一、系统工作原理
1.1光栅位移传感器的原理
光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号。
（a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成
图1 莫尔条纹的原理
电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到LCD屏显示。
1.2系统整体设计框图
系统整体框图如图2所示：
图2 系统整体框图
光栅尺移动产生莫尔条纹，光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。该电信号经过放大、整形电路将正弦信号变成方波，再经四细分、辨向电路实现模拟信号到数字信号的转变，省去了模-数转换的部分使电路简单，编程容易。细
四
倍
频
细
分
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向
单
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机
计
数
运
算
放
大
整
形
电
路
光
栅
传
感
器
位移信号
LCD
屏
显
示
分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结果。
二、系统硬件设计
2.1放大电路设计
采用同向比例放大电路，如图3：
图3 同向比例放大电路
同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。
采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。
LM324的特点：
1.短跑保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：3V-32V
4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
图4 LM324引脚图9.输入端具有静电保护功能
2.2整形电路设计
图5可以把幅值为0.7v～15v的正弦波转换为方波。
NE5532为一个滞回比较器，把正弦波转化为有正负值的方波，再接一级LM311，可以使方波只有5v和0v电压值。
NE5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器控制电路和电话通道放大器。
LM311的电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。
图5 整形电路
2.3细分辨向电路的设计
四细分辨向电路如下，图6：
图 6 四细分辨向电路
为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，光电转换器件采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使它正好与2个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90°的2路信号，进行4倍细分。
位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，本设计采用的是2个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的2路信号在相位上相差90°，W－光栅的栅距，x－标尺光栅位移量。
2个硅光电池输出的2路信号：
Ua＝U
0＋UmSIN(x
W
?
360
)
Ub＝U
0＋UmSIN(x
W
?
360
＋90°) ＝U
＋UmCOS(x
W
?
360
)
位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法和减法计数脉冲表示位移的方向和大小。
2.4单片机及其附属电路
系统中的单片机采用AT89C52系列，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚（引脚图如图7），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。
图7 AT89C52引脚图
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性：
·兼容MCS51指令系统
·8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM
·32个双向I/O口
·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断
·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断
·可编程UART串行通道
·2个外部中断源
·共6个中断源
·2个读写中断口线
·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式
·软件设置睡眠和唤醒功能
单片机的连接图如图8：
图8 单片机连线图
AT89C52的复位电路和晶振电路在图8的左上角，晶振为12MHz。图中P2口连接LCD液晶显示屏，作为屏幕的数据接口（其他有关LCD屏的连接在下一节中介绍），P3^4接四细分后的脉冲输出，作为单片机的脉冲信号输入端进行计数。
2.5 LCD液晶显示屏的设计
液晶显示器简称LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。
2.5.1 LCD显示模块LCDM
在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块LCDM 。
LCDM是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单片机系统中应用较多。其内部结构如下页图所示。LCDM一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示。实物图见图9。
图9 LCD模块外观
图10 液晶显示器基本结构
液晶屏其结构如图10，液晶显示器LCD是一种极低功耗显示器，其应用特别广泛。目前常用的LCD是根据液晶的扭曲-向列效应原理制成的。这是一种电场效应，夹在两块导电玻璃电极之间的液晶经过一定处理后，其内部的分子呈90°的扭曲，这种液晶具有旋光特性。当线形偏振光通过液晶层时，偏振面回旋转90°。当给玻璃电极加上电压后，在电场的作用下液晶的扭曲结构消失，其旋光作用也随之消失，偏振光便可以直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。把这样的液晶放在两个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。LCD的响应时间为毫秒级，域值电压为3～20V，功耗为5～100mW/cm2.
2.5.2设计中LCD液晶屏的连线
基于LCD显示块低功耗、短响应时间以及适应低频工作的特点，设计者选用LCD显示器完成显示部分的功能,并且使用静态驱动。所选的LCD型号为1601。
1601是一款最常用也是最便宜的液晶显示屏。1601的意思是每行显示16个字符，一共可以显示一行。1601可显示内部字符，也可以显示自定义字符。
1601液晶的引脚图如图11所示。
图11 LCD1601液晶屏引脚图
接口说明如下：
①液晶1，2端为电源；15、16为背光电源；在15脚串接一个10欧姆电阻用于限流。
②液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10K欧姆电位器接地来调节液晶显示对比度。
③液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机的P3.0口。
④液晶5端为读/写选择端，因为我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择写状态，我们直接将它接地。
⑤液晶6端为使能信号，是操作时必需的信号，接单片机的P3.2口
⑥液晶7－14端为八位数据口，接单片机的P2口。
摘要 在现代工业生产过程中，常常需要测量很多不同的位移量。与此同时对位移量进行较为精确地检测，是提高控制精度的基础。因此之前所普遍采用的传统位移测量装置已经不能适应时代发展的潮流。在此情况下通过科研人员的不断努力终于研制出了数字式光电编码器,它的输入量是角位移量其输出量是相应的电脉冲,并且它有体积小，精度高的优点。故而，这次毕业设计选用的是光电编码器。 本次毕业设计是以AT89C51单片机为核心，用光电编码器来实现对位移量的精确测量，再将测量结果显示在LCD液晶显示器上。其中本次设计中所选用的是输出电压为5V的光电编码器。 本文由浅入深先介绍了一些关于位移测量的基本原理，进而阐述了各个模块的设计思路，工作过程以及显示效果。本文借鉴了一些当前较为流行的设计思想，例如硬件软件化，很好的满足了设计要求。 关键词：位移，测量，光电编码器，单片机，LCD显示器
Abstract In the control field, a variety of displacement measurements often need to be carried out. In actual industry position control domain, to increase the control precision, carries on the examination to the controlled member is accurately very important.The traditional machinery survey displacement installs has not been able to satisfy the modern production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can transform the angular displacement into with it correspondence electricity pulse output, mainly uses in the mechanical position and the velocity of whirl examination, has the precision to be high, volume small and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displacement to examine. This design to use the electro-optical encoder to realize the displacement survey and the simulation, realizes the survey from the exterior different displacement value and the demonstration. Makes concrete using at89C51 monolithic integrated circuit is the core, the electro-optical encoder carries on the displacement to survey, simultaneously by LCD liquid crystal display module demonstration. This design uses the electro-optical encoder output voltage is 5V, the output signal after four doubling circuit processing sends in the monolithic integrated circuit to carry on counting processing, finally sends in the LCD module demonstration. In this paper, detailed working process of displacement measurement system is started with principle of displacement measurement, and hardware circuit design and display. This paper has absorbed the idea of hardware and software to achieve with the subject required functionality. Key words:The displacement surveys, electro-optical encoder, microcontroller, LCD display module
唐山学院课程设计 一、系统工作原理光栅位移传感器的原理1.1随着主光与位移部 件固定连接，光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅），则光栅组透光部分θ栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为光栅位移传感器位移即形成了莫尔条纹。呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电时莫尔条纹也移动，信号。 （a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 1 莫尔条纹的原理图电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单 LCD屏显示。片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到系统整体设计框图1.2 所示：系统整体框图如图2四单光放 倍LCD片栅大频机传整位移信号细计感形屏分数器电显辨运路示向算 图2 系统整体框图 该光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。光栅尺移动产生莫尔条纹，辨向电路实现模再经四细分、整形电路将正弦信号变成方波，电信号经过放大、数转换的部分使电路简单，编程容易。细-拟信号到数字信号的转变，省去了模1 唐山学院课程设计 分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结
果。 二、系统硬件设计 2.1放大电路设计 采用同向比例放大电路，如图3： 图3 同向比例放大电路 同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。 采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。
LM324的特点： 短跑保护输出1. 2.真差动输入级 3V-32V 3.可单电源工作：）LM324A 4.低偏置电流：最大100nA（每封装含四个运算放大器。 5. 具有内部补偿的功能。6. 7.共模范围扩展到负电源行业标准的引脚排列8. 输入端具有静电保护功能9. 图引脚图4 LM324 2 唐山学院课程设计 2.2整形电路设计 图5可以把幅值为0.7v～15v的正弦波转换为方波。 NE5532为一个滞回比较器，把正弦波转化为有正负值的方波，再接一级LM311，可以使方波只有5v和0v电压值。 NE5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器控制电路和电话通道放大器。 LM311的电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。
光栅式位移测量 欣欣机械学院 摘要光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。 关键词光栅莫尔条纹辨向光栅干涉 1 引言 随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。 传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分和处理来实现位移量的测量。但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。 2 光栅式位移测量分析 2．1光栅测量原理 2．1．1光栅的分类和结构 光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍 射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光 栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分 辨力。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、主光栅、指 示光栅、光电元件三大部分组成。光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电 池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间 距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。 计量光栅的结构图如图2．1所示。
实验一 双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，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。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，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v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
一、系统工作原理 1.1光栅位移传感器的原理 光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号。 （a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 图1 莫尔条纹的原理 电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到LCD屏显示。 1.2系统整体设计框图 系统整体框图如图2所示： 图2 系统整体框图 光栅尺移动产生莫尔条纹，光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。该电信号经过放大、整形电路将正弦信号变成方波，再经四细分、辨向电路实现模拟信号到数字信号的转变，省去了模-数转换的部分使电路简单，编程容易。细 四 倍 频 细 分 辨 向 单 片 机 计 数 运 算 放 大 整 形 电 路 光 栅 传 感 器 位移信号 LCD 屏 显 示
分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结果。 二、系统硬件设计 2.1放大电路设计 采用同向比例放大电路，如图3： 图3 同向比例放大电路 同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。 采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。 LM324的特点： 1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA（LM324A） 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 图4 LM324引脚图9.输入端具有静电保护功能
双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，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。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，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v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
实验13 双光栅测量微弱振动位移量实验 实验重点预习内容： 1.在实验中怎样产生光拍？ 2.如何计算波形数？（画图表示） 3.如何计算微弱振动的位移振幅？写出公式并对每个量进行逐一解释。 4.如何听拍频信号? 多普勒效应：多普勒路过铁路交叉处，发现火车从远而近时汽笛音调变尖，而火车从近而远时，音调变低。提出“多普勒效应”。 拍：根据振动迭加原理，两列速度相同、振动面相同、频差较小而同方向传播的简谐波叠加即形成拍。 本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位移进行测量 一、实验目的 1. 理解利用光的多普勒频移形成光拍的原理； 2. 理解双光栅衍射干涉位移测量原理； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动产生的微小振幅。 二、实验仪器 双光栅微弱振动测量仪、模拟示波器、数字示波器 三、实验原理 1. 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接收器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同，对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不 同 图1 出射的摺曲波阵面 的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和每缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的 y x v d 激光平面波 位相光栅 出射折面波
用光栅和拉线式位移传感器实现试验机 横梁位移和速度误差的检定新方法 黄炯力 （西安计量技术研究院，西安，710068） 摘要：提出了一种新的应用光栅位移传感器和拉线式位移传感器检定试验机横梁位移和速度误差的新方法，设计并研制了横梁位移和速度检定装置，克服了传统检定方法准确度低、效率低下，无法去除系统误差和人为因素引入较大误差的问题，为万能试验机的横梁位移和速度检定提供了一种新的选择。 关键词：光栅、拉线、传感器、横梁位移、横梁速度、计量检定 引言 材料万能试验机是用于各种金属、非金属及复合材料进行力学性能指标测试的计量器具，通过微机控制系统对试验力、位移和形变进行精密测量。在试验机的计量检定中，除了对试验力等参数的检定，JJG475-2008《电子式万能试验机》国家检定规程第7.2条规定了试验机的首次检定中需要检定横梁位移和横梁移动速度的示值相对误差，JJG139-2014《拉力、压力和万能试验机》国家检定规程第6.2条中也规定了必须对试验机的横梁位移示值相对误差进行首次检定。由此可见，试验机横梁位移和横梁移动速度的示值误差是否合格，对于试验机的整机计量性能评价是非常重要的。 一、目前检定方法的缺陷 按照试验机国家检定规程中的规定，传统的试验机横梁位移和横
梁移动速度的检定主要是通过千分（百分）尺、钢直尺、高度尺等简易计量器具对横梁位移进行测量，通过秒表测量横梁移动时间进而间接测量出横梁的移动速度。这种传统的测量方法存在以下几点缺陷。第一、人为引入的误差较大且无法消除，用人掐秒表的方式来测量时间，则人的反应时间必定引入横梁移动时间的误差进而造成横梁移动速度的测量误差。 第二、在测量横梁移动速度的过程中，尤其是在横梁刚启动和最终停止前的这段时间内，由于克服横梁惯性的作用造成了这段时间的横梁移动速度并不是设定值，而是一个瞬时变量，且这个启动和停止的时间段是未知的。这就带来了一个速度测量的系统误差，影响到测量结果的准确判定。 第三、传统测量方法操作程序复杂，费时费力，检定效率低，特别是在低速和短量程的测量时，不仅费时，而且难以保证较高的准确度。 除此以外，对于早先提出的一些改进型（例如采用拉线式位移传感器）的测量方法，虽然克服了上述人为掐表和检定方法落后的缺陷，但仍然无法完全消除由于横梁惯性引入的系统误差问题。 二、采用光栅位移传感器和拉线式位移传感器测量横梁位移和速度 在积累了大量的万能试验机检定经验的基础上，经过对比和探索，我们采用了光栅位移传感器和拉线式位移传感器组合使用的方法实现对万能试验机横梁位移和移动速度的实时精确测量，研制了国内首台多传感器万能试验机速度位移检定仪。 检定仪由高精度拉线式位移传感器、光栅位移传感器、磁力安装
119 实验一 双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，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。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，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v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
位置检测装置 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。 一、数控机床对检测装置的基本要求： 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。 二、位置检测装置的主要性能指标： 1.精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和 高速实时测量的要求。 2.分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。 分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1／3～1／10选取，也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度。 3.灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而 且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。 4.迟滞对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统 的传感器要求迟滞小。 5.测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 6.零漂与温漂零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了 变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。 三、位置检测装置分类： 1.按输出信号的形式分类： 数字式：将被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲。 模拟式：将被测量以连续变化的物理量来表示（电压相位/ 电压幅值变化） 2.按测量基点的类型分类： 增量式：只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。 绝对式：测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。 3.按位置检测元件的运动形式分类： 直线式：测量直线位移。 回转式：测量角位移 四、适合锯床用传感器分析： 1.光栅 光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，圆光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。 与其他位置检测装置相比，光栅的主要特点如下： 1)检测精度高。直线光栅的精度可达3μm，分辨率可达0．1μm。
（ 2014年6月23日 科研训练论文(文献综述) 题 目：光栅式位移测量技术综述 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别：测控系 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控 指导教师：
光栅式位移测量技术综述 摘要：光栅式位移测量技术具有其他测量技术不具备的独特优点,基于干涉的光栅技术可以获得比几何莫尔术更高的测量准确度、更高的分辨率,在诸如微电子、超精加工、生物工程等众多领域有广泛的应用前景。本文围绕光栅式位移测量技术的基本原理，介绍了光栅莫尔条纹位移测量法以及光栅干涉位移测量法的原理，对几个光栅测量系统：经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统的测量原理进行概述，并说明了各系统的关键问题及不足之处。对介绍的测量方法进行综合比较之后，总结了光栅测量的关键问题，并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。 关键词：光栅原理；干涉；莫尔条纹；位移测量；测量与计量 1、引言 几何形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微/纳米技术、微型机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。 纳米测量技术是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的关键技术之一,是整个纳米科技领域的先导和基础,是当前计量科学领域的重要课题。作为能够实现纳米级位移测量的技术之一,光栅技术具有其他传统测量技术所不具有的独特优点，使其广泛应用于生活生产的各个领域。从20世纪50年代到现在，随着激光技术在精密位移测量中的应用，光栅式位移测量技术有了高速的发展。 2、光栅式位移测量技术概述 位移是工程生产中比较重要的物理量之一，尤其是在数控加工方面精密位移的测量变得尤为重要。随着社会科学技术的高速发展，工程生产中对于位移测量的要求也逐渐变得苛刻起来。位移测量尤其是精密位移的测量在这种环境之下急切地需要新的理论和方法的发现来发展和提高自身。直到18世纪法国研究人员莫尔先生发现了一种光学现象——莫尔条纹和19世纪初光的干涉现象的发现，这两项重大的发现使得位移测量技术的高速发展，最后导致了光栅式位移测量技术的出现。该项技术的出现使精密位移测量进入一个崭新的时代，同时也造福了全人类。
119 实验二十五 双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，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。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，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v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
湖南科技大学课程设计题目：光栅式位移传感器结构及其电路设计 学生姓名：孙基 学号：1003030319 班级：10-03 专业：测控技术与仪器 指导教师：杨书仪余以道 课程设计时间：2013年6月
亠.绪论 传感器（英文名称：transducer/sensor ）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 这次课程设计选用的题目为光栅式位移传感器，光栅式位移传 感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常用于机床与现 在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅式位移传感器在现代工业中的作用是十分巨大的，不仅进一步完善了代加工工业的精度，同时也提高了其工作效率。随着国内加工业、制造业等工业越来越成熟，对加工的精度要求也日益提高。因此，越来越多的企业选择在各种机床上安装光栅式位移传感器，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等。其工作环境相对来说并不很苛刻，操作也很简单。 二．光栅式位移传感器的基本原理 光栅式位移传感器的基本原理是两片光栅，主光栅和副光栅之间
存在一偏角a,当两主副光栅发生横向相对运动时，光栅面上出现纵向移动的亮条纹。在光栅面的两侧分别加上光源和光敏元件（包括硅光电池,光电二极管,光电三极管等。）光源发出通过透镜产生一簇平行光照射在副光栅上, 主光栅移动时, 光源产生的平行光部分透过两光栅之间的缝隙而产生亮纹, 这时光敏器件接受光源的照射使光敏器件的电阻的阻值发生变化。从而在外部的测控电路中的电流或电压值发生变化, 再根据电量的输出判断亮纹出现的个数。根据亮纹个数和主光栅位移的关系科技计算主光栅的位移量。 莫尔条纹简介：是18 世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲, 莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果, 当人眼无法分辨这两条线或两个物体时,只能看到干涉的条纹,这种光学现象就是莫尔条纹。 光栅式位移传感器分为透射式和反射式光栅位移传感器两种。 此次课程设计就透射式光栅位移传感器进行设计研究。
光栅传感器位移测量的硬件设计 摘要：光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。 本文主要阐述其硬件电路的设计与组成。主要包括光栅位移传感器，信号变换电路，细分与辨向电路及LED显示。 关键字：光栅位移传感器，细分，辨向 1.硬件原理图 本设计光栅传感器位移测量系统主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。如图1所示。 1．1光栅位移传感器 光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光敏元件是4个硅光电池。 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图2所示 图2 光栅 用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。 光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W 如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时
光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。如图3所示。 图3 莫尔条纹 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图3中d －d 线区所示。 图3中f －f 线区则是由于光栅的遮光效应形成的。 莫尔条纹有两个重要的特性： (1) 当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下 移动。 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。 (2) 莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W 时，莫尔条纹移动一个条纹间距B 。 当两个等距光栅的栅间夹角θ较小时，主光栅移动一个栅距W ，莫尔条纹移动KW 距离，K 为莫尔条纹的放大系数： 条纹间距与栅距的关系为 ： 当θ角较小时，例如θ=30′，则K =115 ，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量。 如图4所示，光栅位移传感器由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。 θ1/≈=W B K θW B =
光栅位移传感器 产品名称:光栅位移传感器、光栅电子尺、光学尺 产品型号: SMW-GSC-S 产品展商: 深圳市斯铭威科技有限公司 产品价格：1000～3000元（具体以产商报价为准） 光栅尺参数： 栅距：0.01mm(100线对/mm)、0.02mm(50线对/mm)、0.04mm(25线对/mm) 精度：±0.008mm、±0.01mm、±0.015mm、(20℃ 1000mm) 响应速度：60m/min(0.005mm) 25m/min(0.001mm) 测量范围：10mm～30000mm以内任意选择 分辨率为：0.5u-1u-5u-10u-25u 输出讯号：TTL方波、HTL方波、RS422信号、正弦电压信号1Vp 供应电压：5V、12V、15V、24V 参考标记：间隔25mm、50mm、100mm、200mm、或全行程任意位置设一个绝对位置参考点(ABS) 工作温度：0-55℃存储温度：-40℃-55℃ 产品特点： 1、最先进的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。 2、传感器采用密封式结构，性能可靠，安装方便。 3、采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水，防尘优异，使用寿命长。 4、具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。 5、光源采用进口红外发光二极管，体积小寿命长。 6、信号线采用多层隔离线网及金属软管保护，防水及抗干扰性能优良。 7、采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺。 工作原理： 光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。右图所示的就是光栅尺位移传感器的结构。光栅检测装置结构：光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接
光栅式位移测量
光栅式位移测量 欣欣机械学院 摘要光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测 量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。 关键词光栅莫尔条纹辨向光栅干涉 1 引言 随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。 传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分 和处理来实现位移量的测量。但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。
图4 图3 T=t T=0v ΔS θ图 实验十 激光双光栅法测量微小位移 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，GDS-620示波器 三、实验原理 1.位相光栅的多普勒频移： 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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图2，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即（1）式来表示： d n sin θλ= （1） （式中d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长） 然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动着，则出射波阵面也以速度v 在y 方向移动。 从而，在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它的波阵面上出发点，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图3 。
这个位移量相应于光波位相的变化量为()??t 。 ()???t s v t =?=22π λ π λ θsin （2） （1）代入（2）： ()??t v n d t = 2π λ λ ==n v d t n t a 2πω （3） 式中ωπ a v d =2，现把光波写成如下形式： ()()[] E E i t t =+00 exp ω?? (){} =+E i n t d 00exp ωω （4） 显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个： ωωωa d n =+0 （5） 的多普勒频率，如图4所示 2.光拍的获得与检测： 光频率甚高为了要从光频ω0中检测出多普勒频移量，必须采用“拍” 的方法。即要把已频移的和未频移的光束互相平行迭加，以形成光拍。本实验形成光拍的方法是采用两片完全相同的光栅平行紧贴，一片B 静止，另一片A 相对移动。激光通过双光栅后所形成的衍射光，即为两 种以上光束的平行 迭加。如图5所示，光栅A 按速度v A 移动起频移作用，而光栅B 静止不动 只起衍射作用， 故通过双光栅后出 射的衍射光包含了两种以上不同频率 而又平行的光束， 由于双光栅紧贴，激光束具有一定宽度故该光束能平行迭加，这样直接而又简单地形成了光拍。当此光拍讯号进入光电检测器，由于检测器的平方律检波性质，其输出光电流可由下述关系求得： 光束1：()E E t 11001=+cos ω? 光束2：()[] E E t d 22002=++cos ωω? （取n=1） 光电流：()I E E =+ξ122 （ξ为光电转换常数）
激光双光栅法测量微小位移 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 示波器,双光栅微弱振动测量仪。 三、实验原理 当移动光栅相对静止光栅运动时，若有一激光束通过这样的双光栅，便能产生光的多普勒效应。由于光频率甚高，因此必须采用“拍”的方法进行测量，即把频移和非频移的两束光互相平行叠加使之形成光拍，再通过光电检测器检测，取出差频讯号，就可以精确测定微弱振动的位移。 1.位相光栅的多普勒频移： 所谓位相物体就是指那些只有空间的相位结构，而透明度是一样的透 明体。位相物体只能改变入射光的相位，而不影响其振幅。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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，如图4- -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即（4--1）式来表示： d n sin θλ= （4- -1） 式中d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。 然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动着，则出射波阵面也以速 度v 在y 方向移动。从而，在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它的波阵面上出发点，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图4- -2。 图4- -1 位相光栅
θ图 这个位移量相应于光波位相的变化量为() ??t 。 ()???t s v t =?= 22π λ π λ θsin （4- -2） 将（4- -1）代入（4- -2）： ()t nw t d v n d n v t d t =?==??πλλπ22 （4- -3） 式中 ωπa v d =2 现把光波写成如下形式： ()() [] E E i t t =+00exp ω?? (){}=+E i n t d 00exp ωω （4- -4） 显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个： ωωωa d n =+0 （4- -5） 的多普勒频率，如图4- -3所示 2.光拍的获得与检测： 光频率甚高为了要从光频ω0中检测出多普勒频移量，必须采用“拍” 的方法。即要把已频移的和未频移的光束互相平行迭加，以形成光拍。本实验形成光拍的方法是采用两片完全相同的光栅平行紧贴，一片B 静止，另一片A 相对移动。激光通过双光栅后所形成的衍射光，即为两种以上光束的平行迭加。如图4- -4所示，光栅A 按速度v A 移 ΔS 图4- -2 光波相位变化 图4- -3 光栅多普勒频移