光電測量系統(tǒng)設(shè)計基于干涉方法測量壓電陶瓷微小伸長量

1、顱器傳顯工丑大學Chengdu University iJ Inlnrrnatioji Technnlogy光電測量系統(tǒng)設(shè)計-基于干涉方法測量壓電陶瓷微小伸長量指導老師：朱海東樊敏姓 名：陳權(quán)學號：2013031053班 級 ：電科132班時間：2016年11月7日摘要本次實驗為光電測量系統(tǒng)設(shè)計，從而測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 成對光電探測器的設(shè)計。首先是對通過楊氏雙縫干涉，夫瑯禾費衍射， PSD 微 小位移測量實驗對理論知識的補充和了解，并對測量系統(tǒng)的搭建有一個大概的 構(gòu)思。然后在機房通過仿真軟件 ZMAX完成擴束準

2、直系統(tǒng)的設(shè)計，ZW CADfe制 出探測器的光學結(jié)構(gòu)（探頭主體、底座、支桿等） ；最后，進行了光纖端面處理 和光纖傳感綜合實驗。關(guān)鍵詞 ：光電測量系統(tǒng)；干涉；衍射；探測器；光纖實驗目錄論文總頁數(shù)： 11 頁1.簡介 . . 11.1.實驗目的及內(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 . . 55.1.ZMAX仿真設(shè)計 . 55

3、.1.1.單透鏡 . 55.1.2.雙透鏡 . 55.1.3.擴束準直系統(tǒng) . 65.2.探測器設(shè)計 . 76.總結(jié) . 106.1.實驗結(jié)果及分析 . 106.2.問題分析 . 116.3.實驗改進 . 11結(jié) 語. 11參考文獻 . 11第1頁共11頁1.簡介1.1.實驗目的及內(nèi)容1、基于光的干涉、衍射原理，理解干涉、衍射測量法的原理及方法，了解 各部分的作用并能綜合運用；2 了解探測器的設(shè)計原理及探測器的分類，綜合應用所學的光學知識，利 用干涉測量法測量壓電陶瓷的微小伸長量；3、通過相關(guān)實驗儀器和軟件的操作完成對光電探頭的設(shè)計；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，振動方向一致的相干光源，才能 產(chǎn)生光的干涉。由兩個普通獨立光源發(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，在重疊區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的強弱強 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點相遇，它們的振動方向間夾角為 二，則在p點處得總光強為I *12 2 l2 coscos1 I2 2I12式中，I1，I2是二光束的光強，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度并不等于這兩列波的強度和，而是多了 一項交叉項IQ它反映了這兩束光的干涉效應，通常稱為干涉項。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，即在一定時間內(nèi)存在著相對穩(wěn)定的條紋 分布。顯然，如果干涉項I12遠小于兩光束中較小一個，就不容易觀察到干涉現(xiàn) 象，如果兩光束的相位差隨時間變化，是光強度條紋圖樣產(chǎn)生移動，且當條紋 移動的速度快到肉眼或記錄儀器不能分辨出條紋圖樣時，就觀察不到干涉現(xiàn)象 了。2.1.2.干涉條件（1）兩束光的頻率應當相同（2）兩束光在相遇處的振動方向應當相同（3）兩束光在相

6、遇處應有固定不變的相位差2.1.3.實現(xiàn)光束干涉的基本方法（1）分波面法：將一個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，必然會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。楊氏雙縫干涉實驗就是應用的這種原理。（2）分振幅法：禾U用透明薄板的第一、二表面對入射光的依次反射，將入 射光的振幅分解成若干部分，當這些部分的光波相遇時就產(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衍射。其中夫瑯和費衍射是 指光源和觀察者屏離開衍射物體都為無窮遠時的衍射。但因為實際做不到無窮 遠，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都遠大于2 a就能觀察到夫瑯和費衍射現(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，移動的距離由刻度轉(zhuǎn)盤（由粗讀和細讀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，故稱為補償板。從 擴展光源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， 透射光透過G1向著M2前進，這兩束光分別在M1 M2上反射后逆著各自的入 射方向返回，最后都達到 E處。因為這兩束光是相干光，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，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 M1和M2平行時（此時M1和M2 嚴格互相垂直），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、擴束、準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。反射鏡M2的位置移動量的模擬信息載于脈沖信號中。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的移動量與被測鋼絲長度增長量的線性關(guān)系可以測量鋼絲的微小增長量。參考光束和和測量光束的光程不相等。當光程差厶是波長的整數(shù)倍，即幾（k =0,1,2,3.）時，兩束光波的相位相同，光強度最大，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；當光程差厶二（k 1/2）時，兩束光波的相位差為二，光強度為零，在 M3上出現(xiàn)暗條紋，光電接收器上無光信號入射，輸出信號為零。這樣，當可動反射鏡 M2因為鋼絲受熱增長而移動時，在M3上將出現(xiàn)亮暗交替的干涉條紋。其光強度的變化規(guī)律為lv =IOV TOVKI cos（2當/），式中，IOV為平均光強度，KI 為干涉條紋的對比度。從上式可知，

11、光程差每變化波長時，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，。對于圖1所示結(jié)構(gòu)，光程差厶是動鏡M2位移量L的 2倍。因此，被測位移量 L =n /2。圖5第5頁共11頁5.上機5.1. ZMAX仿真設(shè)計通過對單透鏡，雙透鏡的光路仿真設(shè)計，學會對擴束準直系統(tǒng)的仿真設(shè)計。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I圖7第6頁共11頁5.1.3.擴束準直系統(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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15、一血4一 17一圖15外支柱圖16小支桿6.總結(jié)6.1.實驗結(jié)果及分析1干涉/衍射實驗利用雙縫干涉，單縫衍射驗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位移傳感實驗驗證了位移與電壓的關(guān)系。4光纖端面處理掌握了對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，剝離保護層，再將光纖表面處理平整；了解了判斷其好壞的標準：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.干涉條紋間隔對測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,會影響波面偏差。2.激光干涉測量誤差1） 系統(tǒng)誤差：主要指受到激光干涉測量方法及測量系統(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 （空氣溫度、壓力及相對濕度 的變化）引起空氣折射率的變化 ,由此導致的誤差。3） 人為誤差： 人眼讀數(shù)， 記錄數(shù)據(jù)錯誤， 測量方法的錯誤等所造成的誤差。6.3.實驗改進1.添加防震系統(tǒng) 若實驗臺有振動，則它將影響干涉圖案，實驗設(shè)計應設(shè)計防震系統(tǒng)。2.減弱對流 空氣的流動，細小的微風也會對條紋產(chǎn)生影響，使干涉圖案出現(xiàn)飄移或顫 動。3.抑制反射鏡的移

17、動 絕大部分發(fā)生在反射鏡可移動范圍的兩端。通過次光電測量系統(tǒng)設(shè)計，對干涉及衍射的原理和產(chǎn)生條件有了更深刻的 了解，對整個測量系統(tǒng)的搭建，還有途中遇到的問題都有大概的解決方案。在 機房對仿真軟件ZMAXH ZW CAD制圖軟件都有一定的學習和運用。最后在實踐 操作中學習了對光纖的處理，豐富了自己的知識面。在這幾周的設(shè)計中，雖然 遇到一些困難，團隊的，個人的，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1羨一民，雙頻激光干涉儀的原理與應用 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 編著應用光學 . 北京理工大學出

18、版社 .20104郭培源 付揚 編著 光電檢測技術(shù)與應用 北京航空航天大學出版社 .20065百度文庫 目 錄2第 15 頁 共 11 頁第一章 總 論 .錯誤！未定義書簽1.1 項目概況 .錯誤！未定義書簽1.4 建議 .錯誤！未定義書簽2.1 項目建設(shè)的背景 .錯誤！未定義書簽第四章 項目選址與建設(shè)條件 .錯誤！未定義書簽4.1 選址原則錯誤！未定義書簽4.2 項目選址 .錯誤！未定義書簽4.3 建設(shè)條件 .錯誤！未定義書簽第五章 建設(shè)方案與設(shè)計 .錯誤！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 .5.3結(jié)構(gòu)方案 .5.4主要配套設(shè)備 .錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。. 18. 191.2研究依據(jù)及范圍 .1.3結(jié)論 .第二章 項目建設(shè)的背景和必要性 .2.2項目