光电测量系统设计

光电测量系统设计

----基于干涉方法测量压电陶瓷微小伸长量

指导老师：朱海东樊敏

姓名：陈权

学号：2013031053

班级：电科132班

时间：2016年11月7 日

摘要

本次实验为光电测量系统设计，从而测量压电陶瓷由于加热而产生的微小形变量，故需要掌握干涉和衍射的基本原理和产生条件，结合相关仪器软件完成对光电探测器的设计。首先是对通过杨氏双缝干涉，夫琅禾费衍射，PSD微小位移测量实验对理论知识的补充和了解，并对测量系统的搭建有一个大概的构思。然后在机房通过仿真软件ZMAX完成扩束准直系统的设计，ZW CAD绘制出探测器的光学结构（探头主体、底座、支杆等）；最后，进行了光纤端面处理和光纤传感综合实验。

关键词：光电测量系统；干涉；衍射；探测器；光纤实验

目录

论文总页数：11页1. 简介 (1)

1.1.实验目的及内容 (1)

2. 干涉及衍射原理 (1)

2.1.干涉 (1)

2.1.1. 干涉原理 (1)

2.1.2. 干涉条件 (2)

2.1.3. 实现光束干涉的基本方法 (2)

2.2.衍射 (2)

2.2.1. 衍射原理 (2)

2.2.2. 衍射分类 (2)

3. 干涉仪 (3)

4. 整体结构 (4)

5. 上机 (5)

5.1.ZMAX仿真设计 (5)

5.1.1. 单透镜 (5)

5.1.2. 双透镜 (5)

5.1.3. 扩束准直系统 (6)

5.2.探测器设计 (7)

6. 总结 (10)

6.1.实验结果及分析 (10)

6.2.问题分析 (11)

6.3.实验改进 (11)

结语 (11)

参考文献 (11)

1. 简介

1.1. 实验目的及内容

1、基于光的干涉、衍射原理，理解干涉、衍射测量法的原理及方法，了解各部分的作用并能综合运用；

2、了解探测器的设计原理及探测器的分类，综合应用所学的光学知识，利用干涉测量法测量压电陶瓷的微小伸长量；

3、通过相关实验仪器和软件的操作完成对光电探头的设计；

2. 干涉及衍射原理

2.1. 干涉

2.1.1. 干涉原理

只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区内形成稳定的强弱强度分布的现象。

例如，两列单色线偏振光

)cos(0111011?ω+?-=r k t E E )(cos 0222022?ω+?-=r k t E E

在空间p 点相遇，它们的振动方向间夹角为θ，则在p 点处得总光强为

?θcos cos 22121I I I I I ++=

12212I I I ++=

式中，1I ，2I 是二光束的光强，?是两光束的相位差，且有

t r k r k ω????+-+?-?=020122

21ωωω-=?

?θcos cos 2112I I I =

由此可见，两光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度和，而是多了一项交叉项12I ,它反映了这两束光的干涉效应，通常称为干涉项。干涉现象就是指这两束光在重叠区内形成的稳定的光强分布。所谓稳定，就是用肉眼或记录仪器能观察到或者记录到条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹

分布。显然，如果干涉项

I远小于两光束中较小一个，就不容易观察到干涉现

12

象，如果两光束的相位差随时间变化，是光强度条纹图样产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器不能分辨出条纹图样时，就观察不到干涉现象了。

2.1.2.干涉条件

（1）两束光的频率应当相同

（2）两束光在相遇处的振动方向应当相同

（3）两束光在相遇处应有固定不变的相位差

2.1.

3.实现光束干涉的基本方法

（1）分波面法：将一个波列的波面分成两部分或几部分，由这一部分发出的波再相遇时，必然会产生干涉现象。杨氏双缝干涉实验就是应用的这种原理。

（2）分振幅法：利用透明薄板的第一、二表面对入射光的依次反射，将入射光的振幅分解成若干部分，当这些部分的光波相遇时就产生干涉。这是一种很常见的获得相干光、产生干涉的方法。

2.2. 衍射

2.2.1.衍射原理

光波遇到障碍物以后或多或少的偏离几何光学传播定律的现象。光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔（窄缝），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环。

2.2.2.衍射分类

衍射现象一般分两类：菲涅尔衍射和夫琅和费衍射。其中夫琅和费衍射是指光源和观察者屏离开衍射物体都为无穷远时的衍射。但因为实际做不到无穷远，所以一般要求满足光源和观察屏离开衍射物体之间的距离S都远大于λ

/

2a就能观察到夫琅和费衍射现象。其中a为衍射物体的孔径，λ为光源的波长。

3.干涉仪

图 1

上图是迈克尔逊干涉仪的光路示意图。

图中M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中M2是固定的；

M1由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘(由粗读和细读2组刻度盘组合而成)读出。在两臂轴线相交处，有一与两轴成45°角的平行平面玻璃板G1，它的第二个平面上镀有半透（半反射）的银膜，以便将入G2也是平行平面玻璃板，与G1平行放置，厚度和折射率均与G1相同。由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越G1次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。从扩展光源S射来的光在G1处分成两部分，反射光⑴经G1反射后向着M1前进，透射光⑵透过G1向着M2前进，这两束光分别在M1、M2上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都达到E处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看到干涉条纹。

由M1反射回来的光波在分光板G1的第二面上反射时，如同平面镜反射一样，使M1在M2附近形成M1的虚像M2′，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M1和M2的反射相当于自M1和M2′的反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。当M1和M2′平行时(此时M1和M2严格互相垂直)，将观察到环形的等倾干涉条纹。一般情况下，M1和M2形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的等厚干涉条纹。

4. 整体结构

图 2

如原理图所示，He-Ne 激光器发出的激光经过聚焦、扩束、准直后得到一束平行光，平行光入射到半反镜上分成两束光，一束为参考光束，一束为测量光。两束光分别经过1M 与2M 回到G ，并在G 处发生干涉。其干涉条纹被聚光后被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜2M 的位置移动量的模拟信息载于脉冲信号中。全反射1M 固定，而全反射镜2M 与钢丝紧密接触，这样就可以根据2M 的移动量与被测钢丝长度增长量的线性关系可以测量钢丝的微小增长量。参考光束和和测量光束的光程不相等。当光程差?是波长λ的整数倍，即...)3,2,1,0(=±=?k k λ时，两束光波的相位相同，光强度最大，在3M 上出现亮条纹，光电接收器得到经聚光后的亮度信号；当光程差λ）（2/1+±=?k 时，两束光波的相位差为π，光强度为零，在3M 上出现暗条纹，光电接收器上无光信号入射，输出信号为零。这样，当可动反射镜2M 因为钢丝受热增长而移动时，在3M 上将出现亮暗交替的干涉条纹。其光强度的变化规律为)/2cos(λπ?+=I OV OV V K I I I ，式中，OV I 为平均光强度，I K 为干涉条纹的对比度。从上式可知，光程差每变化波长λ时，干涉条纹暗亮变化一次；干涉条纹变化n 次，则光程差λn =?。对于图1所示结构，光程差?是动镜2M 位移量L 的2倍。因此，被测位移量2/λn L =。

5.上机

5.1. ZMAX仿真设计

通过对单透镜，双透镜的光路仿真设计，学会对扩束准直系统的仿真设计。

5.1.1.单透镜

图3

图 4

5.1.2.双透镜

图5

图 6 5.1.3.扩束准直系统

图7

5.2. 探测器设计

图8 探头主体

图9 探头后盖

图10 玻璃窗口压片

图11 硅光压圈帽

图12 底座

图13 硅光螺旋柱

图14 锁紧螺纹

图15 外支柱

图16 小支杆

6.总结

6.1. 实验结果及分析

1.干涉/衍射实验

利用双缝干涉，单缝衍射验证了条纹间距公式的正确性，并了解干涉仪的工作原理及使用方法。

误差分析：测量工具（直尺）精度不够，读数有误；明暗条纹不够明显等。

3.PSD位移传感实验

验证了位移与电压的关系。

4.光纤端面处理

掌握了对光纤端口的处理方法：使用米勒钳、或者燃烧，氢氟酸溶液腐蚀等方式，剥离保护层，再将光纤表面处理平整；了解了判断其好坏的标准：利用显微镜观察光纤表面是否平整，端口（旋转一周）是否整齐。

6.2. 问题分析

1.干涉条纹间隔对测量的影响

由于条纹之间的偏差所表示的波面偏差为：△W=(h/H)(λ/n)式中，H是最适合条纹间隔，n是干涉仪的通道数。条纹之间的间隔变化H,会影响波面偏差。

2.激光干涉测量误差

1）系统误差：主要指受到激光干涉测量方法及测量系统元部件制造精度的限制。

2）环境误差：干涉仪工作过程中,环境的波动(空气温度、压力及相对湿度的变化)引起空气折射率的变化,由此导致的误差。

3）人为误差：人眼读数，记录数据错误，测量方法的错误等所造成的误差。

6.3. 实验改进

1.添加防震系统

若实验台有振动，则它将影响干涉图案，实验设计应设计防震系统。

2.减弱对流

空气的流动，细小的微风也会对条纹产生影响，使干涉图案出现飘移或颤动。

3.抑制反射镜的移动

绝大部分发生在反射镜可移动范围的两端。

结语

通过次光电测量系统设计，对干涉及衍射的原理和产生条件有了更深刻的了解，对整个测量系统的搭建，还有途中遇到的问题都有大概的解决方案。在机房对仿真软件ZMAX和ZW CAD制图软件都有一定的学习和运用。最后在实践操作中学习了对光纤的处理，丰富了自己的知识面。在这几周的设计中，虽然遇到一些困难，团队的，个人的，都想办法去解决，而不是束手待毙，这是一次很好的收获。

参考文献

[1] 羡一民，双频激光干涉仪的原理与应用[J]，《工具技术》，1996年04期

[2]周炳琨高以智编著《激光原理》.国防工业出版社.2004

[3]李林编著《应用光学》.北京理工大学出版社.2010

[4]郭培源付扬编著《光电检测技术与应用》北京航空航天大学出版社.2006

[5] 百度文库