双光栅测量微弱振动位移量.ppt

龚龚 平平一、开篇设问一、开篇设问1.1.1.1.预备问题预备问题预备问题预备问题（1 1 1 1）什么是多普勒效应？）什么是多普勒效应？）什么是多普勒效应？）什么是多普勒效应？（2 2 2 2）什么是拍？）什么是拍？）什么是拍？）什么是拍？（3 3 3 3）本实验如何测量振动位移？）本实验如何测量振动位移？）本实验如何测量振动位移？）本实验如何测量振动位移？（4 4 4 4）实验室中提供的仪器分别有何作用？）实验室中提供的仪器分别有何作用？）实验室中提供的仪器分别有何作用？）实验室中提供的仪器分别有何作用？（6 6 6 6）如何求出音叉振动振幅的大小？）如何求出音叉振动振幅的大小？）如何求出音叉振动振幅的大小？）如何求出音叉振动振幅的大小？（5 5 5 5）如何获得光拍频波？）如何获得光拍频波？）如何获得光拍频波？）如何获得光拍频波？一、开篇设问一、开篇设问2.2.2.2.容易出错的问题容易出错的问题容易出错的问题容易出错的问题（1 1 1 1）无法形成光拍，设备、光路、频率各方面无法形成光拍，设备、光路、频率各方面无法形成光拍，设备、光路、频率各方面无法形成光拍，设备、光路、频率各方面可能存在的原因分别是什么？可能存在的原因分别是什么？可能存在的原因分别是什么？可能存在的原因分别是什么？（2 2 2 2）为什么测量的是音叉振动一半周期内的光为什么测量的是音叉振动一半周期内的光为什么测量的是音叉振动一半周期内的光为什么测量的是音叉振动一半周期内的光拍波数？拍波数？拍波数？拍波数？（3 3 3 3）如何处理不足一个完整的拍波形？如何处理不足一个完整的拍波形？如何处理不足一个完整的拍波形？如何处理不足一个完整的拍波形？（4 4 4 4）实验处理的哪个数据是）实验处理的哪个数据是）实验处理的哪个数据是）实验处理的哪个数据是微弱振动的位移？微弱振动的位移？微弱振动的位移？微弱振动的位移？一、开篇设问一、开篇设问3.3.3.3.课后思考问题课后思考问题课后思考问题课后思考问题（1 1 1 1）如何判断动光栅和静光栅的刻痕已平行？如何判断动光栅和静光栅的刻痕已平行？如何判断动光栅和静光栅的刻痕已平行？如何判断动光栅和静光栅的刻痕已平行？（2 2 2 2）测外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固测外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固测外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固测外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号功率？定信号功率？定信号功率？定信号功率？（3 3 3 3）测量微弱振动位移的灵敏度是多少？测量微弱振动位移的灵敏度是多少？测量微弱振动位移的灵敏度是多少？测量微弱振动位移的灵敏度是多少？（4 4 4 4）本实验有何优点？）本实验有何优点？）本实验有何优点？）本实验有何优点？二、背景介绍二、背景介绍 克里斯琴克里斯琴克里斯琴克里斯琴 约翰约翰约翰约翰 多普勒多普勒多普勒多普勒 (Doppler,Christian Johann)(Doppler,Christian Johann)奥地利物理学家及数学家。奥地利物理学家及数学家。奥地利物理学家及数学家。奥地利物理学家及数学家。18031803年年年年1111月月月月2929日出生于奥地利的萨尔茨堡日出生于奥地利的萨尔茨堡日出生于奥地利的萨尔茨堡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，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。远时汽笛声变弱，音调变低。同年他在文章同年他在文章同年他在文章同年他在文章 On the Colored Light of On the Colored Light of Double Stars Double Stars 提出提出提出提出“多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应”(Doppler Effect)(Doppler Effect)。二、背景介绍二、背景介绍 多普勒效应：多普勒效应：多普勒效应：多普勒效应：在电磁波的传播过程中，由在电磁波的传播过程中，由在电磁波的传播过程中，由在电磁波的传播过程中，由于光源和接收器之间相对运动使得接收器收于光源和接收器之间相对运动使得接收器收于光源和接收器之间相对运动使得接收器收于光源和接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到的光波频率不同于光源发出的光波频率的到的光波频率不同于光源发出的光波频率的到的光波频率不同于光源发出的光波频率的现象。现象。现象。现象。由此产生的频率变化称为由此产生的频率变化称为由此产生的频率变化称为由此产生的频率变化称为多普勒频移多普勒频移多普勒频移多普勒频移。多普勒频移多普勒频移多普勒频移多普勒频移有着广泛应用，如医学上的有着广泛应用，如医学上的有着广泛应用，如医学上的有着广泛应用，如医学上的超声诊断仪，测量海水各层深度的海流速度超声诊断仪，测量海水各层深度的海流速度超声诊断仪，测量海水各层深度的海流速度超声诊断仪，测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。调音等。调音等。调音等。二、背景介绍二、背景介绍 拍：拍：拍：拍：根据根据根据根据振动迭加原理，两列速度相同、振动迭加原理，两列速度相同、振动迭加原理，两列速度相同、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振动面相同、频差较小而同方向传播的简谐波振动面相同、频差较小而同方向传播的简谐波振动面相同、频差较小而同方向传播的简谐波的迭加即形成拍的迭加即形成拍的迭加即形成拍的迭加即形成拍。由于光的频率很高，所以无法通过光电探测由于光的频率很高，所以无法通过光电探测由于光的频率很高，所以无法通过光电探测由于光的频率很高，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，其器观察到。即使是目前最好的光电探测器，其器观察到。即使是目前最好的光电探测器，其器观察到。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。响应时间也远大于光波的周期。响应时间也远大于光波的周期。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而拍频较低，故可让两个频率相差不大的光而拍频较低，故可让两个频率相差不大的光而拍频较低，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。波叠加产生拍，从而达到可以观测的目的。波叠加产生拍，从而达到可以观测的目的。波叠加产生拍，从而达到可以观测的目的。二、背景介绍二、背景介绍 本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位移进行测量。移进行测量。移进行测量。移进行测量。作为一种把机械位移信号转化为光电信号作为一种把机械位移信号转化为光电信号作为一种把机械位移信号转化为光电信号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的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的的手段，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、应力数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力数字化测量、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。分析等领域得到了广泛的应用。分析等领域得到了广泛的应用。分析等领域得到了广泛的应用。三、实验原理三、实验原理1.1.位移光栅的多普勒频移位移光栅的多普勒频移位移光栅的多普勒频移位移光栅的多普勒频移 当激光平面波垂直入射当激光平面波垂直入射当激光平面波垂直入射当激光平面波垂直入射到位相光栅时，由于位相光到位相光栅时，由于位相光到位相光栅时，由于位相光到位相光栅时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质栅上不同的光密和光疏媒质栅上不同的光密和光疏媒质栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，部分对光波的位相延迟作用，部分对光波的位相延迟作用，部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时使入射的平面波变成出射时使入射的平面波变成出射时使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面。的摺曲波阵面。的摺曲波阵面。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，可以用光栅方在远场，可以用光栅方在远场，可以用光栅方在远场，可以用光栅方程表示程表示程表示程表示 三、实验原理三、实验原理 如果光如果光栅栅在在y方向以速度方向以速度v移移动动着，着，则则出射波出射波阵阵面也以速度面也以速度v在在y方向移方向移动动。从而，在不同。从而，在不同时时刻，刻，对应对应于同一于同一级级的衍射光的衍射光线线，它的，它的波波阵阵面上出面上出发发点，在点，在y方向也有方向也有一个一个的位移量。的位移量。这个位移量相对于出射光波位相的变化量是：这个位移量相对于出射光波位相的变化量是：其中，其中，三、实验原理三、实验原理光波从静止光栅出射时，光波从静止光栅出射时，光波从位移光栅出射时，光波从位移光栅出射时，可见，移动位相光栅的可见，移动位相光栅的k级衍射光波，相对于静级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个多普勒频移：止的位相光栅有一个多普勒频移：三、实验原理三、实验原理2.2.光拍的获得与测量光拍的获得与测量光拍的获得与测量光拍的获得与测量 两片完全相同的光两片完全相同的光栅栅平行平行紧贴紧贴，其中一片，其中一片B静止不静止不动动只起衍射作用；另一片只起衍射作用；另一片A相相对对B移动，移动，既起衍射作用，也起频移作用。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。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，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。所以两光束能平行迭加，形成光拍。形成光拍的方法：形成光拍的方法：三、实验原理三、实验原理光拍信号进入光电探测光拍信号进入光电探测器，光电探测器能检测器，光电探测器能检测到的光拍信号的频率为到的光拍信号的频率为拍频拍频：光栅密度光栅密度 三、实验原理三、实验原理3.微弱振动振幅的检测微弱振动振幅的检测实验时实验时把光把光栅栅粘在音叉上，粘在音叉上，则则音叉振幅音叉振幅为为：音叉振动的半个周期内拍频波的个数 波形数波形数=整数波形数整数波形数+波的首数和尾数波的首数和尾数+中中满满1/2或或1/4或或 3/4个波形分数个波形分数例：例：例：例：如图所示，在如图所示，在T/2内，整数波形数为内，整数波形数为4，首，首数部分已满数部分已满1/4波形，波形，b=h/H=0.6/1=0.6 三、实验原理三、实验原理Hh1234波形数波形数=4+0.25+=4.25+0.10 =4.35 四、实验仪器四、实验仪器1.实验仪器、元器件、附件的详细介绍实验仪器、元器件、附件的详细介绍2.实验仪器的调节和使用实验仪器的调节和使用3.注意事项注意事项 五、实验内容五、实验内容1.基本实验内容和实验程序基本实验内容和实验程序2.实验数据的处理实验数据的处理六、设计案例六、设计案例1.1.陈水波陈水波“双光栅测速双光栅测速”发表在发表在大学物理大学物理大学物理大学物理 vol01 vol01 200820082.2.黄黄黄黄壮雄、潘永华、宋伟、壮雄、潘永华、宋伟、周进周进“激光双光栅激光双光栅法测微小位移中光拍信号波形改进法测微小位移中光拍信号波形改进”发表在发表在大学物理大学物理大学物理大学物理 vol04 2004vol04 20043.3.凌志弘、李新章凌志弘、李新章“双光栅精密定位双光栅精密定位”发表在发表在大学物理大学物理大学物理大学物理 vol05 1992vol05 1992七、进展及应用七、进展及应用“非对称双光栅位移测量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作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段的手段,光栅式位移测量技术在长度与角度的数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。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条纹倍增的思想,人们称这种思想在平面直线人们称这种思想在平面直线位移测量中的应用为位移测量中的应用为非对称双光栅位移测量非对称双光栅位移测量。八、相关文献八、相关文献3.Post D.Moire fringe multiplication with a nonsymmetrical doubly blazed reference grating.Applied Optics,1971 10(4).1.大学物理实验，熊永红等主编，科学出版社，2007年第一版2.谢建平等，双光栅测量微小位移，中国科学技术大学学报，vol15 1986