光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-. z. - - .可修編 .光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于干預(yù)方法測量壓電瓷微小伸長量指導(dǎo)教師：朱 樊敏：權(quán)*：2013031053電科132班時(shí)間：2016年11月 7 日-. z. - - .可修編 .摘 要本次實(shí)驗(yàn)為光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而測量壓電瓷由于加熱而產(chǎn)生的微小形變量，故需要掌握干預(yù)和衍射的根本原理和產(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(jì)。首先是對通過氏雙縫干預(yù)，夫瑯禾費(fèi)衍射，PSD微小位移測量實(shí)驗(yàn)對理論知識的補(bǔ)充和了解，并對測量系統(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ZMA*完成擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，ZW CAD繪制出探測器的光學(xué)構(gòu)造探頭主體、底座、支桿等；最后，進(jìn)展

2、了光纖端面處理和光纖傳感綜合實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：光電測量系統(tǒng)；干預(yù)；衍射；探測器；光纖實(shí)驗(yàn)-. z. - - .可修編 .目 錄論文總頁數(shù)：11頁TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc879 1. 簡介 PAGEREF _Toc879 1 HYPERLINK l _Toc6446 1.1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭?PAGEREF _Toc6446 1 HYPERLINK l _Toc25741 2. 干預(yù)及衍射原理 PAGEREF _Toc25741 1 HYPERLINK l _Toc28878 2.1. 干預(yù) PAGEREF _Toc28878 1 HYPERLINK l _

3、Toc6578 2.1.1. 干預(yù)原理 PAGEREF _Toc6578 1 HYPERLINK l _Toc16000 2.1.2. 干預(yù)條件 PAGEREF _Toc16000 2 HYPERLINK l _Toc6231 2.1.3. 實(shí)現(xiàn)光束干預(yù)的根本方法 PAGEREF _Toc6231 2 HYPERLINK l _Toc32251 2.2. 衍射 PAGEREF _Toc32251 2 HYPERLINK l _Toc20420 2.2.1. 衍射原理 PAGEREF _Toc20420 2 HYPERLINK l _Toc32187 2.2.2. 衍射分類 PAGEREF _T

4、oc32187 2 HYPERLINK l _Toc18315 3. 干預(yù)儀 PAGEREF _Toc18315 2 HYPERLINK l _Toc13185 4. 整體構(gòu)造 PAGEREF _Toc13185 3 HYPERLINK l _Toc4205 5. 上機(jī) PAGEREF _Toc4205 4 HYPERLINK l _Toc26771 5.1. ZMA*仿真設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc26771 4 HYPERLINK l _Toc23484 5.1.1. 單透鏡 PAGEREF _Toc23484 4 HYPERLINK l _Toc17802 5.1.2. 雙透鏡 PAG

5、EREF _Toc17802 5 HYPERLINK l _Toc8585 5.1.3. 擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng) PAGEREF _Toc8585 6 HYPERLINK l _Toc20714 5.2. 探測器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc20714 7 HYPERLINK l _Toc7519 6. 總結(jié) PAGEREF _Toc7519 10 HYPERLINK l _Toc15660 6.1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc15660 10 HYPERLINK l _Toc632 6.2. 問題分析 PAGEREF _Toc632 10 HYPERLINK l _Toc3183 6.3

6、. 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) PAGEREF _Toc3183 11 HYPERLINK l _Toc32751 結(jié) 語 PAGEREF _Toc32751 11 HYPERLINK l _Toc2154 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc2154 11-. z.簡介實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭?、基于光的干預(yù)、衍射原理，理解干預(yù)、衍射測量法的原理及方法，了解各局部的作用并能綜合運(yùn)用；2、了解探測器的設(shè)計(jì)原理及探測器的分類，綜合應(yīng)用所學(xué)的光學(xué)知識，利用干預(yù)測量法測量壓電瓷的微小伸長量；3、通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器和軟件的操作完成對光電探頭的設(shè)計(jì)；干預(yù)及衍射原理干預(yù)干預(yù)原理只有兩列光波的頻率一樣，相位差恒定，振動方向一致的相干光源，才

7、能產(chǎn)生光的干預(yù)。由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有一樣的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象。光的干預(yù)是指兩束或多束光在空間相遇時(shí)，在重疊區(qū)形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱強(qiáng)度分布的現(xiàn)象。例如，兩列單色線偏振光在空間點(diǎn)相遇，它們的振動方向間夾角為，則在點(diǎn)處得總光強(qiáng)為式中，是二光束的光強(qiáng)，是兩光束的相位差，且有由此可見，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)穿插項(xiàng),它反映了這兩束光的干預(yù)效應(yīng)，通常稱為干預(yù)項(xiàng)。干預(yù)現(xiàn)象就是指這兩束光在重疊區(qū)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)間存在著相對穩(wěn)定的條紋分布。顯然，如果干預(yù)項(xiàng)遠(yuǎn)小

8、于兩光束中較小一個(gè)，就不容易觀察到干預(yù)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，且當(dāng)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(shí)，就觀察不到干預(yù)現(xiàn)象了。干預(yù)條件1兩束光的頻率應(yīng)當(dāng)一樣 2兩束光在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)一樣 3兩束光在相遇處應(yīng)有固定不變的相位差實(shí)現(xiàn)光束干預(yù)的根本方法1分波面法：將一個(gè)波列的波面分成兩局部或幾局部，由這一局部發(fā)出的波再相遇時(shí)，必然會產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象。氏雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)就是應(yīng)用的這種原理。 2分振幅法：利用透明薄板的第一、二外表對入射光的依次反射，將入射光的振幅分解成假設(shè)干局部，當(dāng)這些局部的光波相遇時(shí)就產(chǎn)生干預(yù)。這是一種很常見的獲得相干光、產(chǎn)生干預(yù)的

9、方法。衍射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)。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都遠(yuǎn)大于就能觀察到夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象。其中為衍射物體的孔徑，為光源的波長。干預(yù)儀圖 1上圖是邁克爾遜干預(yù)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由精細(xì)

10、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(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G1一樣。 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處分成兩局部，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，最后都到達(dá)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預(yù)條紋。由M1反射回來的光波在分光板G1的第二面

11、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預(yù)儀中自M1和M2的反射相當(dāng)于自M1和M2的反射。由此可見，在邁克爾遜干預(yù)儀中所產(chǎn)生的干預(yù)與空氣薄膜所產(chǎn)生的干預(yù)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)形的等傾干預(yù)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預(yù)條紋。整體構(gòu)造圖 2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，一束為測量光。兩束光分別經(jīng)過與回到，并在處發(fā)生干預(yù)。其干預(yù)條紋被聚光后被光電器件接收，形成脈沖信號。反

12、射鏡的位置移動量的模擬信息載于脈沖信號中。全反射固定，而全反射鏡與鋼絲嚴(yán)密接觸，這樣就可以根據(jù)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(dāng)光程差是波長的整數(shù)倍，即時(shí)，兩束光波的相位一樣，光強(qiáng)度最大，在上出現(xiàn)亮條紋，光電接收器得到經(jīng)聚光后的亮度信號；當(dāng)光程差時(shí)，兩束光波的相位差為，光強(qiáng)度為零，在上出現(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(dāng)可動反射鏡因?yàn)殇摻z受熱增長而移動時(shí)，在上將出現(xiàn)亮暗交替的干預(yù)條紋。其光強(qiáng)度的變化規(guī)律為，式中，為平均光強(qiáng)度，為干預(yù)條紋的比照度。從上式可知，光程差每變化波長時(shí)，干預(yù)條紋暗亮變化一次；干預(yù)條

13、紋變化次，則光程差。對于圖1所示構(gòu)造，光程差是動鏡位移量的2倍。因此，被測位移量。上機(jī)ZMA*仿真設(shè)計(jì)通過對單透鏡，雙透鏡的光路仿真設(shè)計(jì)，學(xué)會對擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。單透鏡圖 3圖 4雙透鏡圖 5圖 6擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)圖 7探測器設(shè)計(jì)圖 8 探頭主體圖 9 探頭后蓋圖 10 玻璃窗口壓片圖 11 硅光壓圈帽圖 12 底座圖 13 硅光螺旋柱圖 14 鎖緊螺紋圖 15 外支柱圖 16 小支桿總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1.干預(yù)/衍射實(shí)驗(yàn)利用雙縫干預(yù)，單縫衍射驗(yàn)證了條紋間距公式的正確性，并了解干預(yù)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了

14、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(hù)層，再將光纖外表處理平整；了解了判斷其好壞的標(biāo)準(zhǔn)：利用顯微鏡觀察光纖外表是否平整，端口旋轉(zhuǎn)一周是否整齊。問題分析1.干預(yù)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：W=(h/H)(/n)式中，H是最適合條紋間隔，n是干預(yù)儀的通道數(shù)。條紋之間的間隔變化H,會影響波面偏差。2.激光干預(yù)測量誤差1系統(tǒng)誤差：主要指受到激光干預(yù)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：干預(yù)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(dǎo)致的誤差。3人為誤差：人眼讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，測量方法的錯(cuò)誤等所造成的誤差。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1.添加防震系統(tǒng)假設(shè)實(shí)驗(yàn)臺有振動，則它將影響干預(yù)圖案，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)計(jì)防震系統(tǒng)。2.減弱對流空氣的流動，細(xì)小的微風(fēng)也會對條紋產(chǎn)生影響，使干預(yù)圖案出現(xiàn)飄移或顫抖。抑制反射鏡的移動絕大局部發(fā)生在反射鏡可移動圍的兩端。結(jié) 語通過次光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對干預(yù)及衍射的原理和產(chǎn)生條件有了更深刻的了解，對整個(gè)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(jī)房對