光电测量系统设计

1、-. z. - - .可修编 .光电测量系统设计基于干预方法测量压电瓷微小伸长量指导教师：朱 樊敏：权*：2013031053电科132班时间：2016年11月 7 日-. z. - - .可修编 .摘 要本次实验为光电测量系统设计，从而测量压电瓷由于加热而产生的微小形变量，故需要掌握干预和衍射的根本原理和产生条件，结合相关仪器软件完成对光电探测器的设计。首先是对通过氏双缝干预，夫琅禾费衍射，PSD微小位移测量实验对理论知识的补充和了解，并对测量系统的搭建有一个大概的构思。然后在机房通过仿真软件ZMA*完成扩束准直系统的设计，ZW CAD绘制出探测器的光学构造探头主体、底座、支杆等；最后，进展

2、了光纤端面处理和光纤传感综合实验。关键词：光电测量系统；干预；衍射；探测器；光纤实验-. z. - - .可修编 .目 录论文总页数：11页TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc879 1. 简介 PAGEREF _Toc879 1 HYPERLINK l _Toc6446 1.1. 实验目的及容 PAGEREF _Toc6446 1 HYPERLINK l _Toc25741 2. 干预及衍射原理 PAGEREF _Toc25741 1 HYPERLINK l _Toc28878 2.1. 干预 PAGEREF _Toc28878 1 HYPERLINK l _

3、Toc6578 2.1.1. 干预原理 PAGEREF _Toc6578 1 HYPERLINK l _Toc16000 2.1.2. 干预条件 PAGEREF _Toc16000 2 HYPERLINK l _Toc6231 2.1.3. 实现光束干预的根本方法 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. 衍射分类 PAGEREF _T

4、oc32187 2 HYPERLINK l _Toc18315 3. 干预仪 PAGEREF _Toc18315 2 HYPERLINK l _Toc13185 4. 整体构造 PAGEREF _Toc13185 3 HYPERLINK l _Toc4205 5. 上机 PAGEREF _Toc4205 4 HYPERLINK l _Toc26771 5.1. ZMA*仿真设计 PAGEREF _Toc26771 4 HYPERLINK l _Toc23484 5.1.1. 单透镜 PAGEREF _Toc23484 4 HYPERLINK l _Toc17802 5.1.2. 双透镜 PAG

5、EREF _Toc17802 5 HYPERLINK l _Toc8585 5.1.3. 扩束准直系统 PAGEREF _Toc8585 6 HYPERLINK l _Toc20714 5.2. 探测器设计 PAGEREF _Toc20714 7 HYPERLINK l _Toc7519 6. 总结 PAGEREF _Toc7519 10 HYPERLINK l _Toc15660 6.1. 实验结果及分析 PAGEREF _Toc15660 10 HYPERLINK l _Toc632 6.2. 问题分析 PAGEREF _Toc632 10 HYPERLINK l _Toc3183 6.3

6、. 实验改进 PAGEREF _Toc3183 11 HYPERLINK l _Toc32751 结 语 PAGEREF _Toc32751 11 HYPERLINK l _Toc2154 参考文献 PAGEREF _Toc2154 11-. z.简介实验目的及容1、基于光的干预、衍射原理，理解干预、衍射测量法的原理及方法，了解各局部的作用并能综合运用；2、了解探测器的设计原理及探测器的分类，综合应用所学的光学知识，利用干预测量法测量压电瓷的微小伸长量；3、通过相关实验仪器和软件的操作完成对光电探头的设计；干预及衍射原理干预干预原理只有两列光波的频率一样，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才

7、能产生光的干预。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有一样的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干预现象。光的干预是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区形成稳定的强弱强度分布的现象。例如，两列单色线偏振光在空间点相遇，它们的振动方向间夹角为，则在点处得总光强为式中，是二光束的光强，是两光束的相位差，且有由此可见，两光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度和，而是多了一项穿插项,它反映了这两束光的干预效应，通常称为干预项。干预现象就是指这两束光在重叠区形成的稳定的光强分布。所谓稳定，就是用肉眼或记录仪器能观察到或者记录到条纹分布，即在一定时间存在着相对稳定的条纹分布。显然，如果干预项远小

8、于两光束中较小一个，就不容易观察到干预现象，如果两光束的相位差随时间变化，是光强度条纹图样产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器不能分辨出条纹图样时，就观察不到干预现象了。干预条件1两束光的频率应当一样 2两束光在相遇处的振动方向应当一样 3两束光在相遇处应有固定不变的相位差实现光束干预的根本方法1分波面法：将一个波列的波面分成两局部或几局部，由这一局部发出的波再相遇时，必然会产生干预现象。氏双缝干预实验就是应用的这种原理。 2分振幅法：利用透明薄板的第一、二外表对入射光的依次反射，将入射光的振幅分解成假设干局部，当这些局部的光波相遇时就产生干预。这是一种很常见的获得相干光、产生干预的

9、方法。衍射衍射原理光波遇到障碍物以后或多或少的偏离几何光学传播定律的现象。光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或者小孔窄缝，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环。衍射分类衍射现象一般分两类：菲涅尔衍射和夫琅和费衍射。其中夫琅和费衍射是指光源和观察者屏离开衍射物体都为无穷远时的衍射。但因为实际做不到无穷远，所以一般要求满足光源和观察屏离开衍射物体之间的距离都远大于就能观察到夫琅和费衍射现象。其中为衍射物体的孔径，为光源的波长。干预仪图 1上图是迈克尔逊干预仪的光路示意图。图中M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中M2是固定的；M1由精细

10、丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘(由粗读和细读2组刻度盘组合而成)读出。在两臂轴线相交处，有一与两轴成45角的平行平面玻璃板G1，它的第二个平面上镀有半透半反射的银膜，以便将入G2也是平行平面玻璃板，与G1平行放置，厚度和折射率均与G1一样。 由于它补偿了光线和因穿越G1次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。从扩展光源S射来的光在G1处分成两局部，反射光经G1反射后向着M1前进，透射光透过G1向着M2前进，这两束光分别在M1、M2上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都到达E处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看到干预条纹。由M1反射回来的光波在分光板G1的第二面

11、上反射时，如同平面镜反射一样，使M1在M2附近形成M1的虚像M2，因而光在迈克尔逊干预仪中自M1和M2的反射相当于自M1和M2的反射。由此可见，在迈克尔逊干预仪中所产生的干预与空气薄膜所产生的干预是等效的。当M1和M2平行时(此时M1和M2严格互相垂直)，将观察到环形的等倾干预条纹。一般情况下，M1和M2形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的等厚干预条纹。整体构造图 2如原理图所示，He-Ne激光器发出的激光经过聚焦、扩束、准直后得到一束平行光，平行光入射到半反镜上分成两束光，一束为参考光束，一束为测量光。两束光分别经过与回到，并在处发生干预。其干预条纹被聚光后被光电器件接收，形成脉冲信号。反

12、射镜的位置移动量的模拟信息载于脉冲信号中。全反射固定，而全反射镜与钢丝严密接触，这样就可以根据的移动量与被测钢丝长度增长量的线性关系可以测量钢丝的微小增长量。参考光束和和测量光束的光程不相等。当光程差是波长的整数倍，即时，两束光波的相位一样，光强度最大，在上出现亮条纹，光电接收器得到经聚光后的亮度信号；当光程差时，两束光波的相位差为，光强度为零，在上出现暗条纹，光电接收器上无光信号入射，输出信号为零。这样，当可动反射镜因为钢丝受热增长而移动时，在上将出现亮暗交替的干预条纹。其光强度的变化规律为，式中，为平均光强度，为干预条纹的比照度。从上式可知，光程差每变化波长时，干预条纹暗亮变化一次；干预条

13、纹变化次，则光程差。对于图1所示构造，光程差是动镜位移量的2倍。因此，被测位移量。上机ZMA*仿真设计通过对单透镜，双透镜的光路仿真设计，学会对扩束准直系统的仿真设计。单透镜图 3图 4双透镜图 5图 6扩束准直系统图 7探测器设计图 8 探头主体图 9 探头后盖图 10 玻璃窗口压片图 11 硅光压圈帽图 12 底座图 13 硅光螺旋柱图 14 锁紧螺纹图 15 外支柱图 16 小支杆总结实验结果及分析1.干预/衍射实验利用双缝干预，单缝衍射验证了条纹间距公式的正确性，并了解干预仪的工作原理及使用方法。误差分析：测量工具直尺精度不够，读数有误；明暗条纹不够明显等。3.PSD位移传感实验验证了

14、位移与电压的关系。4.光纤端面处理掌握了对光纤端口的处理方法：使用米勒钳、或者燃烧，氢氟酸溶液腐蚀等方式，剥离保护层，再将光纤外表处理平整；了解了判断其好坏的标准：利用显微镜观察光纤外表是否平整，端口旋转一周是否整齐。问题分析1.干预条纹间隔对测量的影响由于条纹之间的偏差所表示的波面偏差为：W=(h/H)(/n)式中，H是最适合条纹间隔，n是干预仪的通道数。条纹之间的间隔变化H,会影响波面偏差。2.激光干预测量误差1系统误差：主要指受到激光干预测量方法及测量系统元部件制造精度的限制。2环境误差：干预仪工作过程中,环境的波动(空气温度、压力及相对湿度的变化)引起空气折射率的变化,由此导致的误差。3人为误差：人眼读数，记录数据错误，测量方法的错误等所造成的误差。实验改进1.添加防震系统假设实验台有振动，则它将影响干预图案，实验设计应设计防震系统。2.减弱对流空气的流动，细小的微风也会对条纹产生影响，使干预图案出现飘移或颤抖。抑制反射镜的移动绝大局部发生在反射镜可移动围的两端。结 语通过次光电测量系统设计，对干预及衍射的原理和产生条件有了更深刻的了解，对整个测量系统的搭建，还有途中遇到的问题都有大概的解决方案。在机房对