双光栅微弱振动测量实验报告
双光栅测弱振动
光栅Talbot长度的测量
背景知识
Talbot效应又叫做衍射自成像效应，是指当一束单色平面 光或球面波照射到衍射器件(如光栅)时会在该衍射器件后 的一定距离处出现自身的像。 自1836年H．F．Talbot首次报道了这种周期性物体的衍射 自成像效应以来，对Talbot效应的研究和应用工作一直没 有间断。
体光栅
布拉格衍射
注意式中的布喇格角iB和偏转角φ都是 指介质内的角度，而我们测出的角度 是空气中的角度，应对公式进行换算, 声光器件n=2.386。
理论上布拉格衍射效率可达到100%
仪器介绍
声光器件：声光介质为钼酸铅 吸声材料：吸收通过介质传播到端面的超声波以 建立超声行波。
声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称 为声光器件的中心频率，记为fc。对于其它频率的超 声波，其衍射效率将降低。规定衍射效率（或衍射光 的相对光强）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/ 2 ） 时两频率间的间隔为声光器件栅，参阅双光栅测弱振动调出光滑的光拍。 旋转纵向移动调节手轮使静光栅尽最大可能与动光栅接近 （不可相碰，防止插伤光栅！），慢慢向外旋转纵向移动 调节手轮，增大Z，找出光电信号随之的变化规律。注意 在移动过程中，两次读数时，手轮只能向一个方向移动， 不可中途来回调整记数，避免螺旋空程带来的误差。
s
实验原理
当声光作用的距离满足L＞2λS2／λ， 而且光束相对于超声波波面以某一 角度斜入射时，在理想情况下除了0 级之外，只出现1级或者-1级衍射。 布拉格角满足
sin iB
因为布喇格角一 般都很小，故衍 射光相对于入射 光的偏转角φ为
2 nS
0
2iB
0 fs s nVs
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
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
2018-双光栅实验报告-优秀word范文 (18页)
（1）几何光路调整
小心取下“静光栅架”（不可擦伤光栅），微调半导体激光器的左右、调节手轮，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。 （2）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（不可相碰！），用一屏放于光电池架处，慢慢转动光栅架，务必仔细观察调节，使得二个光束尽可能重合。去掉观察屏，轻轻敲击音叉，在示波器上应看到拍频波。注意：如看不到拍频波，激光器的功率减小一些试试。在半导体激光器的电源进线处有一只电位器，转动电位器即可调节激光器的功率。过大的激光器功率照射在光电池上将使光电池“饱和”而无信号输出。 （3）音叉谐振调节
0110021??
由于光波的频率很高，探测器无法识别。最后探测器实际上只识别式（9）中第三项
?E01E10cos(?(t)?(?2??1)) （10）
光探测器能测得的“光拍”讯号的频率为拍频。
F拍=
其中n??
?dvA
??vAn? （11） 2?d
1
为光栅常数。 d
4．微弱振动位移量的检测
从式（11）可知，F拍与光频?0无关，且正比于光栅移动速度vA。如果将A光栅粘在音叉上，则vA是周期性变化，即光拍信号频率F拍也随时间变化。音叉振动时其振幅为
2?
?
vsin??t（4）
??(t)?2?
即
v
?t （5） d
?(t)??(t0)?
《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。
实验23双光栅测量微弱振动位移量
实验23双光栅测量微弱振动位移量随着光电子学和激光技术的不断发展，新的课题、新的实验技术不断涌现。
精密测量在自动化控制的领域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较好的精密性与准确性，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，光柵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，如医学上的超声波诊断仪，测量不同深度的海水层的流速和方向，卫星导航定位系统，音乐中乐器的调音等。
本实验将光栅衍射原理、多普勒频移原理以及“光拍”测量技术等多学科结合在一起，对移动光栅微弱振动进行测量。
【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，测量光拍拍频；2•应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅；3 .了解精确测量微弱振动位移的一种方法。
【预备问题】1 •什么是多普勒效应？什么是拍频？如何获得光拍频波？2 .本实验如何测量振动位移？3 •如何求出音叉振动振幅的大小？【实验仪器】双光栅微弱振动测量仪，示波器。
【实验原理】1 •相位光栅的多普勒频移在电磁波的传播过程中，由于光源和接收器之间存在相对运动而使接收器接收到的光的频率不同于光源发出的光的频率，这种现象称为多普勒效应，由此产生的频率变化称为多普勒频移。
理想的单色光在不同介质中的传播速度是不同的，在折射率为n的介质中，光传播的速度是真空中光速的1/门。
对于两束相同的单色光，如果初始时刻相位相同，其中一束光在真空中经过几何路程L ,另一束光在折射率为n的介质中经过几何路程为L = L/n ,则经过之后两束光的相位仍然相同；如果初始时刻相位相同，经过相同几何路程而不同折射率的介质，出相位光栅出射摺曲波阵面射时两光的相位则不相同。
图23-1出射摺曲波阵面2对于相位光栅而言，当激光平面波垂直入射到相位光栅时，质对光波的相位延迟作用不同， 使入射的平面波在出射时产生了一定的相位差， 平面波 阵面变成了摺曲波阵面，如图23-1所示。
双光栅测量微弱振动位移测量的应用论文
学生论文（2016届）题目双光栅微弱振动位移测量应用目录摘要 (3)1、课题背景 (4)2、原理及设计方案 (4)2.1位相光栅的多普勒位移 (4)2.2光拍的获得与检测 (5)2.3微弱振动位移量的检测 (7)2.4实验仪器 (7)3、操作及数据处理 (8)3.1连接 (8)3.2操作 (8)3.2.1几何光路调整 (8)3.2.2双光栅调整 (8)3.2.3音叉谐振调节 (8)3.3数据处理 (8)3.3.1数据记录 (8)3.3.2作出微小物体质量与T/2时间内完整波数的关系曲线。
(9)3.3.3由所得曲线确定位置微小物体的质量 (9)3.3.4百分误差的计算 (10)4、误差分析及改进措施 (10)4.1外界环境引起的误差 (10)4.2仪器精度不足引起的误差 (10)4.3系统误差 (10)4.4人为误差 (10)5、总结 (10)参考文献： (10)摘要双光栅微弱震动位移的测量是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。
双光栅微弱震动位移的测量也可以应用于力学实验中的音叉振动分析、微弱振幅测量和光拍研究等。
本论文主要利用小质量物体对光拍波数的影响，作出相应的关系曲线，再由未知小质量物体产生的光拍波数来反映和估计小质量物体的质量。
关键字：光栅、微弱震动、光拍1、课题背景1842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。
同年他在文章"On the Colored Light of Double Stars" 提出“多普勒效应”(Doppler Effect) 。
多普勒效应：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到的光波频率不同于光源发出的光波频率的现象。
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
【参考文档】双光栅实验报告-优秀word范文 (18页)
?波形数=整数波形数+波形分数+（13） 360360
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
数波形数若满1/2个波形为0.5，满1/4个波形为0.25，满3/4个波形为0.75。
s(t)?s(t0)?
d
??(t)??(t0)? （14） 2?
由图4-42-3可看到E1、E2的衍射角均为θ角，沿同一方向传播，则在传播方向上放置光探测器。探测器接2(?0t??(t)??1)?E012cos2(?0t??2)???????E01E10cos(?(t)?(?2??1))? （9）
??EEcos(2?t??(t)?(???))?
一点都能产生拍频波，所以光斑正中心对准光电池上的小孔时，并不一定都能产生好的波形，有时光斑的边缘即能产生好的波形，可以微调光电池架或激光器的X-Y微调手轮，改变一下光斑在光电池上的位置，看看波形有否改善。 （5）测出外力驱动音叉时的谐振曲线
dsin??k? （1）
式中d为光栅常数，?为衍射角，?为光波波长，k为衍射级数k=0,1,???
（2）若平面波入射平面光栅时，如图4-42-2所示，则光栅方程为：
d(sin??sini)?k? （2）
2. 光的多普勒频移
当光栅以速度v沿光的传播方向运动时，出射波阵面也以速度v沿同一方向移动，因而在不同时刻?t，它的位移量记作v?t。相应于光波位相发生变化??(t)?
实验内容:
1. 调整几何光路，调整双光栅，调节音叉振动，配合示波器，调出光拍频波。 2. 测量外力驱动音叉时的谐振曲线。
3. 改变音叉的有效质量，研究谐振曲线的变化趋势。
实验步骤:
1. 连接
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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。
结论：
本实验通过双光栅技术成功测量到了微弱振动的位移，并验证了该技术在微弱
振动测量中的可行性和准确性。
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、物理学和生物学等。
然而，双光栅技术也存在一些
限制，需要在实际应用中加以考虑和解决。
总结：
微弱振动的测量对于许多领域都具有重要意义，而双光栅技术作为一种有效的
测量方法，具有较高的精度和稳定性。
通过本次实验，我们深入了解了双光栅
技术的原理和应用，并通过实验结果验证了其可行性。
在今后的研究和应用中，我们可以进一步探索双光栅技术的优化方法，以提高其测量精度和适用范围。