双光栅测微弱震动
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。
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。
《双光栅测弱振动》课件
具有高灵敏度、高分辨率和低噪 声等特点，能够检测微弱的振动 信号。
原理及应用
原理
基于光的干涉和衍射原理，通过测量双光栅相对位移的变化来检测振动。
应用
广泛应用于物理、工程、生物医学等领域，如地震监测、机械故障诊断、生物 医学成像等。
优势与局限性
优势
高灵敏度、高分辨率、低噪声、抗干 扰能力强等。
展望
展望了双光栅测弱振动未来的发展方向和应用前景，包括提高测量精度、拓展应用领域等。
05
双光栅测弱振动应用实例
微弱振动测量
微弱振动是指振幅非常小的振动 ，通常在机械、航空、航天、医 学等领域中具有重要的应用价值
。
双光栅测弱振动技术可以高精度 地测量微弱振动，为相关领域的 研究和应用提供可靠的测量手段
。
例如，在机械设备的故障诊断中 ，通过测量和分析微弱振动信号 ，可以及时发现设备潜在的故障
隐患，预防设备损坏。
生物医学应用
在生物医学领域，双光栅测弱振动技术可以用于研究生物组织的振动特性和生理功 能。
通过测量生物组织的微弱振动，可以深入了解生物组织的生理机制和病理变化，为 医学诊断和治疗提供新的手段。
《双光栅测弱振动》ppt课件
目录
• 双光栅测弱振动概述 • 双光栅测弱振动系统组成 • 双光栅测弱振动实验方法 • 双光栅测弱振动实验结果与讨论 • 双光栅测弱振动应用实例 • 双光栅测弱振动研究前沿与展望
01
双光栅测弱振动概述
定义与特点
定义
双光栅测弱振动是一种利用双光 栅传感器检测微小振动的技术。
实验原理
双光栅测弱振动的基本原理是通过激光干涉和光电转换技 术，将微弱的振动信号转换为电信号，再通过信号放大器 和计算机进行数据处理和分析。
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。
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。
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
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。
光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床固定部件上，光栅读数头在机床活动部件上，指示光栅在光栅读数头中。图2所示的就是光栅尺的结构。
图2光栅尺结构图
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” (如图3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。
当信号发生器的频率不等于待测试样的固有频率时，试样不发生共振，示波器上没有电信号，或波形幅度很小。当信号发生器的频率等于试样的固有频率时，试样发生共振，这时示波器上电信号波形幅度最大，此时信号发生器输出的信号频率，就是试样在该温度下的共振频率，代入公式（2），即可求出该温度下圆形棒试样的杨氏模量。
五、本实验装置的其他应用
位相光栅用位相材料（只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料）制成的光栅，是光波通过光栅后,振幅无变化,但位相有周期性的改变,从而改变光栅衍射的光学器件。
七、激光多普勒测速原理与本实验原理的相似点
激光多普勒测速是根据多普勒效应，当光照射运动着的流体时，激光被跟随流体运动的粒子所散射，散射光的频率发生变化，与入射光的频率之差称为多普勒拍频，检测拍频即可求得流速。本实验是利用了光的多普勒频移形成光拍从而精确测量微弱振动。两者在原理上利用多普勒效应是相似的，通过检测拍频得到所求量。
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。
双光栅测弱振动课件
广泛应用于结构健康监测、地震工程 、航空航天、精密仪器等领域。
前景
随着科技的发展和应用的拓展，双光 栅测弱振动技术在未来将有更广泛的 应用前景和市场需求。
02
双光栅测弱振动系统组成
光源与光路系统
光源
选择稳定、高相干性的激光光源，如He-Ne激光器，以确保干涉信号的稳定性 和可靠性。
光路设计
双光栅测弱振动课件
$number {01}
目录
• 双光栅测弱振动技术概述 • 双光栅测弱振动系统组成 • 双光栅测弱振动实验方法 • 双光栅测弱振动实验案例 • 双光栅测弱振动技术挑战与展望
01
双光栅测弱振动技术概述
定义与原理
定义
双光栅测弱振动技术是一种基于 光学干涉原理的高灵敏度振动测 量方法。
实验三：生物细胞活动的测量
总结词：非侵入性
详细描述：双光栅测弱振动技术可以在不干扰细胞自然活动的情况下，测量生物细胞的微小振动。通 过测量细胞的运动速度和方向，可以研究细胞的生理功能和行为模式。
实验四：微纳米位移的测量
总结词：高灵敏度
详细描述：双光栅测弱振动技术具有高灵敏度，可以用于测 量微纳米级别的位移变化。通过测量微小位移的变化，可以 研究材料和结构的力学特性和稳定性。
VS
展望
未来，随着技术的不断完善和应用领域的 拓展，双光栅测弱振动技术有望在更多领 域发挥重要作用，为科学研究和技术创新 提供有力支持。
THANKS
03
双光栅测弱振动实验方法
实验准备与设备搭建
1 2
3
实验原理
了解双光栅测弱振动的基本原理，包括光的干涉、衍射以及 振动测量等。
实验设备
熟悉实验所需的双光栅、激光器、光电探测器、信号放大器 等设备，了解其功能和操作方法。
实验35 双光栅微弱振动测量
姓名
实验班号
实验号
实验三十五双光栅微弱振动测量
实验目的：
实验原理及仪器介绍：
1.如何计算波形数？
2.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。
3.简述光拍的获得原理（不画图、不导公式）。
实验内容及步骤：
1.如果光束都已重合，在示波器上还看不见拍频波，应调节什么？
2.怎样找共振点？
3.简述测量外力驱动音叉时的谐振曲线的过程。
4.改变功率对位移振幅有何影响？
5.怎样改变功率？在示波器上怎样读取功率？
6.实验中怎样看1T和T记录所用测量仪器的仪器误差：
2.列出数据记录表格：
教师签字：
月日
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。
双光栅测量微弱振动
•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 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&频率计：(1~999.9)±0.1Hz
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】
实验4.1 双光栅测量微弱振动位移量
❖实验简介 ❖实验目的 ❖实验原理 ❖实验仪器
❖实验内容 ❖注意事项 ❖数据处理
实验简介
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 等领域得到广泛的应用。
实验目的
•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
v
ω0+ωd
ω0（光束1）
ω0+ωd（光束2）
ω0－ωd
ω0
ω0
ω0+ωd
ω0－ωd B
A
ω0
ω0－ωd
图4-1-4 k级衍射光波的多普勒频移
图4-1-5频差较小的二列光波迭加形成“拍”
实验原理 3．微弱振动位移量的检测A1 20 T/2v(t)dt1 20 T/2F n拍 21 n0 T/2F 拍
移动的光栅相对于静止的光栅，
v
+2级 （ω0+2ωd）
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。
- 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
πλπsin 22)(vt s t =
∆∙=
∆Φ （2）
带入（2）
t
n t d v
n d
n vt t d ωπλ
λπ
===
∆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：
mw 3~0nm 635，=λ；音叉：谐振频率500Hz 左右。
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。