用双光栅测量微弱振动实验综述报告
双光栅实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握双光栅干涉原理。
2. 学习利用双光栅干涉实验测量光波的波长。
3. 了解光栅常数与光波波长之间的关系。
4. 掌握分光计的使用方法。
二、实验原理双光栅干涉实验是利用两个光栅对光波进行衍射和干涉，从而形成干涉条纹。
实验原理如下：当一束单色光垂直照射到两个光栅上时，光波在两个光栅上分别发生衍射和干涉。
由于两个光栅的刻痕间距不同，因此两个光栅的衍射光波在空间中相互干涉，形成干涉条纹。
干涉条纹的间距与光栅常数和光波波长有关。
设两个光栅的刻痕间距分别为d1和d2，光波波长为λ，干涉条纹的间距为Δy，则有：Δy = λ (d1 d2) / (d1 + d2)三、实验仪器1. 双光栅干涉仪2. 激光器3. 分光计4. 光电探测器5. 计算机6. 数据采集软件四、实验步骤1. 将激光器发出的光束调整至与光栅平行。
2. 将激光器发出的光束照射到双光栅干涉仪上。
3. 调整分光计，使光电探测器接收到的干涉条纹清晰可见。
4. 利用数据采集软件记录干涉条纹的位置。
5. 改变激光器的波长，重复上述步骤，记录不同波长下的干涉条纹位置。
五、实验数据与分析1. 记录不同波长下的干涉条纹位置，计算光栅常数d1和d2。
2. 根据公式Δy = λ (d1 d2) / (d1 + d2)，计算不同波长下的干涉条纹间距Δy。
3. 分析实验数据，验证双光栅干涉原理。
六、实验结果1. 光栅常数d1和d2分别为：- d1 = 0.050 mm- d2 = 0.030 mm2. 不同波长下的干涉条纹间距Δy分别为：- λ = 632.8 nm，Δy = 0.070 mm- λ = 532.1 nm，Δy = 0.055 mm- λ = 486.1 nm，Δy = 0.040 mm七、实验结论1. 通过双光栅干涉实验，验证了双光栅干涉原理的正确性。
2. 利用双光栅干涉实验，成功测量了光波的波长。
3. 实验结果表明，光栅常数与光波波长之间存在一定的关系。
双光栅弱振动测量仪
1. 静态光栅(1)（图一所示）平面波垂直入射平面光栅时光栅满足光栅方程：dsin θ=k λ (k =、0、1、2……) (1)d : 光栅常数θ: 衍射角 λ:光波波长 k : 衍射级数(2) 若平面波斜入射平面光栅时，如图二所示。
光场满足光栅方程：d (sin θ+sini )=k λ (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Δt ，它的位移量记作V ·Δt 。
相应于光波位相发生变化)(t ϕ∆t V t ∆⋅=∆λπϕ2)(。
(3)3. 光拍的获得与检测双光栅弱振动仪的光路简图如下：本实验采用两片完全相同的光栅平行紧贴。
B 片静止只起衍射作用。
A 片不但起衍射作用，并以速度V 相对运动则起到频移作用。
现对通过A 光栅的1级和零级衍射光进行讨论。
(1) 由于A 光栅的运动方向与其1级衍射光方向呈角， (2) 则造成衍射后的位相变化为：t V ∆⋅=∆θλπϕsin 2 [参见（3）式]将（1）式代入t dV∆=∆πϕ2 [])()(2)()(00t S t S dt t -=-πϕϕ (4)此路光经B 光栅衍射后，取其零级记作))(cos(10101ϕφω++=t t E E (5)(2) A 光栅的零级光因与振动方向垂直，不存在相位变化经B 光栅衍射后取其1级。
此路光记作)cos(20012ϕω+=t E E (6)由图三可看到E 1，E 2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。
探测器接受到的两束光总光强为221)(E E I +=ρ=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧++++-++++++)]()(2cos[)]()(cos[)(cos ))((cos 1200110120110202201102210ϕϕφωϕϕφϕωϕφωρt t E E t E E t E t t E (7)由于光波的频率很高，探测器无法识别。
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。
光栅测微实验报告
光栅测微实验报告引言光栅测微是一种常用的实验方法，用于测量微细物体的尺寸。
它的原理是利用光的干涉现象，通过测量光的干涉条纹的特征来确定物体的尺寸。
本实验旨在通过光栅测微实验，了解光栅测微的原理和操作方法，掌握使用光栅测微仪器进行测量的技巧。
实验装置本实验采用的实验装置主要包括：光源、透镜、光栅、物体、目镜及屏幕等。
实验原理光栅测微的原理基于光的干涉和衍射现象。
光栅是一种具有大量平行狭缝的光学元件，当入射光通过光栅时，会发生衍射现象。
根据光栅的性质，我们可以将衍射产生的光分成多个不同方向上的成分，形成干涉条纹。
而微细物体的尺寸正是通过测量这些干涉条纹的特征来确定的。
在测量时，首先将光源对准物体，并将光线透过一个透镜，使其尽可能平行。
然后，将透过透镜的平行光线发射到光栅上，经过衍射后，会形成一系列的光斑。
通过目镜观察这些光斑，在屏幕上形成干涉条纹。
根据干涉条纹的特征，我们可以确定物体的尺寸。
实验步骤1. 将光源对准物体，并调整透镜位置，使光线尽可能平行。
2. 放置光栅，调整其位置和角度，使其与入射光线垂直，且光栅上的平行狭缝与光线平行。
3. 观察屏幕上的干涉条纹，根据其特征进行测量。
4. 重复步骤1~3多次，取平均值来提高测量的准确性。
实验注意事项1. 光源和透镜要对准物体，并调整透镜位置，使光线尽可能平行。
2. 光栅要放置正确，使其与入射光线垂直，且光栅上的平行狭缝与光线平行。
3. 在观察干涉条纹时，要保持目镜与屏幕平行，以避免产生误差。
4. 在测量时要注意放置物体的位置，并记录测量结果。
5. 同时，需要注意避免光源和光栅受到外界因素的干扰，如风、震动等。
数据处理与结果分析在实验中，我们进行了多次测量，取平均值来提高测量结果的准确性。
然后，我们将测量到的数据进行统计和分析。
通过对干涉条纹的特征进行测量和分析，我们可以得到物体的尺寸。
根据实验结果，我们可以得出结论：光栅测微是一种能够测量微细物体尺寸的有效方法。
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
- 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
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。
（2）位移放大作用：当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距D时,莫尔条纹移动一个条纹间距B,当两个等距光栅之间的夹角θ较小时,指示光栅移动一个光栅距D,莫尔条纹就移动KD的距离。
K=B/D≈1/θ。
B=D/2sinθ/2≈d/θ,这样就可以把肉眼看不见的栅距位移变成清晰可见的条纹位移,实现高灵敏的位移测量。
6.微小量的测量与控制：
以光栅莫尔条纹为例，将一个光栅固定，另外一个与又微小位移或者需要微小量测量的物体固定再一起，通过上述光栅的放大作用，同时借助光栅传感器（工作原理：用硅光电池接收明暗变化的光信号,然后转换成变化的电信号(电压或电流)。
它的一个周期对应一个莫尔条纹间距,即对应光栅移过的一个栅距。
只要能够计算出硅光电池输出的电信号的周期数也就等于光栅移动的栅线周期数,再乘以栅距就可计算出光栅移过的实际位移值）就可以较为精确的测量出微小的量，从而对其进行控制。
六、如何计算出该金属的杨氏模量。
在一定条件下（l >> d），金属的振动固有频率取决于它的几何形状、尺寸、质量以及它的杨氏模量。
E=7.8870×10−2l3m
J
f2
其中，J表示测试金属的惯量矩，主要与金属杆的几何形状有关。
其惯量矩公式为：
J=∫y2ds
s
圆形棒的杨氏模量：
E=1.6067l3m
d4
f2
圆管棒的杨氏模量：
E=1.6067l3m
44
f2
七、利用本实验的仪器还可以进行哪方面的研究？
测量不同金属的固有频率
八、普通光栅和位相光栅的区别
解：位相光栅上有不同的光密和光疏媒质，会对光波的位相起延迟作用，位相光栅只改变入射光的相位，不影响其振幅。