光電測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于干涉方法測(cè)量壓電陶瓷微小伸長量

1、顱器傳顯工丑大學(xué)Chengdu University iJ Inlnrrnatioji Technnlogy光電測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)-基于干涉方法測(cè)量壓電陶瓷微小伸長量指導(dǎo)老師：朱海東樊敏姓 名：陳權(quán)學(xué)號(hào)：2013031053班 級(jí) ：電科132班時(shí)間：2016年11月7日摘要本次實(shí)驗(yàn)為光電測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而測(cè)量壓電陶瓷由于加熱而產(chǎn)生的微小 形變量，故需要掌握干涉和衍射的基本原理和產(chǎn)生條件，結(jié)合相關(guān)儀器軟件完 成對(duì)光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)。首先是對(duì)通過楊氏雙縫干涉，夫瑯禾費(fèi)衍射， PSD 微 小位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)的補(bǔ)充和了解，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的搭建有一個(gè)大概的 構(gòu)思。然后在機(jī)房通過仿真軟件 ZMAX完成擴(kuò)束準(zhǔn)

2、直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，ZW CADfe制 出探測(cè)器的光學(xué)結(jié)構(gòu)（探頭主體、底座、支桿等） ；最后，進(jìn)行了光纖端面處理 和光纖傳感綜合實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞 ：光電測(cè)量系統(tǒng)；干涉；衍射；探測(cè)器；光纖實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浾撐目傢摂?shù)： 11 頁1.簡介 . . 11.1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容 . 12.干涉及衍射原理 . . 12.1.干涉 . 12.1.1.干涉原理 . . 12.1.2.干涉條件 . . 22.1.3.實(shí)現(xiàn)光束干涉的基本方法 . . 22.2.衍射 . 22.2.1.衍射原理 . . 22.2.2.衍射分類 . . 23.干涉儀 . . 34.整體結(jié)構(gòu) . . 45.上機(jī) . . 55.1.ZMAX仿真設(shè)計(jì) . 55

3、.1.1.單透鏡 . 55.1.2.雙透鏡 . 55.1.3.擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng) . 65.2.探測(cè)器設(shè)計(jì) . 76.總結(jié) . 106.1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 . 106.2.問題分析 . 116.3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn) . 11結(jié) 語. 11參考文獻(xiàn) . 11第1頁共11頁1.簡介1.1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容1、基于光的干涉、衍射原理，理解干涉、衍射測(cè)量法的原理及方法，了解 各部分的作用并能綜合運(yùn)用；2 了解探測(cè)器的設(shè)計(jì)原理及探測(cè)器的分類，綜合應(yīng)用所學(xué)的光學(xué)知識(shí)，利 用干涉測(cè)量法測(cè)量壓電陶瓷的微小伸長量；3、通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器和軟件的操作完成對(duì)光電探頭的設(shè)計(jì)；2.干涉及衍射原理2.1.干涉2.1.1.干涉原理只有兩列光

4、波的頻率相同，相位差恒定，振動(dòng)方向一致的相干光源，才能 產(chǎn)生光的干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不 可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。光的干涉是指兩束或多束光在空間相遇時(shí)，在重疊區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱強(qiáng) 度分布的現(xiàn)象。例如，兩列單色線偏振光巳=E01 cos(吐匕 r 01)E2 二 Eo2cos( st -k2 r I)在空間p點(diǎn)相遇，它們的振動(dòng)方向間夾角為 二，則在p點(diǎn)處得總光強(qiáng)為I *12 2 l2 coscos1 I2 2I12式中，I1，I2是二光束的光強(qiáng)，是兩光束的相位差，且有：=k2 r k2 r 01 Qtl12 = hl2 COS OS由此可見

5、，兩光束疊加后的總強(qiáng)度并不等于這兩列波的強(qiáng)度和，而是多了 一項(xiàng)交叉項(xiàng)IQ它反映了這兩束光的干涉效應(yīng)，通常稱為干涉項(xiàng)。干涉現(xiàn)象就 第2頁共11頁是指這兩束光在重疊區(qū)內(nèi)形成的穩(wěn)定的光強(qiáng)分布。所謂穩(wěn)定，就是用肉眼或記 錄儀器能觀察到或者記錄到條紋分布，即在一定時(shí)間內(nèi)存在著相對(duì)穩(wěn)定的條紋 分布。顯然，如果干涉項(xiàng)I12遠(yuǎn)小于兩光束中較小一個(gè)，就不容易觀察到干涉現(xiàn) 象，如果兩光束的相位差隨時(shí)間變化，是光強(qiáng)度條紋圖樣產(chǎn)生移動(dòng)，且當(dāng)條紋 移動(dòng)的速度快到肉眼或記錄儀器不能分辨出條紋圖樣時(shí)，就觀察不到干涉現(xiàn)象 了。2.1.2.干涉條件（1）兩束光的頻率應(yīng)當(dāng)相同（2）兩束光在相遇處的振動(dòng)方向應(yīng)當(dāng)相同（3）兩束光在相

6、遇處應(yīng)有固定不變的相位差2.1.3.實(shí)現(xiàn)光束干涉的基本方法（1）分波面法：將一個(gè)波列的波面分成兩部分或幾部分，由這一部分發(fā)出 的波再相遇時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就是應(yīng)用的這種原理。（2）分振幅法：禾U用透明薄板的第一、二表面對(duì)入射光的依次反射，將入 射光的振幅分解成若干部分，當(dāng)這些部分的光波相遇時(shí)就產(chǎn)生干涉。這是一種 很常見的獲得相干光、產(chǎn)生干涉的方法。2.2.衍射2.2.1.衍射原理光波遇到障礙物以后或多或少的偏離幾何光學(xué)傳播定律的現(xiàn)象。光在傳播 路徑中，遇到不透明或透明的障礙物或者小孔（窄縫），繞過障礙物，產(chǎn)生偏離 直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。衍射時(shí)產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)。2

7、.2.2.衍射分類衍射現(xiàn)象一般分兩類：菲涅爾衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。其中夫瑯和費(fèi)衍射是 指光源和觀察者屏離開衍射物體都為無窮遠(yuǎn)時(shí)的衍射。但因?yàn)閷?shí)際做不到無窮 遠(yuǎn)，所以一般要求滿足光源和觀察屏離開衍射物體之間的距離S都遠(yuǎn)大于2 a就能觀察到夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象。其中a為衍射物體的孔徑，為光源的波長。第3頁共11頁3.干涉儀圖i上圖是邁克爾遜干涉儀的光路示意圖。圖中M1和M2是在相互垂直的兩臂上放置的兩個(gè)平面反射鏡， 其中M2是固 定的；M1由精密絲桿控制，可沿臂軸前、后移動(dòng)，移動(dòng)的距離由刻度轉(zhuǎn)盤（由粗讀和細(xì)讀2組刻度盤組合而成）讀出。在兩臂軸線相交處，有一與兩軸成 45 角的平行平面玻璃板G1,它的第二

8、個(gè)平面上鍍有半透（半反射）的銀膜，以便 將入G2也是平行平面玻璃板，與G1平行放置，厚度和折射率均與G1相同。由 于它補(bǔ)償了光線和因穿越 G1次數(shù)不同而產(chǎn)生的光程差，故稱為補(bǔ)償板。從 擴(kuò)展光源S射來的光在G1處分成兩部分，反射光經(jīng) G1反射后向著M1前進(jìn)， 透射光透過G1向著M2前進(jìn)，這兩束光分別在M1 M2上反射后逆著各自的入 射方向返回，最后都達(dá)到 E處。因?yàn)檫@兩束光是相干光，因而在 E處的觀察者 就能夠看到干涉條紋。由M1反射回來的光波在分光板 G1的第二面上反射時(shí)，如同平面鏡反射一 樣，使M1在M2附近形成M1的虛像M2，因而光在邁克爾遜干涉儀中自 M1和 M2的反射相當(dāng)于自M1和M2

9、的反射。由此可見，在邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生 的干涉與空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉是等效的。當(dāng) M1和M2平行時(shí)（此時(shí)M1和M2 嚴(yán)格互相垂直），將觀察到環(huán)形的等傾干涉條紋。一般情況下，M1和M2形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的等厚干涉條紋。第4頁共11頁4.整體結(jié)構(gòu)如原理圖所示，He-Ne激光器發(fā)出的激光經(jīng)過聚焦、擴(kuò)束、準(zhǔn)直后得到一束平行光，平行光入射到半反鏡上分成兩束光，一束為參考光束，一束為測(cè)量光。兩束光分別經(jīng)過 M1與M2回到G，并在G處發(fā)生干涉。其干涉條紋被聚光后被光電器件接收，形成脈沖信號(hào)。反射鏡M2的位置移動(dòng)量的模擬信息載于脈沖信號(hào)中。全反射Mi固定，而全反射鏡M2與鋼絲緊密接觸，這

10、樣就可以根據(jù)M2的移動(dòng)量與被測(cè)鋼絲長度增長量的線性關(guān)系可以測(cè)量鋼絲的微小增長量。參考光束和和測(cè)量光束的光程不相等。當(dāng)光程差厶是波長的整數(shù)倍，即幾（k =0,1,2,3.）時(shí)，兩束光波的相位相同，光強(qiáng)度最大，在M3上出現(xiàn)亮條紋，光電接收器得到經(jīng)聚光后的亮度信號(hào)；當(dāng)光程差厶二（k 1/2）時(shí)，兩束光波的相位差為二，光強(qiáng)度為零，在 M3上出現(xiàn)暗條紋，光電接收器上無光信號(hào)入射，輸出信號(hào)為零。這樣，當(dāng)可動(dòng)反射鏡 M2因?yàn)殇摻z受熱增長而移動(dòng)時(shí)，在M3上將出現(xiàn)亮暗交替的干涉條紋。其光強(qiáng)度的變化規(guī)律為lv =IOV TOVKI cos（2當(dāng)/），式中，IOV為平均光強(qiáng)度，KI 為干涉條紋的對(duì)比度。從上式可知，

11、光程差每變化波長時(shí)，干涉條紋暗亮變化一次；干涉條紋變化n次，則光程差厶二n，。對(duì)于圖1所示結(jié)構(gòu)，光程差厶是動(dòng)鏡M2位移量L的 2倍。因此，被測(cè)位移量 L =n /2。圖5第5頁共11頁5.上機(jī)5.1. ZMAX仿真設(shè)計(jì)通過對(duì)單透鏡，雙透鏡的光路仿真設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)對(duì)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。5.1.1.單透鏡5.1.2.雙透鏡H c: 仕 I H iW TJW*HrfLvitnhtk,D*ii*twU-PLnUiMlitIKE 4 iwmw4；Fir 9j；MN!wH!*i( (auJE.sndjkEdEuEsjuiyZnfxuE-TOf 1XLE.Jttg 1Y-I0*D4血;imnVtWrr14扌

12、歸沖4 4刪2*IcjndAEd-Sl：4 I31I-L4V!lC*. M41MVEH14.14MM1 IV-lHteKIiiui.t714.84$G4Q$ MM#.oaJc ardAEEitb3U.T3f11.B-1I44JO.QS4MtaTIBB QP IJWP測(cè)I圖7第6頁共11頁5.1.3.擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)E *破匚JAJFE. W HE J少 1軒 4 Kaki irv/&wl Wu - -HKKULU5 h4d CL51T3jEPIUpadaflUj 4Sf2w9M|Si FJWmH pflWiaaXStincrlXTi ABaEocnZiriE CAT 鼻 UHrn*a.4M RRJ

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14、49LiaC4 :ttfli *：:-a.MTai-Mr?a wfia X. 34444!斜 1: RUE w. FriUftiJSrninyMSf !M&ihiMAP H齬礙!怒is |wI：2：FY歸丄匸i :s*gH( (nrariassiKn *B5tXTi底圖7第7頁共11頁圖9探頭后蓋第8頁共11頁52 探測(cè)器設(shè)計(jì)探頭主體丄I n u 口 44,5圖8探頭主體探頭后蓋圖9探頭后蓋第9頁共11頁第10頁共11頁M22x0.75016圖io玻璃窗口壓片99屆【I石白c瓦“門圖11硅光壓圈帽第11頁共11頁第12頁共11頁圖14鎖緊螺紋第13頁共11頁307/丿/ 7i寸/A；/ /fJ

15、一血4一 17一圖15外支柱圖16小支桿6.總結(jié)6.1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1干涉/衍射實(shí)驗(yàn)利用雙縫干涉，單縫衍射驗(yàn)證了條紋間距公式的正確性，并了解干涉儀的 工作原理及使用方法。誤差分析：測(cè)量工具（直尺）精度不夠，讀數(shù)有誤；明暗條紋不夠明顯等。 3.PSD位移傳感實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了位移與電壓的關(guān)系。4光纖端面處理掌握了對(duì)光纖端口的處理方法：使用米勒鉗、或者燃燒，氫氟酸溶液腐蝕 等方式，剝離保護(hù)層，再將光纖表面處理平整；了解了判斷其好壞的標(biāo)準(zhǔn)：利 用顯微鏡觀察光纖表面是否平整，端口（旋轉(zhuǎn)一周）是否整齊。第 14 頁 共 11 頁6.2.問題分析1.干涉條紋間隔對(duì)測(cè)量的影響由于條紋之間的偏差所表示的波面偏差為：

16、W=（h/H）（入/n）式中，H是最適合條紋間隔，n是干涉儀的通道數(shù)。條紋之間的間隔變化H,會(huì)影響波面偏差。2.激光干涉測(cè)量誤差1） 系統(tǒng)誤差：主要指受到激光干涉測(cè)量方法及測(cè)量系統(tǒng)元部件制造精度的 限制。2） 環(huán)境誤差：干涉儀工作過程中 ,環(huán)境的波動(dòng) （空氣溫度、壓力及相對(duì)濕度 的變化）引起空氣折射率的變化 ,由此導(dǎo)致的誤差。3） 人為誤差： 人眼讀數(shù)， 記錄數(shù)據(jù)錯(cuò)誤， 測(cè)量方法的錯(cuò)誤等所造成的誤差。6.3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1.添加防震系統(tǒng) 若實(shí)驗(yàn)臺(tái)有振動(dòng)，則它將影響干涉圖案，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)計(jì)防震系統(tǒng)。2.減弱對(duì)流 空氣的流動(dòng)，細(xì)小的微風(fēng)也會(huì)對(duì)條紋產(chǎn)生影響，使干涉圖案出現(xiàn)飄移或顫 動(dòng)。3.抑制反射鏡的移

17、動(dòng) 絕大部分發(fā)生在反射鏡可移動(dòng)范圍的兩端。通過次光電測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)干涉及衍射的原理和產(chǎn)生條件有了更深刻的 了解，對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的搭建，還有途中遇到的問題都有大概的解決方案。在 機(jī)房對(duì)仿真軟件ZMAXH ZW CAD制圖軟件都有一定的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。最后在實(shí)踐 操作中學(xué)習(xí)了對(duì)光纖的處理，豐富了自己的知識(shí)面。在這幾周的設(shè)計(jì)中，雖然 遇到一些困難，團(tuán)隊(duì)的，個(gè)人的，都想辦法去解決，而不是束手待斃，這是一 次很好的收獲。參考文獻(xiàn)1羨一民，雙頻激光干涉儀的原理與應(yīng)用 J ，工具技術(shù) ， 1996年 04 期2周炳琨 高以智 編著激光原理 . 國防工業(yè)出版社 .20043李林 編著應(yīng)用光學(xué) . 北京理工大學(xué)出

18、版社 .20104郭培源 付揚(yáng) 編著 光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社 .20065百度文庫 目 錄2第 15 頁 共 11 頁第一章 總 論 .錯(cuò)誤！未定義書簽1.1 項(xiàng)目概況 .錯(cuò)誤！未定義書簽1.4 建議 .錯(cuò)誤！未定義書簽2.1 項(xiàng)目建設(shè)的背景 .錯(cuò)誤！未定義書簽第四章 項(xiàng)目選址與建設(shè)條件 .錯(cuò)誤！未定義書簽4.1 選址原則錯(cuò)誤！未定義書簽4.2 項(xiàng)目選址 .錯(cuò)誤！未定義書簽4.3 建設(shè)條件 .錯(cuò)誤！未定義書簽第五章 建設(shè)方案與設(shè)計(jì) .錯(cuò)誤！未定義書簽5.1建設(shè)規(guī)模與內(nèi)容5.2總體規(guī)劃設(shè)計(jì) .5.3結(jié)構(gòu)方案 .5.4主要配套設(shè)備 .錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。. 18. 191.2研究依據(jù)及范圍 .1.3結(jié)論 .第二章 項(xiàng)目建設(shè)的背景和必要性 .2.2項(xiàng)目