍射干涉作用，在远场我们可以用大家熟知的光栅方程来表示：
λθn d =sin
（1）
式中d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。
然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动，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，它的波阵面上的点，在y 方向上也有一个vt 的位移量，如图2所示。
图1
这个位移量对应于光波位相的变化量为)(t ∆Φ
θ
λ
πλ
π
sin 22)(vt s t =
ƥ=
∆Φ （2）
带入（2）
t
n t d v
n d
n vt t d ωπλλπ
===
∆Φ22)(
（3）
式中
d v d π
ω2=
把光波写成如下形式：
()[]()[]
t n i t t i E E d ωωω+=∆Φ+=000exp )(exp
(4)
显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个大小：
d a n ωωω+=0
（5）
的多普勒频率，如图3所示。
2.光拍的获得与检测 光波的频率甚高，为了要从光频
0ω中检测出多普勒频移，
必须采用“拍”的方法。
也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，以形成光拍。
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。
激光通过双光栅后形成的衍射光，即为两个光束的平行叠加。
如图4所示，光栅A 以速度
a
v 移动起频移作用，而光栅B 静止不动，只起衍射作用，所以通过
双光栅后出射的衍射光包含了两种以上不同频率而又相互平行的光，由于双光栅紧贴，激光束具有一定的宽度，故该光束能平行叠加，这样直接而又简单地形成了光拍。
当此光拍信号进入光电检测器，由于检测器的平方律检波性质，其输出光电流可由如下所述关系求得：
光束1：)
cos(10101ϕω+=t E E
光束2：
[]
))(cos 20202ϕωω++=t E E d （取1=n ）
光电流：2
21)(E E I +=ξ
（ξ为光电转换常数）
⎪⎪⎭⎪
⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧++-+-+-++++=)]()[(cos )]()[(cos ])[(cos )(cos 12002201012002
20
101022
20102210ϕϕωωωϕϕωωωϕωωϕωξt E E t E E t E t E d d d
(6)
因为光波0ω甚高，光电检测器不能检测出来，所以在（6）式中只有第三项
拍频信号：
)]}
([cos {1222010ϕϕωξ-+=t E E i d s
能被光电检测器所检测出来。
光电检测器所能测到的光拍信号的频率为
θπωn v d v F A A
d ===
2拍
（7）
其中
d n 1
=
θ为光栅常数，本实验中mm /100条=θn
3．微弱振动位移量的测量 从（7）式可知，
拍
F 与光频率
0ω无关，且当光栅常数θn 确定时，与光栅移
动速度A v 成正比。
如果把光栅粘到音叉上，则A v 是周期性变化的，所以光拍信号的频率
拍
F 也是随时间变化的，微弱振动的位移振幅为：
⎰⎰
⎰
=
==22
2
00
d )(21
d )(21d )(T T
T
t
t F n t n t F t t v A 拍拍θ
θ
式中T 为音叉振动周期，⎰
2
d )(T t
t F 拍可以直接在示波器的荧光屏上计算
光拍波形数而得到，因为⎰
2
d )(T t
t F 拍表示T/2内的波的个数，不足一个完整波形
的首数及尾数，需要在波群的两端，按反正弦函数折算为波形的分数部分，即
360arcsin 360arcsin b
a +波形数＝整数波形数＋
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，分数波形数包括满1/2个波形为0.5,满1/4个波形为0.25）
四、实验仪器介绍
双光栅微弱振动测量仪面板结构如图5所示。
图5
1-光电池座，顶部有光电池盒，盒前方一小孔光阑；2-电源开光；3-光电池升降手轮；4-音叉座；5-音叉；6-粘于音叉上的光栅（动光栅）；7-静光栅架；8-半导体激光器；9-锁紧手轮；10-激光器输出功率调节；11-信号发生器输出功率调节；12-信号发生器频率调节；13-驱动音叉用耳机；14-频率显示；15-信号输出，Y1：拍频信号，Y2：音叉驱动信号，X ：为示波器提供“外触发”扫描信号，使得示波器显示的波形稳定。
其实验装置原理图如图6所示。
图6
本仪器技术指标：测量精度：m 5μ；分辨率：m 1μ；激光器：
λ；音叉：谐振频率500Hz左右。
635，
=
nm
3
~
mw
五、实验内容及步骤
将双踪示波器的CH1、CH2、“外触发”分别接到双光栅微弱振动测量仪的Y1、Y2和X输出上；
打开激光器电源开关，松开“静光栅”架的紧固螺钉，转动“静光栅”架（注意保护光栅），通过观察屏调节“静光栅”的衍射方向与音叉上的光栅衍射方向一致，紧固。
松开激光器顶部的紧锁手轮，小心调节激光器，使激光光束通过两个光栅，让某一级衍射光正好落入光电接收器的小孔中（最好让某一级衍射光束的部分光束进入光电接受器的小孔中，以免光强太强）。
调节音叉振动频率在谐振频率的附近。
打开示波器，按下AUTO键，适当减小扫描速率旋钮，配合调节激光器输出功率，这时应该能看到拍频波，如图7所示。
固定“功率”旋钮位置，在谐振频率的两边各取3个实验点以及谐振频率点共7个点，频率间隔约0.2~0.5 Hz，进行测量，频率调节后，要等待音叉振动稳定后才可以测量。
使用示波器的STOP键使图形静止，适当增大扫描速率旋钮，进行读数。
计算出对应频率时音叉的最大振幅，在坐标值上绘制出音叉的幅频曲线。
六、数据处理
七、误差分析
1、在实验中实验器材内部电路不稳定造成结果不准确；
2、记录实验数据不及时，导致实验数据与实际有出入；
3、处理实验图像时进行了估计，造成误差。
八、思考题
1、如何判断动光栅与静光栅的刻痕已经平行？
答：用平行光照射光栅，在光栅后面放一个屏幕，看经过光栅后出来的衍射光是否均匀。
2、作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号的功率？
答：因为同样的驱动频率，功率不同，音叉的振幅也不同。
所以要固定频率，不然就不确定是不是仅由频率引起的了。
3、本实验测量方法有何优点？测量微振动位移的灵敏度是多少？
答：该实验中，振动的幅度正比于波形的个数。
波形的个数一般在5-20个之间。
灵敏度等于635nm*1/4=160nm。
九、实验要求
1、设计出一个利用本仪器测量微小质量变化的实验；
答：在调节频率器让音叉谐振以后，改检变音叉的附着质量将会对示波器显示的拍频波的个数产生影响，即影响音叉的振幅大小。
也就是说，如果在音叉上附着不同质量的微小物体，可以通过音叉振幅的改变来判断微小物体质量的大小。
如果能使用计算机拟合出附着物体质量大小改变与音叉振幅改变的关系曲线，并由此得到它们之间的函数关系，则可以通过双光栅实现对一定质量范围内的任意微小物体的质量测量。
2、查阅“光栅尺”，也称莫尔条纹在工业中是如何进行微小量的测量和控制的；
答：光栅尺采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量,它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。
4、查阅利用测量固体金属的固有频率，如何计算出该金属的杨氏模量？
答：通过合适的外力冲击金属，给金属一个连续的脉冲波，当该连续脉冲波中某一频率的波与该金属本身的固有频率相一致时，振幅最大，延时最长，这个共振波通过测试探针或传感器的传递转换成电讯号送入计算机，由计算机分析处理获得材料的固有频率，用该频率值可计算出材料杨氏模量。
5、利用本实验仪器，还可以进行哪方面的研究？
答：可以用来测微小物体的质量。