基于虚拟仪器的微小位移测量实验_陈禹同.pdf
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1、第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期:基金项目:西南科技大学教育教学改革项目(、);西南科技大学大学生创新基金项目();教育部大学物理教指委教改项目();教育部产学合作协同育人项目()通讯联系人文章编号:()基于虚拟仪器的微小位移测量实验陈禹同,罗 浩,王慧丽(西南科技大学 数理学院,四川 绵阳)摘要:大学物理实验课堂中的通常采用迈克尔逊干涉仪进行微小位移测量,本文利用高灵敏度光电探测器、数据采集卡、精密电控平移台、计算机组成控制、光电转换、数据采集硬件系统,基于 软件编写交互式数据采集和数据处理、存储和显示软件,实现对微小位移的自动测量,测量最小误差可达到。关键词:迈克尔逊干涉;微小位
2、移;虚拟仪器;信号处理中图分类号:文献标志码:大学物理实验投稿网址:微位移测量是测量技术中的一个重要技术,测量的方法有:激光位移传感器测量法、电容位移传感器测量法、干涉法等。干涉法测量以光的波长作为标准量,可以获得高的测量精度和准确度。采用波长细分的方法,干涉法可以达到光波长几分之一或更高的精度。激光干涉仪与计算机技术相结合,在精密测量、精密加工和实时控制等领域获得了广泛的应用。用干涉法测量微小位移是利用干涉场中确定位置干涉条纹的移动数来确定位移量。迈克尔逊干涉仪是大学理工科学生接触到的第一种激光干涉仪,也是大学物理实验中的重要实验。迈克尔逊干涉实验具有光路简单、所需光学元件少、调整方便和便于
3、观察等特点,使学生可以直观地观察光干涉现象,理解光干涉原理。传统的迈克尔逊干涉实验直接或间接通过人眼来观察计数,是典型的光学实验。当人眼长时间观测时,容易视觉疲劳,导致数据稳定性差、误差大。随着光电探测器技术的成熟,多利用各类光电探测器对干涉条纹进行自动计数。目前迈克尔逊干涉条纹自动测量主要有两类:第一类是图像类,使用光敏电阻、阵列、颜色传感器等仪器对条纹进行成像,再通过图像处理技术记录条纹变化数量。但是图像类设备采样率普遍较低,在条纹快速变化时,存在较大误差。第二类是固定点类,使用光电二极管对某一固定单点进行光信号采集,并将光信号转化为电信号,通过信号处理系统直接对信号波形进行计数。此类方法
4、拥有更高采样率和更快的处理速度,但是单点探测器存在巨大噪声干扰,导致数据处理过程较为复杂。采集得到的条纹数据通常使用 等编程软件进行数据处理,但是其编程难度较大,调试维护工作复杂,也不利于大学物理实验的教学。虚拟仪器(,)是由计算机、软件、模块式硬件组合配置后实现了传统的硬件仪器的功能。使用图形化语言和框图形式的编程方式,具有清晰直观易于学习、功能强大、易于调试和维护等特点。本文将迈克尔逊干涉仪与虚拟仪器结合,通过光电二极管收集条纹信号并使用 软件设计信号处理和数据输出装置,构成基于虚拟仪器的激光干涉位移检测综合性实验系统。该系统可以实现对快速的微小位移的快速检测;软件的可视化编程形式更容易被
5、学生接受,便于拓展实验的深度和广度、加深学生对干涉测量应用的理解。融入光电传感器应用、数据采集和处理等知识,可以将之作为综合性设计实验或训练项目,激发学生的学习热情、培养创新能力。原理及装置 干涉测量原理干涉测量基于光波叠加原理。当两束光满足频率、振动方向相同且相位差恒定的条件,两束光会产生干涉现象。在干涉场中任一点的合成光强为()式中:为两束光到达该点的光程差;、分别为两束光的光强;为光波长。由平面反射镜 和 反射的两束光经分束片合束,在探测器光敏面处产生干涉图样。当电动平移台带动平面反射镜 前后移动时,明暗相间的干涉条纹将向外扩展(或向内收缩),并在探测器光敏面中心处“产生”(或“消失”)
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