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1、实验一 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
2、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，
3、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：d sin 0 = k 尢k = 0,1,2,(1)式中，整数k为主极大级数，d为 光栅常数，0为衍射角，九为光波波 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。这个位移量相应于出射光波位相的变化量为AQ (t)A (t)=孚 As =孚vtsin0 将(1)代入
4、(2)得：2兀k九vA (t) = vt = k2兀 t = k t (3) 九dd=2兀-d(2)式中d若激光从一静止的光栅出射时 程为E 二 E cos t00而激光从相应移动光栅出射时光波电矢量方图 2 衍射光线在方向上的位移量光波电矢量方程则为E = E cos t + Ap(t) = E cos + k )t(4)0000d显然可见，移动的位相光栅的 k 级衍射光 波，相对于静止的位相光栅有一个： = + ka 0d的多普勒频移，如图3所示2、光拍的获得与检测+/ lerei t wg + 刪/-J Wf-wrf图 3 移动光栅的多普勒频率光频率很高为了要从光频 中检测出 多普勒频移
5、量，必须采用“拍”的方法。即要把已频移的和未频移的光束互相平行迭加，以形 成光拍。由于拍频较低，容易测得，故 通过拍频即可检测出多普勒频移量。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 栅后所形成的衍射光，即为两种以上光 束的平行迭加。其形成的第k级衍射光 波的多普勒频移如图4所示。光栅A按速度v移动起频移作用， 而光栅B静止不动只起衍射作用，故通 过双光栅后出射的衍射光包含了两种以 上不同频率而又平行的光束，由于双光 栅紧贴，激光束具有一定宽度故该光束 能平行迭加，这样直接而又简单地形成 了光拍。如图 5 所示。激光经过双光栅所形
6、成的衍射光叠加成光拍信号。光拍信号进入光电检测器后，其输出光 电流可由下述关系求得：光束 1： E = E cos( t + 9 )1 10 0 1光束 2： E = E cos( + )t +9 (取k = 1 )2 20 0 d 2光电流：I g (E + E ) 212= gE 2cos2( t + 9 ) + E 2cos2( + )t + 9 10 0 1 20 0 d 2+ E E cos( + ro co )t +(9 9 )10 20 0 d 0 2 1+ E E cos(ro +ro +ro )t+(9 +9 )(6)10 20 0 d d 2 1其中g为光电转换常数因光波频
7、率甚高，在式(6)第一、二、四项中，光电检测器无法反应，式(6)第三项即为拍频信号，因0为频率较低，光电检测器能作出相应的响应。其光电流为=gE E cos(ro +ro ro )t+(9 9 )= gE E cosro t+(9 9 )10 20 0 d 0 2 1 10 20 d 2 1拍频 F 即为：F = = f = v n(7)拍2兀d a 91其中 化=- 为光栅密度，本实验9d图 5 频差较小的二列光波叠加形成“拍”n91 d =100 条/ mm3、微弱振动位移量的检测从式(7)可知，F与光频率无关，且当光栅密度n9为常数时，只正比于光栅移动速度拍09v，如果把光栅粘在音叉上，
8、则v是周期性变化的。所以光拍信号频率F也是随时间而变化AA拍的，微弱振动的位移振幅为：=2肚稣=廿F(t )dt90n9式中T为音叉振动周期。了F(t)dt拍 0n图 6 示波器显示拍频波形以，只要测得拍频波的波数，就可得表示T 2时间内的拍频波的个数。所到微弱振动的位移振幅。波形数由完整波形数、波的首数、波的尾数三部分组成，根据示波器上显示计算。波形的分数部份为不足一个完整波形的首数及尾数，需在波群的两端，可按反正弦函数折算为波形的分数部份，即波形数=整数波形数+波的首数和尾数中满12或14或34个波形分数部份+sin；i+sinb 360。360。式中，a , b为波群的首、尾幅度和该处完
9、整波形的振幅之比。波群指T2内的波形，分数波形数若满12个波形为0.5，满14个波形为0.25，满3 4个波形为0.75。例题：如图7,在T 2内，整数波形数为4,尾数分数部分已满14 波形，b = h / H =0.6/1=0.6所以波形数=4 + 0.25 + Sin 06 = 4.25 += 4.25 + 0.10 = 4.35图8 双光栅微弱振动测量仪面板结构360。360。【实验装置】图7计算波形数实验仪器：激光源、信号发生器、频率计（上述仪器已集成在测量仪箱内）激光器：九=635 nm， 0 3mw信号发生器：100Hz 1000Hz，0.1Hz微调，0500mw输出频率计：(1H
10、z 999.9Hz) 土 0.1Hz音叉谐振频率：500Hz左右双光栅微弱振动测量仪面板结构见图 8。1-光电池座（在顶部有光电池盒，盒前有一小 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 窗口 15-三个输出信号插口（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，可使示波器上的波形稳定。）实验内容】1. 预习示波器的应用
11、，熟悉双踪示波器的使用方法。2. 将示波器的Yl、Y2、X外触发输入端接至双光栅微弱振动测量仪的Yl、Y2、X的输出 插座上，开启各自的电源。3. 几何光路调整。小心取下“静光栅架”， （不可擦伤光栅）稍稍松开激光器顶部的锁紧手轮，用手小心地上 下左右搬动激光器，让光束从安装静止光栅架的孔中心通过。调节光电池架手轮，让某一级衍 射光正好落入光电池前的小孔内。锁紧激光器。4 双光栅调整。小心地装上“静光栅架”，静光栅尽可能与动光栅接近，注意不可让它们相碰！用一白纸作 为观察屏，放于光电池架前观察光斑，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
12、合调节激光器输出功率，应看到很漂亮的 拍频波。5. 音叉谐振调节。 先将“功率”旋钮置于67点钟附近，调节“频率”旋钮，（500 Hz 附近），使音叉谐振。调节时用手轻轻地按音叉顶部，找出调节方向。如音叉谐振太强烈，将“功率”旋钮向小钟点 方向转动，使在示波器上看到的T 2内光拍的波数为15个左右。记录此时音叉振动频率、屏上 完整波的个数、不足一个完整波形的首数及尾数值以及对应该处完整波形的振幅值。调节功率时，拍频波形会变化，功率、频率同时慢慢调。拍频稳定有个时间过程。6. 测出外力驱动音叉时的谐振曲线。 固定“功率”旋钮位置，在音叉谐振点附近，小心调节“频率”旋钮，测出音叉的振动频率与对应的信号振幅大小，记录下数据。7. 保持信号输出功率不变，逐一将橡皮泥粘在音叉上改变音叉的有效质量，调节“频率” 旋钮，研究谐振曲线的变化趋势。【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 在坐标纸上画出音叉的频率振幅曲线；4 作出音叉不同有效质量时的谐振曲线，定性讨论其变化趋势。【思考题】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?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?
