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乐橙国际官网光栅传感实验 张文泽

发布时间:2018-11-17

  基于 ZKY-GS 光栅传感实验仪的光栅传感实验 张文泽 四川大学物理科学与技术学院08 级应用物理专业学号 0842022075 摘要本文主要介绍基于 ZKY-GS 光栅传感试验仪的光栅传感实验。剖析了莫尔条纹产生机理并给出了直线光栅、径向圆光栅、切向圆光栅的莫尔条纹及其特性曲线、条纹的相关变化。 关键词光栅 传感器 莫尔条纹 直线光栅 径向圆光栅 切向圆光栅 The Experiment Based on The ZKY-GS Experimental Apparatus Grating Sensor Zhang Wenze (Sichuan UniversityCollege of physics, Department of applied physics, Grade 08, Student ID:0842022075) AbstractThis paper mainly introduces the spectrometer grating sensor experiment based on ZKY - GS grating sensor. Analyzes the generating mechanism of moire-fringe, and gives the straight line grating, radial round grating, tangential round grating moire-fringe and its characteristic curve, striped about change. Key Words: grating sensor moire-fringe Straight line grating Radial round grating Tangential round grating 前言 几百年前 法国人发现一种现象 当两层被称作莫尔丝绸的绸子叠在一起时将产生复杂的水波状的图案如薄绸间相对挪动图案也随之幌动这种图案当时称之为莫尔或者莫尔条纹。一般说任何具有一定排列规律的几何簇图案的重合均能形成按新规律分布的莫尔条纹图案。 1874 年瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段即根据条纹的结构形状来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性从而开拓了莫尔计量学。随着时间的推移莫尔条纹测量技术现已经广泛应用于多种工程计量测试中为微位移的测量做出了重大的贡献。 仪器结构介绍 光栅传感器 光栅传感器主要由光源系统、光栅副系统、光电转换及处理系统等组成如图 4。光源系统使光源以平面波或球面波的形式照射到光栅副系统 光电转换及处理系统用于检测莫尔条纹的变化并经适当处理后转换为位移或角度的变换 其中光栅副系统主要用于产生各种类型的莫尔条纹是关键部分。 仪器结构由主光栅基座、副光栅滑座、摄像头及监视器等组成图 5 。主光栅和副光栅形成一个可组装的、开放式的光栅副结构。 1.主光栅基座 2.副光栅滑座 3.摄像头 4.监视器 图 5 实验装置结构图 1.主光栅基座 主光栅基座由主光栅和读数装置构成图 6 。读数装置由直尺和百分手轮组成用于读取副光栅的移动距离作为副光栅移动距离的标准值。主光栅和副光栅组成可组装、开放式结构 可以使学生直观地了解光栅位移传感器的结构 通过摄像头从监视器上观察和测量条纹的相关特性。 图 4 光栅传感器系统组成示意图 1.直尺 2.百分手轮 3.主光栅 图 6 主光栅基座 2.副光栅滑座 副光栅滑座由副光栅、乐橙国际官网可转动副光栅座及角度读数盘组成(如图 7 所示)。副光栅固定安装于副光栅座转动副光栅座可改变光栅副之间的交角其角位置由角度读数盘读出。 基本原理 1、莫尔条纹现象 两只光栅以很小的交角相向叠合时,在相干或非相干光的照明下在叠合面上将出现明暗相间的条纹称为莫尔条纹。乐橙国际官网莫尔条纹现象是光栅传感器的理论基础它可以用粗光栅或细光栅形成。栅距远大于波长的光栅叫粗光栅栅距接近波长的光栅叫细光栅。 1.1 直线光栅 两只光栅常数相同的光栅其刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角 ,则由于挡光效应刻线/mm或光的衍射作用刻线/mm 在与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹如图 1。 若主光栅与指示光栅之间的夹角为 光栅栅距为 w则相邻莫尔条纹之间的距离 B 为 图 7 副光栅滑座 1.读数位置 2.摄像头 3.角度读数盘 4.副光栅 5.视频接头 图 1 直线sinwwB 由上式可知当改变光栅夹角 莫尔条纹宽度 B 也将随之改变。 若主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距 w莫尔条纹移动一个条纹间距 B。因此莫尔条纹可以将很小的光栅位移同步放大为莫尔条纹的位移。 当得到莫尔条纹相对移动的个数x 莫尔条纹有如下主要特性 N 就可以得到光栅相对移动的位移 x 为Nw (1) 条纹的移动与光栅的相对运动方向相对应 在保持两光栅交角一定的情况下使一个光栅固定另一个光栅沿栅线的垂直方向运动则莫尔条纹将沿栅线方向移动。若光栅反向运动则莫尔条纹的移动方向也相应反向。 (2) 位移放大作用 当两光栅交角 很小时相当于把栅距w 放大了 1/ 倍。当闸莫尔条纹。 (3) 同步性 光栅运动一个栅距w 莫尔条纹相应移动一个条纹间距。 0时B,称为光1.2 径向圆光栅 径向圆光栅是指大量在空间均匀分布都指向圆心的刻线 是两只节距角 相同即21的径向光栅相向叠合产生的莫尔条纹。 若两光栅的刻划中心相距为 2S  则莫尔条纹满足如下方程 2222tan1tantanNNSNSyx 因此莫尔条纹有如下特点 1莫尔条纹位一组不同半径的圆方程圆心位置为NStan, 0半径为NNStan1tan2。所有的圆均通过两光栅的中心(S ,0 )和(-S ,0 )。 2条纹的曲率半径随位置不同而变化靠近外面的曲率半径较大靠近光栅中心的曲率半径较小。乐橙国际官网, 3当其中一只光栅转动时圆族将向外扩张或向内收缩。每转动 1 个节距角莫尔条纹移动一个条纹宽度。 图 2 径向圆光栅莫尔条纹 1.3 切向光栅 切向圆光栅是由空间分布均匀且都与 1 个半径很小的同心圆单向相切的众多刻线(A)所示。切向光栅的栅线都切于一个小圆。两只小圆半径均为r 节距角均为 的切向光栅相向同心叠合其莫尔条纹满足的方程为 2 它们是一组同心圆环如图 3(B)所示。 222Nryx ZKY-GS 光栅传感实验仪特性值及特性曲线 测量直线光栅的光栅常数计算成像系统放大率 ①打开电源 调节摄像头的上下位置使监视器上出现清晰的直线光栅条纹。 转动摄像头使光栅栅线与监视器纵向刻划线平行。 ②转动手轮通过读游标初始位置和末位置的刻度读数测出 10 个光栅条纹间隔对应的距离0d 。 1 2 3 4 游标初始位置1 d (cm) 8.90 9.55 10.20 8.70 游标末位置 1 d (cm) 9.35 10.05 10.75 9.20 0d =1 d -1 d (cm) d 0.45 0.60 0.55 0.50 00.525 图 3(A)切向圆光栅 图 3(B) 切向光栅莫尔条纹 0 d为根据测量数据算出的几组0 d值取其平均值。 ③从监视器上读出 10 个光栅条纹间隔距离s d 计算成像系统的放大率k 。 2 3 1 4 5 顺指针转动手轮 s d (cm) 5.25 s d (cm) 4.95 5.20 5.25 5.27 5.25 逆指针转动手轮 4.90 4.92 4.90 4.92 s d 5.081 相邻栅线间距s d 为测量出的几组s d 值取其平均值。 d 由此计算成像系统的放大率100dks2 观察直线光栅的莫尔条纹并测试其特性 ①安装好直线副光栅。 ②慢慢旋转副光栅以改变两光栅的夹角  每改变 5记录 1 条莫尔条纹在监视器上的宽度s并计算莫尔条纹的实际宽度s dsdk4 sB0。 1 2 3 5 6 7 8 光栅盘旋转角度 条纹宽度s (顺时针)cm 5.80 莫尔条纹实际宽度B 条纹宽度s (逆时针)cm 3.50 莫尔条纹实际宽度B 以B 为纵坐标1/ 为横坐标作图。 光栅常数25 10 15 20 25 30 35 40 2.30 1.50 1.30 0.80 0.70 0.60 0.55 0.580 0.230 0.150 0.130 0.080 0.070 0.060 0.055 1.80 1.20 0.90 0.60 0.58 0.50 0.46 0.350 0.180 0.120 0.090 0.060 0.058 0.050 0.046 d 根据原理可知有如下关系   图表 1 由此可知图像的斜率即为027222``2`22 ddd ③验证条纹的移动与光栅的相对运动方向相对应 顺时针转动手轮时 荧光屏上的条纹向左移动逆时针转动手轮时条纹向右移动。 3 利用直线光栅测量线位移 ①使主光栅和副光栅成一定夹角  调节摄像头的上下位置使监视器上出现清晰的莫尔条纹图案。 ②转动光栅盘使副光栅沿轨道运动。每移动 1 个莫尔条纹记录副光栅的位置。 游标初始位置 9.80 cm 莫 尔 条纹 变 化数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 游 标 读数(cm) 9.85 9,90 9.95 10.00 10.05 10.10 10.15 10.20 10.22 10.28 位移量 dcm 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.42 0.48 以莫尔条纹变化的数目 N 为横坐标位移量 y 为纵坐标作图 图表 2 用端基法求得其非线性误差     5. 观察径向光栅的莫尔条纹并测试其特性 ①. 安装好径向副光栅调节摄像头的上下位置使监视器上出现清晰的莫尔条纹图案。注意主光栅和副光栅要相向放置。 ②. 调节两光栅中心距 使之出现莫尔条纹 观察并描绘莫尔条纹图案的对称性及圆半径的变化。 ③. 改变两光栅刻划中心的间距,顺时针移动时曲率半径增大当两光栅中心重合时达到最大继续移动则变小逆时针曲率半径变化与顺时针移动一样。 ④. 转动手轮移动副光栅当从左接近主光栅向右即顺时针转动手轮时条纹向外辐射相反方向移动时条纹向内辐射。 6. 切向光栅莫尔条纹观察及其特性测试 注意主光栅和副光栅要相向放置。 ②. 转动手轮使两光栅同心观察并描绘莫尔条纹图案。 ①. 安装好切向副光栅调节摄像头的上下位置使监视器上出现清晰的莫尔条纹图案。 ③. 转动手轮移动副光栅顺时针转动手轮时条纹向外辐射逆时针转动时条纹向内收缩。 7. 利用径向光栅莫尔条纹测量角位移 ①. 使两光栅中心相距一定距离  调节摄像头的上下位置使监视器上出现清晰的莫尔条纹图案。 ②. 顺时针转动副光栅每移动 5 个莫尔条纹记录副光栅的角位置直至 30 个条纹为止。 ③. 逆时针转动副光栅每移动 5 个莫尔条纹记录副光栅的角位置直至 30 个条纹为止。 以莫尔条纹变化的数目 N 为横坐标角度变化量 为纵坐标作图 莫尔条纹移动个数N 5 10 15 20 25 30 转动角度 顺时针 5 10.5 15.5 20.5 26 31 转动角度 (逆时针) 5 10 15.3 20.4 25.5 30.5 平均值度 5 1025 154 2045 2575 3075 图表 3 以端基法计算其非线性误差     8. 利用切向光栅莫尔条纹测量角位移 ①. 使两光栅中心相距一定距离 调节摄像头的上下位置使监视器上出现清晰的莫尔条纹图案。 ②. 顺时针转动副光栅每移动 5 个莫尔条纹记录副光栅的角位置直至 30 个条纹为止。 ③. 逆时针转动副光栅每移动 5 个莫尔条纹记录副光栅的角位置直至 30 个条纹为止。 莫尔条纹移动个数N 5 10 15 20 25 30 转动角度顺时针 5 10 14.5 19.9 24.5 29.5 转动角度 (逆时针) 5 10.2 14.8 19.5 24.4 29.3 平均值度 5 10.1 14.65 19.7 24.45 29.4 以莫尔条纹变化的数目 N 为横坐标角度变化量 为纵坐标作图 图表 4 以端基法计算其非线性误差     小结 光栅传感器的研究已经相当成熟许多研究成果在各行业领域都有着广泛的应用。ZKY-光栅试验仪旨在了解光栅的基本原理和相关参数 增强实验者对光栅基本原理及相关数据的理解计算能力。 在研究过程中发现了一些弊端 副光栅基座的上下可调节限制太大光栅视窗契合度不够好 导致荧屏图像或者不清晰 或者大小不够观察到整个莫尔条纹的情况。光栅滑座下的背光灯亮度和颜色不应该固定,可调的亮度和颜色可以使得图片取样结果更好。如果相应的做出一些修改对实验者的进一步实验研究将有很大帮助。 参考文献 ZKY-GS 光栅传感实验仪实验指导及操作说明书 非线性度的测量计算和线性补偿渡少文赵伴香 变间距光栅设计、制作及其在位移传感器中的应用研究楼俊中国科技大学 改善莫尔条纹细分精度的硬件实现王君立,隗海林,刘琳 传感器原理及应用王化祥张淑英

  2017年安徽财经大学金融学818西方经济学(微观经济学70%、宏观经济学30%)之西方经济学(宏观部分)考研强化模拟题

  2017年首都医科大学附属北京安定医院620心理学专业基础综合之普通心理学考研导师圈点必考题汇编

  2017年苏州大学社会学院659中国史专业基础综合之中国现代史考研仿线年中南民族大学生命科学学院623生物化学考研导师圈点必考题汇编

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