光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)-基于干涉方法測量壓電陶瓷微小伸長量基于干涉方法測量壓電陶瓷微小伸長量指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師：朱海東朱海東 樊敏樊敏姓名：姓名：陳權(quán)陳權(quán)學(xué)號：學(xué)號：20130310532013031053班班級級 ：電科電科 132132 班班時間：時間：20162016 年年 1111 月月 7 7 日日摘摘 要要本次實(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(jì)。首先是對通過楊氏雙縫干涉，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)的搭建有一個大概

2、的構(gòu)思。然后在機(jī)房通過仿真軟件 ZMAX 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)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)鍵詞關(guān)鍵詞：光電測量系統(tǒng)；干涉；衍射；探測器；光纖實(shí)驗(yàn)?zāi)磕?錄錄論文總頁數(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.24. 整體結(jié)構(gòu).35. 上機(jī).45.1. ZMAX 仿真設(shè)計(jì) .45.1.1

3、. 單透鏡.45.1.2. 雙透鏡.55.1.3. 擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng).65.2. 探測器設(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.106.3. 實(shí)驗(yàn)改進(jìn).11結(jié) 語.11參考文獻(xiàn).11第 0 頁 共 11 頁1.1.簡介簡介1.1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容實(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，利用干涉測量法測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光電探頭的設(shè)計(jì)；2.2.干涉及衍射原理干涉及衍射原理2.1.干涉干涉2.1.

4、1.干涉原理干涉原理只有兩列光波的頻率相同，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(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，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)cos(0111011rktEE)(cos0222022rktEE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ppcoscos22121IIIII12212III式中，是二光束的光強(qiáng)，是兩光束的相位差，且有1I2Itrkrk02012221coscos2112III由此可見，兩光束疊加后的

5、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),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12I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，即在一定時間內(nèi)存在著相對穩(wěn)定的條紋第 1 頁 共 11 頁分布。顯然，如果干涉項(xiàng)遠(yuǎn)小于兩光束中較小一個，就不容易觀察到干涉現(xiàn)12I象，如果兩光束的相位差隨時間變化，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，就觀察不到干涉現(xiàn)象了。2.1.2.干涉條件干涉條件（1）兩束光的頻率應(yīng)當(dāng)相同 （2）兩束光在相遇處的振動方向應(yīng)當(dāng)相同 （3）兩束光在相遇處

6、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實(shí)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(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(dāng)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.衍射衍射2.2.1.衍射原理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。衍射時產(chǎn)

7、生的明暗條紋或光環(huán)。2.2.2.衍射分類衍射分類衍射現(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S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/2aa的波長。第 2 頁 共 11 頁3.3.干涉儀干涉儀圖 1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(xì)讀 2 組刻度盤組合而成)讀出。在兩臂軸

8、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，如同平面鏡反射一樣，

9、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(此時 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 3 頁 共 11 頁4.4.整體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)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

10、干涉。其干涉條紋被聚光后被光電器件接收，形成脈沖1M2MGG信號。反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2M1M與鋼絲緊密接觸，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2M2M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，兩束光波的相位相同，光強(qiáng)度最大，在上出現(xiàn).)3 , 2 , 1 , 0( kk3M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，兩束光波）（2/1k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3M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，在上將出現(xiàn)

11、亮暗交替2M3M的干涉條紋。其光強(qiáng)度的變化規(guī)律為，式中，為平均光)/2cos(IOVOVVKIIIOVI強(qiáng)度，為干涉條紋的對比度。從上式可知，光程差每變化波長時，干涉條紋暗亮變IK化一次；干涉條紋變化次，則光程差。對于圖 1 所示結(jié)構(gòu)，光程差是動鏡nn位移量的 2 倍。因此，被測位移量。2ML2/nL 第 4 頁 共 11 頁5.5.上機(jī)上機(jī)5.1.ZMAX 仿真設(shè)計(jì)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)。5.1.1.單透鏡單透鏡圖 3圖 45.1.2.雙透鏡雙透鏡圖 5第 5 頁 共 11 頁圖 65.1.3.擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)圖 7第 6 頁 共 1

12、1 頁5.2.探測器設(shè)計(jì)探測器設(shè)計(jì)圖 8 探頭主體圖 9 探頭后蓋第 7 頁 共 11 頁圖 10 玻璃窗口壓片圖 11 硅光壓圈帽圖 12 底座第 8 頁 共 11 頁圖 13 硅光螺旋柱圖 14 鎖緊螺紋第 9 頁 共 11 頁圖 15 外支柱圖 16 小支桿6.6.總結(jié)總結(jié)6.1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(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光纖端口的處理方法：使用米勒鉗、或者燃燒，氫

13、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)：利第 10 頁 共 11 頁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。6.2.問題分析問題分析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：W=(h/H)(/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(dǎo)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1.添加防震系統(tǒng)若實(shí)驗(yàn)臺有振動，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，使干涉圖案出現(xiàn)飄移或顫動。3.抑制反射鏡的移動絕大部分發(fā)生在反射鏡可移動范圍的兩端。結(jié)結(jié) 語語通過次光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jī)房對仿真軟件 ZMAX 和 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)了對光纖的處理，豐