光栅位移测试系统
实验报告格式要求
一. 实验题目名称:光栅位移测试系统
二. 实验目的、任务和要求:
1.目的：应用VHDL语言编写出一套测试系统程序以实现对光栅的位移测量及方向的
辨别。
2.任务和要求：对两列因明暗变化而产生高低电位不同的电信号进行处理，能根据
提供的两列相位差为π/2的电信号，计算出光栅的位移量和方向。
三.实验系统结构设计分析
1.模块划分思想和方法：
原理简述：
光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。
光栅主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距
使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d(取d＝W 2/λ，W为栅距，λ为有效光波长)，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。
若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出
将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。
划分思想：
注意到无论可动光栅片是向左或向右移动，在一固定点观察时，莫尔条纹同样都是作明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法判别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加人辨向电路。
在图所示的光栅辨向原理中，两个相隔1／4莫尔条纹间距的光电元件，将各自得到相差π／2的电信号u1和u2。它们经整形转换成两个方波信号u1’和u2’。从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲(图中充填的脉冲)正好发生在u2’处于“l”电平时，从而经Y l输出一个计数脉冲；而u1’经反相并微分后产生的脉冲(图中未充填的脉冲)则与u
2’的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。当光栅沿C方向移动时，u1’的微分脉冲发生在u2’为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1’的反相微分脉冲则发生在u2’的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。u2’的电平状态实际上是与门的控制信号，移动方向不同，u1’所产生的计数脉冲的输出路线也不同。于是可以根据运动方向正确地对位移量进行相加或相减。
划分方法：
可将系统分为
1.测向辨别
2.对应两方向位移计数
3.两方向位移量汇总得出总位移及方向。
2.模块框图和作用; 模块引脚定义和作用.
四.实验代码设计以及分析:
按模块完成的代码及注释.
1.测向
process(u1)
variable t1:std_logic_vector(1 downto 0):="00";“用来标识的变量”
begin
if (u1'event and u1='1') then “u1上升沿时”
if (u2='1') then “u2为一”
t1:="01"; “表示正向”
elsif (u2='0') then
t1:="10"; “表示反向”
else t1:="00"; “其他情况”
end if;
side<=t1; “用side输出”
end if;
end process;
2统计位移数及方向
process(count1,count2)
begin
if(count1>count2)then “正向位移数多” count<=count1-count2;
direction<='1';
else “反向位移数多” count<=count2-count1;
direction<='0';
end if;
end process;
3正向计数器
process(clr,u1)
begin
if(clr='1')then “清零”
count1<=(others=>'0');
elsIF(u1'event AND u1='1') THEN “为正向时” if(u2='1') then
count1<=count1+'1';
end if;
END IF;
end process;
4方向计数器
process(u1,clr)
begin
if(clr='1')then “清零”
count2<=(others=>'0');
elsIF(u1'event AND u1='1') THEN “为反向时”
if(u2='0') then
count2<=count2+'1';
end if;
END IF;
end process;
五.仿真图(输入输出波形)以及分析:
六.实验问题分析和经验总结:
本次试验完成的过程中遇到了两个瓶颈。
第一个是对原理的理解，由于涉及物理背景，转化为问题时遇到困难。在刚接到这个实验时，我们对该实验的物理原理进行了大讨论。由于提供的实验简要原理中的描述存在歧义，使我们无法掌握其真正的物理过程，从而对实验无从下手。例如：两个光栅的相对位置，摆放位置等；莫尔条纹的形成与移动；为何需要两个光电信号来接收？两个接收器的位置分别怎样摆放的？如何对两列波信号做出处理分析，得出想要的结果。
第二个是在程序编写调试的过程中出现了很多错误。由于VHDL语言与C语言有较大的不同，在涉及到硬件方面的信号传递时时常出错，总是有种按C语言的逻辑来判断程序的正确性，结果总是无法编译通过。在信号的延迟上也吃了不少的苦头，不过最后经过合力的讨论和思考实践最终解决，顺利完成了系统。
七.参考资料:
《VHDL硬件描述语言与逻辑电路设计》
网络资源：GOOGLE搜索
物理实验报告记录《用分光计和透射光栅测光波波长》
物理实验报告记录《用分光计和透射光栅测光波波长》
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3 精选范文:物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》(共2篇)【实验目的】 观察光栅的衍射光谱，掌握用分光计和透射光栅测光波波长的方法。 【实验仪器】 分光计，透射光栅，钠光灯，白炽灯。 【实验原理】 光栅是一种非常好的分光元件，它可以把不同波长的光分开并形成明亮细窄的谱线。 光栅分透射光栅和反射光栅两类，本实验采用透射光栅，它是在一块透明的屏板上刻上大量相互平行等宽而又等间距刻痕的元件，刻痕处不透光，未刻处透光，于是在屏板上就形成了大量等宽而又等间距的狭缝。刻痕和狭缝的宽度之和称为光栅常数，用d 表示。 由光栅衍射的理论可知，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上时，透过每一狭缝的光都会发生单缝衍射，同时透过所有狭缝的光又会彼此产生干涉，光栅衍射光谱的强度由单缝衍射和缝间干涉两因素共同决定。用会聚透镜可将光栅的衍射光谱会聚于透镜的焦平面上。凡衍射角满足以下条件 k = 0， ±1， ±2， … (10) 的衍射光在该衍射角方向上将会得到加强而产生明条纹，其它方向的光将全部或部分抵消。式（10）称为光栅方程。式中d 为光栅的光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。当k=0时，θ= 0得到零级明纹。当k = ±1， ±2 …时，将得到对称分立在零级条纹两侧的一级，二级 … 明纹。 实验中若测出第k 级明纹的衍射角θ，光栅常数d 已知，就可用光栅方程计算出待测光波波长λ。 【实验内容与步骤】 1．分光计的调整 分光计的调整方法见实验1。 2．用光栅衍射测光的波长 （1）要利用光栅方程(10)测光波波长，就必须调节光栅平面使其与平行光管和望远镜的光轴垂直。先用钠光灯照亮平行光管的狭缝，使望远镜目镜中的分划板上的中心垂线对准狭缝的像，然后固定望远镜。将装有光栅的光栅支架置于载物台上，使其一端对准调平螺丝a ，一端置于另两个调平螺丝b 、c 的中点，如图12所示，旋转游标盘并调节调平螺丝b 或c ，当从光栅平面反射回来的“十”字像与分划板上方的十字线重合时，如图13所示，固定游标盘。 物理实验报告 ·化学实验报告 ·生物实验报告 ·实验报告格式 ·实验报告模板图12 光栅支架的位置 图13 分划板 （2）调节光栅刻痕与转轴平行。用钠光灯照亮狭缝，松开望远镜紧固螺丝，转动望远镜可观察到0级光谱两侧的±1、±2 级衍射光谱，调节调平螺丝a （不得动b 、c ）使两侧的光谱线的中点与分划板中央十字线的中心重合，即使两侧的光谱线等高。重复（1）、（2）的调节，直到两个条件均满足为止。 （3）测钠黄光的波长 ① 转动望远镜，找到零级像并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ0和θ0/，并记入表 4 中。 ② 右转望远镜，找到一级像，并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ右和θ右/，并记入表4中。 ③ 左转望远镜，找到另一侧的一级像，并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ左和θ左/，并记入表4中。 3．观察光栅的衍射光谱。 将光源换成复合光光源（白炽灯）通过望远镜观察光栅的衍射光谱。 【注意事项】 1．分光计的调节十分费时，调节好后，实验时不要随意变动，以免重新调节而影响实验的进行。 2．实验用的光栅是由明胶制成的复制光栅，衍射光栅玻璃片上的明胶部位，不得用手触摸或纸擦，以免损坏其表面刻痕。 3．转动望远镜前，要松开固定它的螺丝；转动望远镜时，手应持着其支架转动，不能用手持着望远镜转动。 【数据记录及处理】 表4 一级谱线的衍射角 零级像位置 左传一级像 位置 偏转角 右转一级像 位置 偏转角 偏转角平均值 光栅常数 钠光的波长λ0 = 589·3 nm 根据式（10） k=1， λ= d sin 1= 相对误差 【思考题】 1． 什么是最小偏向角？如何找到最小偏向角？ 2． 分光计的主要部件有哪四个？分别起什么作用？ 3． 调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴时很重要的一项工作是什么？如何才能确保在望远镜中能看到由双面反射镜反射回来的绿十字叉丝像？ 4． 为什么利用光栅测光波波长时要使平行光管和望远镜的光轴与光栅平面垂直？ 5． 用复合光源做实验时观察到了什么现象，怎样解释这个现象？ [物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》(共2篇)]篇一：物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》 物理实验报告《用分光计和透 射光栅测光波波长》 【实验 目的】
位移测量系统的设计
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
光栅式位移测量仪的设计
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
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。
光栅光谱仪实验报告
光栅光谱仪的使用 学号 2015212822 学生姓名张家梁 专业名称应用物理学（通信基础科学） 所在系（院）理学院 2017 年 3 月 14 日
光栅光谱仪的使用 张家梁 1 实验目的 1.了解光栅光谱仪的工作原理。 2.学会使用光栅光谱仪。 2实验原理 1. 光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。 光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和CCD 来接收出射光。 2. 光探测器 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。
CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理单元。对光敏感的CCD 常用作图象传感和光学测量。由于CCD 能同时探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。 3. 闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（Φ=90°）光栅衍射的一般特性。当入射角Φ=90°时，衍射强度公式为 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定，只不过此时 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取＋号，异侧时取－号。单缝衍射中央主极大的条件是u=0，即sinΦ=-sinθ或Φ=θ。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足v＝0，即0 级干涉大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0 级大位置是重合的（图9.1a），光栅衍射强度大的峰是个波长均不发生散射的0 级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。 为了提高信噪比，可以采用锯齿型的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状
1实验一-双光栅测量微弱振动位移量
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
光栅衍射实验报告
光栅衍射实验 系别 精仪系 班号 制33 姓名 李加华 学号 2003010541 做实验日期 2005年05月18日 教师评定____________ 一、0i =时，测定光栅常数和光波波长 光栅编号：___2____；?=仪___1’___；入射光方位10?=__7°6′__；20?=__187°2′__。 由衍射公式，入射角0i =时，有sin m d m ?λ=。 代入光谱级次m=2、绿光波长λ=546.1及测得的衍射角m ?=19°2′，求得光栅常数 ()2546.13349sin sin 192/60m m nm d nm λ??= ==+? cot cot 2m m m d d ?????==?=? ()4cot 192/601/60 5.962101802180ππ-????=+??=? ? ????? 445.96210 5.962103349 1.997d d nm nm --?=??=??= ()33492d nm =± 代入其它谱线对应的光波的衍射角，得 ()3349sin 2013/60sin 578.72 m nm d nm m ?λ?+?===黄1
()3349sin 209/60576.82 nm nm λ?+? = =黄2 ()3349sin 155/60435.72 nm nm λ?+?==紫 λ λ?== 578.70.4752nm nm λ?==黄1 576.80.4720nm nm λ?= =黄2 435.70.4220nm nm λ?==紫()578.70.5nm λ=±黄1，()576.80.5nm λ=±黄2，()435.70.4nm λ=±紫 由测量值推算出来的结果与相应波长的精确值十分接近，但均有不同程度的偏小。由于实验中只有各个角度是测量值（给定的绿光波长与级数为准确值），而分光计刻度盘读数存在的误差为随机误差，观察时已将观察显微镜中心竖直刻线置于谱线中心——所以猜测系统误差来自于分光镜调节的过程。 二、150'i =?，测量波长较短的黄线的波长 光栅编号：___2____；光栅平面法线方位1n ?=__352°7′__；2n ?=__172°1′__。
物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》
物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》 【实验目的】 观察光栅的衍射光谱，掌握用分光计和透射光栅测光波波长的方法。 【实验仪器】 分光计，透射光栅，钠光灯，白炽灯。 【实验原理】 光栅是一种非常好的分光元件，它可以把不同波长的光分开并形成明亮细窄的谱线。 光栅分透射光栅和反射光栅两类，本实验采用透射光栅，它是在一块透明的屏板上刻上大量相互平行等宽而又等间距刻痕的元件，刻痕处不透光，未刻处透光，于是在屏板上就形成了大量等宽而又等间距的狭缝。刻痕和狭缝的宽度之和称为光栅常数，用d 表示。 由光栅衍射的理论可知，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上时，透过每一狭缝的光都会发生单缝衍射，同时透过所有狭缝的光又会彼此产生干涉，光栅衍射光谱的强度由单缝衍射和缝间干涉两因素共同决定。用会聚透镜可将光栅的衍射光谱会聚于透镜的焦平面上。凡衍射角满足以下条件 k = 0，±1，±2， (10) 的衍射光在该衍射角方向上将会得到加强而产生明条纹，其它方向的光将全部或部分抵消。式（10）称为光栅方程。式中d为光栅的光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。当k=0时，θ= 0得到零级明纹。当k = ±1，±2 …时，将得到对称分立在零级条纹两侧的一级，二级… 明纹。
实验中若测出第k级明纹的衍射角θ，光栅常数d已知，就可用光栅方程计算出待测光波波长λ。 【实验内容与步骤】 1．分光计的调整 分光计的调整方法见实验1。 2．用光栅衍射测光的波长 （1）要利用光栅方程(10)测光波波长，就必须调节光栅平面使其与平行光管和望远镜的光轴垂直。先用钠光灯照亮平行光管的狭缝，使望远镜目镜中的分划板上的中心垂线对准狭缝的像，然后固定望远镜。将装有光栅的光栅支架置于载物台上，使其一端对准调平螺丝a ，一端置于另两个调平螺丝b、c的中点，如图12所示，旋转游标盘并调节调平螺丝b或c ，当从光栅平面反射回来的“十”字像与分划板上方的十字线重合时，如图13所示，固定游标盘。 物理实验报告·化学实验报告·生物实验报告·实验报告格式·实验报告模板 图12 光栅支架的位置图13 分划板 （2）调节光栅刻痕与转轴平行。用钠光灯照亮狭缝，松开望远镜紧固螺丝，转动望远镜可观察到0级光谱两侧的±1、±2 级衍射光谱，调节调平螺丝a （不得动b、c）使两侧的光谱线的中点与分划板中央十字线的中心重合，即使两侧的光谱线等高。重复（1）、（2）的调节，直到两个条件均满足为止。 （3）测钠黄光的波长 ① 转动望远镜，找到零级像并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ0和θ0/，并记入表4 中。
光栅式位移测量仪的设计(DOC)
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
大学物理实验：双光栅测量微弱振动位移量
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
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
分光计调整及光栅常数测量实验报告南昌大学
分光计调整及光栅常数测量实验报告南昌大学
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南昌大学物理实验报告 课程名称：大学物理实验 实验名称：光栅衍射实验 学院: 机电工程学院专业班级: 能源与动力工程１６2班 学生姓名：韩杰学号：5９02616051 实验地点：基础实验大楼座位号:
一、实验目的: 1.进一步掌握调节和使用分光计的方法。 2.加深对分光计原理的理解。 3．用透射光栅测定光栅常数。 二、实验原理： 分光镜，平面透射光栅，低压汞灯(连镇流器 三、实验仪器： 光栅是由一组数目很多的相互平行、等宽、等间距的狭缝(或刻痕)构成的,是单缝的组合体,其示意图如图1所示。原制光栅是用金刚石刻刀在精制的平面光学玻璃上平行刻划而成。光栅上的刻痕起着不透光的作用，两刻痕之间相当于透光狭缝。原制光栅价格昂贵,常用的是复制光栅和全息光栅。图1中的为刻痕的宽度, 为狭缝间宽度, 为相邻两狭缝上相应两点之间的距离,称为光栅常数。它是光栅基本常数之一。光栅常数的倒数为光栅密度,即光栅的单位长度上的条纹数,如某光栅密度为10０0条/毫米,即每毫米上刻有1０00条刻痕。 图1光栅片示意图图２光线斜入射时衍射光路图3光栅衍射光谱示意图图４载物台 当一束平行单色光垂直照射到光栅平面时,根据夫琅和费衍射理论,在各狭缝处将发生衍射,所有衍射之间又发生干涉,而这种干涉条纹是定域在无穷远处,为此在光栅后要加一个会聚透镜，在用分光计观察光栅衍射条纹时,望远镜的物镜起着会聚透镜的作用，相邻两缝对应的光程差为 (1） 出现明纹时需满足条件 （2） (2）式称为光栅方程，其中: 为单色光波长;k为明纹级数。 由(2)式光栅方程，若波长已知,并能测出波长谱线对应的衍射角,则可以求出光栅常数d。 在=0的方向上可观察到中央极强,称为零级谱线,其它谱线,则对称地分布在零级谱线的两侧,如图3所示。 如果光源中包含几种不同波长，则同一级谱线中对不同的波长有不同的衍射角，从而在不同的位置上形成谱线，称为光栅谱线。对于低压汞灯，它的每一级光谱中有4条谱线: 紫色１＝４3５.8ｎｍ；绿色2＝5４6.１ｎm;黄色两条３=５77.0nｍ和4=579．1nｍ。 衍射光栅的基本特性可用分辨本领和色散率来表征。
1实验一-双光栅测量微弱振动位移量
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
位移检测装置
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。
分光计调整及光栅常数测量实验报告南昌大学
大学物理实验报告 课程名称：大学物理实验 实验名称：光栅衍射实验 学院：机电工程学院专业班级：能源与 动力工程162班 学生：杰学号： 5902616051 实验地点：基础实验大楼座位号：
m m m m m m d d d d ??????tan ln )()ln (2 2?=???=???=? （2）λ的不确定度 sin /m d m λ?= ln ln ln(sin )ln m d m λ?=+- cos ln 1 sin tan ln 1 m m m m d d ?λ???λ?==??=? 22 21( )()tan λ ?λ ???=+?m m d d 由以上推导可知，测量d 时，在m ??一定的情况下，m ?越大d 的偏差越小。但是m ?大时光谱级次高，谱线难以观察。所以要各方面要综合考虑。 而对λ的测量，也是m ?越大不确定度越小。 综上，在可以看清谱线的情况下，应该尽量选择级次高的光谱观察，以减小误差。 6.2 求绿线的d 和λ并计算不确定度 1）二级光谱下： 由sin m m d λ ?= ，代入数据 m ?=19 ，可得 d =3349.1nm 又由 m m m m m m d d d d ??????tan ln )()ln (22?=???=???=?，m ??=2＇得 d ?=3349.1*[2π/(60*180)]/tan(19 )=0.6nm
d =(3349.1±5.7)nm 而实验前已知光栅为300线每毫米，可见测量结果与实际较吻合。 再用d 求其他光的λ： sin /m d m λ?= 22 21( )()tan λ?λ ???=+?m m d d 对波长较长的黄光：?m =20 o 15＇,d=3349nm 代入，可得 λ=579.6nm ，λ?=1.4nm 可以看到，三级谱线下测量后计算的结果教二级谱线下的结果其偏差都更小，与理论推断吻合。 6.3 在i=15 o 时，测定波长较短的黄线的波长。 由 ，m=2，可得： 在同侧：λ=577.9nm 在异侧：λ=575.9nm 6.4 最小偏向角法求波长较长的黄线的波长 由公式： Λ ,3,2,1,0,2 sin 2±±±==m m d λδ 代入数据：m=2,δ= 39o 51＇代入，得 λ=579.4nm 与实际值吻合良好。