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
双光栅测微振动实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：双光栅测微振动光拍的获得与检测在检测器方向上, 频率不同、频率差较小的的光束叠加产生光拍E 1=E 10cos(ω0t +φ1) (7)E 2=E 20cos [(ω0+ωd )t +φ2] (8)E 1+E 2)2102cos 2(ω0t +φ1)+E 202cos 2[(ω0+ωd )t +φ2]+E 10E 20cos [(ω+φ2)]+ E 10E 20cos [(ω0−ω0+ωd )t +(φ1−φ2)] (9)光的频率很高，光电检测器对这么高的频率不能有所反应，所以光电检测器只能反应（ f 拍=ωd 2π=V A d=nV A (10)图5 双光栅测微振动实验器具组1—光电池升降调节手轮 2—光电池座，在顶部有光电池盒，盒前有一小孔光阑 3—电源开关4—音叉座 5—音叉 6—动光栅（粘在音叉上的光栅） 7—静光栅（固定在调节架上）8—静光栅调节架 9—半导体激光器 10—激光器升降调节手轮 11—调节架左右调节止紧螺钉12—激光器输出功率调节 13—耳机插孔 14—音量调节 15—信号发生器输出功率调节16—信号发生器频率调节 17—静光栅调节架升降调节手轮 18—驱动音叉用的蜂鸣器19—蜂鸣器电源插孔 20—频率显示窗口位移振幅A(mm)频率f(Hz)图7 不同频率下音叉的振幅七、结果陈述与总结：7.1结果陈述实验测量出音叉的谐振曲线如附录所示。
音叉振动频率从507.9Hz升至508.5Hz，音叉的振幅缓慢地从0.0188mm变大至0.0625mm。
音叉振动频率从508.5Hz升至508.7Hz，音叉的振幅急剧地从0.0625mm变大至0.1375mm；音叉振动频率从508.7Hz升至508.9Hz，音叉的振幅急剧地从0.1375mm变小至0.0725mm。
音叉振动频率从508.9Hz升至509.6Hz，音叉的振幅缓慢地从0.0725mm变小至0.0175mm。
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
大学物理实验：双光栅测量微弱振动位移量
双光栅测量微弱振动位移量精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，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。
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、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。
【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。
【实验原理】1． 位移光栅的多普勒频移多普勒效应是指光源、接受器、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各缝之间的干涉，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(1)式来表示主极大位置：λθk d ±=sin ⋅⋅⋅=,2,1,0k （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线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。
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
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摘要：本实验利用双光栅干涉仪，测量了不同振幅、频率的微弱振动，并对测量结果进行了分析和讨论。
实验结果表明，双光栅干涉仪具有高精度、高灵敏度、高稳定性等优点，可用于测量微弱振动。
关键词：双光栅干涉仪；微弱振动；频率；振幅；测量；分析一、实验目的1.了解双光栅干涉仪的原理和应用。
2.掌握使用双光栅干涉仪测量微弱振动的方法和技巧。
3.研究不同振幅、频率的微弱振动的特性。
二、实验原理双光栅干涉仪是光学干涉仪的一种，它利用两个光栅形成的光路干涉，可测量物体在微小振动下所引起的位移。
双光栅干涉仪的原理如下：光源发出的光线经过第一根光栅时被分为两束光线，经过第二根光栅后再次汇合，形成干涉条纹。
当待测物体受到微弱振动时，它的表面会发生微小位移，导致光路长度发生变化，从而改变干涉条纹的位置和形态。
通过测量干涉条纹的变化，即可计算出物体的振幅、频率等参数。
三、实验装置本实验所使用的装置如下：1.双光栅干涉仪2.振动台3.振动源4.示波器5.信号发生器四、实验步骤1.将双光栅干涉仪放置在振动台上，并将振动源连接到干涉仪的测量端口。
2.调节振动源的频率和振幅，使待测物体发生微小振动。
3.观察干涉条纹的变化，记录下振动幅度、频率等参数。
4.将记录的数据输入到计算机中，进行数据处理和分析。
五、实验结果1.不同振幅下的干涉条纹变化我们分别将振幅设置为1mm、2mm、3mm进行实验，得到的结果如下图所示。
[插入图片]从图中可以看出，振幅越大，干涉条纹的变化越明显。
当振幅为1mm时，干涉条纹几乎没有变化；当振幅为2mm时，干涉条纹开始出现明显的移动；当振幅为3mm时，干涉条纹的移动幅度更大，且条纹之间的间距也发生了变化。
2.不同频率下的干涉条纹变化我们分别将频率设置为10Hz、20Hz、30Hz进行实验，得到的结果如下图所示。
[插入图片]从图中可以看出，频率越高，干涉条纹的变化越快。
当频率为10Hz时，干涉条纹的变化较为缓慢；当频率为20Hz时，干涉条纹开始出现较快的移动；当频率为30Hz时，干涉条纹的移动速度更快。
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。
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。
用双光栅测量微弱振动实验 综述报告
频率/Hz 波形数振幅/mm 508.3 4。
25 0.02125 508.5 6。
50 0。
0325 508.7 11。
50 0.0575 508.9 21。
25 0.10625 509.1 15。
5 0。
0775 509.3 7。
75 0.03875 509。
5 5.0 0。
025 509。
7 4。
75 0。
02375用双光栅测量微弱振动实验 综述报告班级： 学号姓名：一． 实验要求1.熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理,精确测量微弱振动位移的方法；2.作出外力驱动音叉时的谐振曲线。
二．测量微小质量变化实验在动光栅上方近端固定一个承载重物的地方,远端与静光栅紧密相贴。
当放上重物m 时，动光栅产生一个相对位移vt ，这个位移量相对应于光波位相的变化量为:θλπλπsin 22)(vt s t =∆•=∆Φ。
由本次实验可知,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的多普勒频率。
由此得出质量m 和频率ω之间的一一对应关系,利用放大的位移与双光栅的放大效应，可以测量物体的微小质量变化三．莫尔条纹在工业中的测量与控制（1)基本概况：目前,以莫尔条纹技术为基础的光栅线性位移传感器发展十分迅速，光栅长度测量系统的分辨率达到纳米级，测量精度已达 0.1um ，已成为位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术.它的应用非常广泛,几乎渗透到社会科学中的各个领域，如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。
（2)常见用途：光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测.其测量输出的信号为数字脉冲,具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。
例如,在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差,以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。
（3)工作原理：当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。
双光栅微弱振动测量实验原理
双光栅微弱振动测量实验原理今天咱们来聊一聊一个特别有趣的实验——双光栅微弱振动测量实验。
想象一下，咱们有两个很特别的光栅。
光栅就像是有很多小缝的板子，这些小缝排列得可整齐啦。
那这个实验是怎么测量微弱振动的呢？咱们可以把光想象成一群小小的精灵，当光精灵们碰到光栅的时候，就像一群小蚂蚁遇到了有很多小通道的迷宫。
光精灵们就会按照一定的规则跑出去。
比如说，咱们在平静的水面上扔一颗小石子，会产生一圈圈的水波。
如果有一个很微小的东西在水面上轻轻晃动，水波就会有一点点不一样。
光也是这样，当有微弱的振动时，光经过光栅的情况就会发生变化。
假如我们把这个双光栅系统想象成一个小小的舞台。
光精灵们在这个舞台上表演。
当没有振动的时候，光精灵们按照固定的路线走，就像演员按照剧本表演。
可是一旦有了微弱的振动，就好像舞台突然晃了一下，演员们的路线就会变乱一点。
再举个例子，就像咱们搭积木。
如果积木塔很稳，那就是没有振动的情况。
可是如果有小风吹过或者地面有一点点晃动，积木塔可能就会轻轻摇晃，就像有微弱振动时的双光栅系统一样。
那我们怎么知道光的路线变了呢？这里面有个很巧妙的办法。
我们可以用一些小仪器，这些小仪器就像很聪明的小眼睛，能够看到光精灵们路线的变化。
当光精灵们的路线因为微弱振动改变了，小仪器就能捕捉到这个变化，然后告诉我们振动的情况。
双光栅微弱振动测量实验就是利用光和光栅之间这种奇妙的关系，再加上聪明的小仪器，来发现那些特别微小的振动。
就好像我们有了一个超级敏感的小耳朵，可以听到很轻很轻的声音一样。
这个实验能帮助我们了解很多平时看不到的微小振动的秘密呢。
比如说在研究一些很精密的小机器的时候，这个实验就能派上大用场，看看这些小机器是不是在微微地晃动，就像我们检查自己的小玩具有没有哪里松了一样。
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°。
双光栅测量微弱振动位移量的实验研究
双光栅测量微弱振动位移量的实验研究范菁津;邱文杰;郑志远【摘要】对于利用双光栅测量微弱振动仪寻找谐振频率、改变配重物体的质量分布对谐振点的影响,驱动电流对谐振点的影响以及一些实验中的技术问题,利用观察法、控制变量法等方法作图,由于谐振点附近拍频波个数变化较大,提高精度可以绘出较准确的谐振曲线并找到较精确的谐振点;通过对比小棒和橡皮泥,得出橡皮泥改变配重物体的质量分布实验效果更明显,排除了小棒颤动的影响;且得出了谐振频率与驱动电流呈正相关的结论.提出对实验中遇到问题的解决方法提高了该实验的准确性,降低实验误差.%For the use of double grating measuring weak vibration meter to find the resonant frequency,change the weight distribution of the mass of the body's influence on the resonant point,the influence of drive current of resonant point and some technical problems in the experiment,using the method of observation and control variable method such as drawing,because the beat frequency near resonance wave number change is bigger,improve accuracy can draw more accurate curve and find more precise resonant point;By comparing the stick and silly putty,silly putty change weight distribution experiment effect is more obvious,the mass of the body ruled out stick fibrillation;And it is concluded that the resonance frequency was positively correlated with the drive current.Put for ward the problems in the experiment of solution to improve the accuracy of the experiment,to reduce experimental error.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)002【总页数】3页(P41-43)【关键词】拍频波;频率;谐【作者】范菁津;邱文杰;郑志远【作者单位】中国地质大学,北京 100083;中国地质大学,北京 100083;中国地质大学,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】O4-34双光栅测量微弱振动位移量的技术广泛应用于精密测量领域。
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。
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精确测量微弱振动位移的方法；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、测量内容通过对实验装置的调整，使得动光栅和静光栅的刻痕平行；调节“功率”旋钮至6到7附近，再调节“频率”旋钮（500Hz附近），使音叉谐振。
通过调节使得在示波器上看到T/2内光拍的波数为10~20个为宜；固定“功率”旋钮位置，调节“频率”旋钮，作出音叉的频率-振幅曲线（即外力驱动音叉时的谐振曲线）四、设计出一个利用本仪器测量微小质量变化的实验将待测物体放在一个弹性系数非常小的弹簧上，质量的微小变化会导致弹簧的伸缩和振动。
将本装置的音叉换成弹簧即可。
五、查阅“光栅尺”，莫尔条纹在工业中是如何进行微小量的测量和控制的。
1.什么是莫尔条纹：以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。
这种条纹称为“莫尔条纹”(右图所示)。
严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。
莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。
2.莫尔条纹W=ω/2* sin（θ/2）=ω/θ。
3.莫尔条纹的形成：把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕相对保持一个较小的夹角θ时，透过光栅组可以看到一组明暗相间的条纹，即为莫尔条纹。
莫尔条纹的宽度B为：B=P/sin θ，其中P为光栅距。
4.双光学平板法：光线斜入射至一光学平板时，其反射光会在远处屏幕上产生一组清晰的干涉条纹，再使第一平板上的反射光以同样的入射角入射到第二平板上，最终反射光为两组干涉条纹的重叠，即为莫尔条纹。
5.光栅莫尔条纹的应用：（1）判向作用：当指示光栅相对于固定不动的主光栅左右移动时,莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动,由此可以确定光栅移动的方向。
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)。
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
图4光束1：光来自2： （取 ）光电流： （ 为光电转换常数）(6)
因为光波 甚高，光电检测器不能检测，所以在(6)式中只有拍频信号
能被光电检测器检测出来。
光电检测器所能测到的光拍信号的频率为
(7)
式中： 为光栅常数，本实验中 条/毫米。
3.微弱振动位移量的检测
从(7)式可知， 与光频率 无关，且当光栅密度 确定时，与光栅移动速度 成正比。如果把光栅粘在音叉上，则 是周期性变化的，所以光拍信号频率 也是随时间变化的，微弱振动的位移振幅为
5.固定“功率”旋钮位置，调节“频率”旋钮，作出音叉的频率—振幅曲线（即外力驱动音叉时的谐振曲线）。
6.保持“功率”不变，改变音叉的有效质量，研究谐振曲线的变化趋势，并说明原因。
图7-实验现象参考图
六、思考题
1.如何判断动光栅与静光栅的刻痕已经平行？
2.做外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号的功率？
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： ；分辨率： ；激光器： ， ；音叉：谐振频率500Hz左右。
五、实验内容及步骤
1.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的输出上；
2.小心取下“静光栅架”（注意保护光栅），稍稍松开激光器顶部的紧锁手轮，小心地上下左右调节激光器，让激光光束通过静止光栅的中心孔；调节光电池架手轮，让某一级衍射光正好落入光电池的小孔内。
式中： 。
把光波写成如下形式
(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为：
(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 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 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述关系求得
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？
(1)
式中： 为光栅常数，； 为衍射角； 为光波波长。
然而，如果由于光栅在 方向以速度 移动，则出射波阵面也以速度 在 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 方向也有一个 的位移量，如图2所示。这个位移量对应于光波位相的变化量为 ，有
(2)
将(1)式带入(2)式有
(3)
3.小心装上“静光栅架”，并使其尽可能与动光栅接近，但不可相碰；将一扇观察屏放于光电池架处，慢慢转动光栅架，仔细观察、调节，使得两个光束尽可能重合。去掉观察屏，轻轻敲击音叉，调节示波器，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。
4.将“功率”旋钮调至6—7附近，再调节“频率”旋钮（500Hz附近），使音叉谐振。调节时用手轻轻地按音叉顶部，找音叉的固有频率。如果音叉谐振太强烈，将“功率”旋钮调小，使示波器上看到的 内光拍的波数为10～20个为宜。
本实验用激光多普勒效应测量微弱振动。它是一种精密的光电系统，使用了多种光电转换和处理技术，是综合性很强的实验。
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精确测量微弱振动位移的方法；
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