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求：設(shè)計(jì)一種光電檢測(cè)儀測(cè)物體振動(dòng)頻率 (急?。。。?！)

利用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法，選擇合適的光電器件，設(shè)計(jì)一種方法測(cè)量較高頻率彈性振動(dòng)。: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-09-03

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一、利用光電傳感器測(cè)量振動(dòng)的原理：振動(dòng)過程中，需要測(cè)量的參數(shù)是振幅、頻率以及加速度等，圖1示出測(cè)試方法的一部分。在圖1（a）中，重物2懸掛于彈簧1，光源3發(fā)出的光線通過光闌4、鏡5反射后投至光電器件6。重物2振動(dòng)時(shí)，鏡子5也隨著振動(dòng)，因而引起光電器件6上光通量的變化。圖1（b）中，光電傳感器帶有棱鏡5與重物2一起振動(dòng)。若光電器件6上的光通量增大時(shí)，另一光電器件6'上的光通量減少，反之亦然。兩光電器件接成橋式電路，因而靈敏度和穩(wěn)定性較好。在圖1（c）中的光電傳感器有成對(duì)的光柵5與5'。光柵5固定不動(dòng)，光柵5'隨著重物2上下振動(dòng)，因而投射于光電器件6的光通量也隨著而變化，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高，適用于對(duì)小位移的測(cè)量。用光電傳感器測(cè)量振動(dòng)的原理圖圖2（a）示出測(cè)量旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理。在軸或旋轉(zhuǎn)體2的旁邊安裝不動(dòng)的遮光物3，它的高低可以用螺絲上下移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)體2不動(dòng)時(shí)，它的母線與遮光物3間形成寬為的縫隙。若旋轉(zhuǎn)體不對(duì)稱或者偏心，則轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)縫隙的寬度要變化，因而由光源1發(fā)出照射于光電器件4的光通量以及由它產(chǎn)生的光電流也變化，經(jīng)過放大后由記錄器記錄或者示波器顯示，這樣就可以測(cè)試出旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)的頻率和振幅。利用縫隙大小變化測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的振動(dòng)為了提高儀器的靈敏度，可以采用兩個(gè)光電器件。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)時(shí)使一個(gè)光電器件上的電流增大，另一個(gè)光電器件上的電流減小，其原理如圖當(dāng)旋轉(zhuǎn)體4不振動(dòng)時(shí)，光源1發(fā)出的光線經(jīng)過鏡2、3反射后至光電器件5、6上的光通量相等。由于電橋這時(shí)被調(diào)整成平衡，放大器7中無輸入信號(hào)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體垂直方向振動(dòng)時(shí)，軸上面的縫隙增大時(shí)，下面的縫隙減?。ɑ蚍粗虼斯怆娖骷?、6上的光通量不同，電橋失去平衡，有電壓輸出，經(jīng)過放大器7放大后可以由計(jì)量器8記錄下來。激光測(cè)量高層建筑振動(dòng)的示意圖圖所示的是用激光束來測(cè)定高層建筑風(fēng)振位移和頻率的示意圖，整套裝置由發(fā)射和接收兩大部分組成。激光發(fā)射部分1放置在建筑物旁的靜止地基上，功率為0.4~1毫瓦，由單模氦氖激光器發(fā)出發(fā)射角為弧度的光束，經(jīng)內(nèi)調(diào)焦發(fā)射望遠(yuǎn)鏡2、直角棱鏡3反射到建筑物頂部的接收靶4上。接收部分安裝在建筑物的頂部，由接收靶4、放大和運(yùn)算器5、記錄和示波器6、等部分組成。接收靶由四塊或兩塊光電池的中間，差動(dòng)放大無輸出。當(dāng)建筑物因風(fēng)力等原因振動(dòng)時(shí)，光斑在靶中的位置改變，經(jīng)放大和運(yùn)算后就可以由記錄器或者示波器顯示出它的波形來。二、利用光柵和示波器測(cè)量微小的振動(dòng)利用光柵和示波器測(cè)量微小振動(dòng)圖示出利用光柵和示波器測(cè)量微小振動(dòng)的原理。由光源1發(fā)出的光線通過透鏡2平行射向光柵3和4，光柵3和4上每一毫米有100條刻線。光柵3固定不動(dòng)，動(dòng)光柵4隨被測(cè)振動(dòng)體而振動(dòng)，安裝時(shí)使光柵3的刻線相對(duì)于光柵4的刻線傾斜一微小的角度，它們?cè)谄叫泄庹丈湎滦纬赡獱枟l紋。當(dāng)動(dòng)光柵4相對(duì)于定光柵3垂直于刻線反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將向平行于光柵刻線的方向移動(dòng)。光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵節(jié)距，莫爾條紋就隨著移動(dòng)一個(gè)條紋的寬度。莫爾條紋的變化由光電器件接收，借助于棱鏡和透鏡的組合5把各自的視場(chǎng)分別投射于光電器件6、7、8、9，光電器件的布置使它們得到的信號(hào)各相差90度，這些信號(hào)再經(jīng)過各自的放大器10、11、12、13放大后加于電子射線管14的垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板。設(shè)光電器件6、8的信號(hào)相位相反，經(jīng)過放大后，加于水平偏轉(zhuǎn)板；光電器件7、9的信號(hào)相位相反，經(jīng)放大后加于垂直偏轉(zhuǎn)板。當(dāng)可動(dòng)光柵4隨著被測(cè)對(duì)象振動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的明暗區(qū)域不斷變化，光電器件得到的照度不斷變化，根據(jù)示波器李薩如圖形的原理，經(jīng)過放大后，在電子射線管14的屏上呈現(xiàn)出圓弧，圓弧的弧長(zhǎng)正比于振動(dòng)的幅度。當(dāng)圓弧閉合形成一個(gè)圓時(shí)，振動(dòng)的振幅等于光柵的節(jié)距。因此如果在射線管的屏幕上預(yù)先標(biāo)出圓弧角，則可以從弧長(zhǎng)測(cè)知振動(dòng)幅度的大小。三、干涉測(cè)振法測(cè)量機(jī)械振動(dòng)的干涉裝置，可以選用邁克爾遜干涉儀。干涉條紋的光強(qiáng) 可以參考光束和測(cè)量光束的光強(qiáng) 和的合成求得（設(shè)不計(jì)反射等損耗）：式子中：ψ--參考光束和測(cè)量光束之間的相位差；λ--單色光波長(zhǎng)； --固定的參考鏡和分光棱鏡之間的距離； --可動(dòng)的測(cè)量鏡與分光棱鏡之間的距離；χ--測(cè)量物隨波測(cè)物振動(dòng)而移動(dòng)的距離。若被測(cè)物作諧振動(dòng)，即代入得，再把代入得到干涉條紋光強(qiáng)的變化部分為。設(shè)光電器件工作在線性區(qū)，則輸出交變的光電信號(hào)為：x與u波形之間的關(guān)系X與u的波形見上圖，光電信號(hào)u是一個(gè)以為周期的調(diào)制波。這是由于光電信號(hào)的頻率等于干涉條紋明暗變化的頻率，有就是說與振動(dòng)位移的速度成正比。在振動(dòng)位移的上極限位置、 …和下極限位置、 …處，移動(dòng)速度最小，干涉條紋移動(dòng)也最慢，瞬時(shí)頻率最小，光電信號(hào)的密度最疏；在振動(dòng)位移的平衡位置、 …處，移動(dòng)速度最快，干涉條紋移動(dòng)也最快，瞬時(shí)頻率最高，光電信號(hào)的密度最大。若可動(dòng)測(cè)量鏡移動(dòng) ，光束來回往返就變化了，干涉光亮暗變化一次，即可得一個(gè)脈沖。與之間的時(shí)間為振動(dòng)周期，振動(dòng)一個(gè)周期相當(dāng)于變化，因此振動(dòng)一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖數(shù) 可以如下求出：，或者由計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù) 可以求出振動(dòng)的振幅：由于激光的單色性、相干性和波長(zhǎng)的穩(wěn)定性好，所以激光干涉測(cè)振儀已經(jīng)作為各國振動(dòng)計(jì)量的較高基準(zhǔn)。利用激光測(cè)振，由于其波長(zhǎng)誤差很小（＜），所以可以忽略不計(jì)。所以測(cè)量的精度取決于計(jì)數(shù)精度。計(jì)數(shù)精度決定于光電信號(hào)的信噪比（是誤計(jì)的主要因素）和振幅不能被除盡時(shí)的小數(shù)部分記數(shù)精度。對(duì)于后者可以采用若干周期平均的方法來提高。當(dāng)振動(dòng)頻率為時(shí)，計(jì)數(shù)器記取的條紋頻率為：，令記數(shù)頻率與被測(cè)振動(dòng)頻率之比為"頻率比 "：，因此，可以得到被測(cè)振幅與之間的關(guān)系：，實(shí)際測(cè)量中，用計(jì)數(shù)器記取條紋變化頻率時(shí)，是由被測(cè)振動(dòng)頻率控制的計(jì)數(shù)器門電路記取的，所以計(jì)數(shù)器的顯示數(shù)便是頻率比，由已知光源波長(zhǎng) ，便可以求出。圖（a）為測(cè)振儀的原理圖，圖（b）為測(cè)振儀計(jì)數(shù)器的方框圖。計(jì)數(shù)器的控制邏輯是：被測(cè)諧振動(dòng)由拾振器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大以及整形器（2）形成振動(dòng)脈沖，送到受觸發(fā)器（2）控制的門（2）。當(dāng)采樣脈沖發(fā)生器發(fā)來一個(gè)采樣脈沖使觸發(fā)器（2）翻轉(zhuǎn)而將門（2）分成兩路：一路使觸發(fā)器（1）翻轉(zhuǎn)而將門（1）打開，讓干涉條紋光電信號(hào)經(jīng)過放大以及整形器（1），通過門（1）進(jìn)入計(jì)數(shù)器，開始計(jì)數(shù)；另一路到分頻器，分頻器是根據(jù)所要求平均的振動(dòng)周期數(shù)進(jìn)行動(dòng)作的。例如采用8個(gè)振動(dòng)周期，就采用9個(gè)分頻。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)振動(dòng)脈沖將門（1）打開開始計(jì)數(shù)后，直到第9個(gè)振動(dòng)脈沖進(jìn)入分頻器時(shí)，分頻器才有一個(gè)脈沖輸出。這個(gè)分頻脈沖分別加到觸發(fā)器（1）和（2），使它們翻轉(zhuǎn)，而將門（1）和（2）同時(shí)關(guān)掉，是使連續(xù)而來的振動(dòng)脈沖不能再打開門（1），起到了自鎖作用。此時(shí)，數(shù)碼管顯示一次Rf讀數(shù)值。當(dāng)采樣脈沖發(fā)生器輸出下一個(gè)脈沖時(shí)，一方面使計(jì)數(shù)器和分頻器復(fù)零，同時(shí)又使門（2）打開，重復(fù)上述測(cè)量過程。詳情見《光電檢測(cè)原理應(yīng)用》，大點(diǎn)兒的圖書館里都應(yīng)該有。: 回答者：網(wǎng)友

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