工作报告之哈工大物理实验报告

哈工大物理实验报告

【篇一：哈工大近代光学实验报告】

《近代光学创新实验》

双曝光全息照相技术介绍

院（系）专业光学工程

学生许祯瑜

学号班号

2013年6月

双曝光全息照相技术介绍

摘要：双曝光全息照相技术是指在拍摄静态全息图曝光过程中，如

果拍摄物产生了微小位移（或微小形变），则这张全息图再现时在

像的表面上就会产生若干条黑条纹，从而可以根据全息图片再现的

物象条纹完成对拍摄物体表面，诸如形变、位移、振动等多种物理

量的研究和测量工作。通过最近几年的发展，全息干涉测量法已经

在无损检测、微小位移或振动的监测等领域得到了广泛的应用，成

为全息照相技术的一个重要分支。

关键词：激光全息干涉技术；双爆光；测量

0 引言

双曝光法即在全息光路布局中，用一张全息底片分别对变形前后的

物体进行两次全息照相。这时，物体在变形前后的两个光波波阵面

相互重叠，固定在一张全息图中。如全息图用拍摄时的参考光照明，再现的干涉条纹图即表征物体在两次曝光之间的变形或位移。双曝

光全息干涉法是简单易行的常用方法，可获得高反差的干涉条纹图。自激光全息术发明以来，激光全息技术的应用领域和范围不断拓展，对相关技术和行业的影响越来越大，尤其是近年来随着激光全息技

术与其它学科技术的综合运用，激光全息技术更展现了它的巨大应

用前景。全息干涉测量技术是全息技术应用于实际的最早也是最主

要的技术之一，它把普通的干涉测量同全息技术结合起来，有如下

特点：

(1) 一般干涉测量只可用来测量形状比较简单的高度抛光表面的工件，而全息干涉测量能够对具有任意形状和粗糙表面的三维表面进行测量，精度可达光波波长数量级。

(2) 由于全息图再现的像具有三维性质，故用全息技术就可以通过干涉测量方法从许多不同视角去观察一个形状复杂的物体，一个干涉测量全息图就相当于用一般干涉测量进行的多次观察。

(3) 全息干涉测量可以对一个物体在两个不同时刻的状态进行对比，因而可以探测物体在一段时间内发生

的任何改变。这样，将此一时刻物体与较早时刻的物体本身加以比较，在许多领域的应用中将有很大优点，特别是适用于任意形状和粗糙表面的测量。

(4) 全息干涉测量的不足之处是其测量范围小，仅几十微米左右。目前，全息干涉测量技术在方法上先后发展了实时全息干涉法（单次曝光法）、双曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法等。双曝光全息干涉测量法原理简单操作方便,是测定物体微小变形的有效方法。

1 实验原理

1）基本原理所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状。双曝光法是将初始物光波面与变形以后的物光波面相比较。在记录过程中对一张全息干板作双曝光，一次是记录初始物光波（标准波面）的全息图；一次是记录变化以后的物光波（变形波面）的全息图。这两张全息图记录在同一张干板上，记录时顺序也可以颠倒。当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的，因而观察到的是她们之间的干涉条纹。通过干涉条纹的分布情况，可以了解波面的变化。

双曝光法的记录与再现光路如图1所示。在底片平面上，参考光波r(x,y)=r0(x,y)exp??i?r(x,y)??，初始物光波

o(x,y)=o0(x,y)exp??i?0(x,y)??，变

i?形后的物光波o(x,y)=o0(x,y)exp?0?(x,y)??。

图1 双曝光全息图的记录与再现

假设两次曝光时间相同，则总的曝光光强为

i(x,y)=o+r+o+r=?(r02+o0)2+or?0e0xp0r)??i(???+or22

?+o0r0exp?-i(?0+o0r0exp?i?-?-?r)?()0r????00exi(??r0)???p?在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率正比于曝光光强

假设用参考光波照明全息图，如图1（b），则在全息图的透射光波中，与原始物光波和变形物光波有关的分量波为

再现的原始物光波前和变形物光波前沿同一方向传播，产生干涉。这时干涉条纹的强度分布为

ii=ccos(?0-?0)

因为变形后的物光波前已经“冻结”在全息图中，在适当照明条件下

就可以通过再现产生干涉条纹，从而给定量分析提供了很大的方便。

[1]

2）几种典型光路图2是透明物体的双曝光光路。用平行光照射物体，其透射光与参考光干涉产生全息图。一次曝光是初始状态的样

品（或不放样品），另一次曝光时样品已发生变化（或放入样品）。图2 透明物体的双曝光光路

参考光r用平面光波或球面波均可。物体用平行光照明时，可以得到像面全息图，即全息干板上记录的是两个波面干涉的像图全息图。

再现时，有两种观察方式，一种如图2（b）所示，用原来的参考光

r照明再现，在小孔e处可观察到整个物面上的条纹；另一种是根据

像面全息的特点，可以用白光直接观察，在合适的方向上可以看到

干涉条纹。暗纹是黑色的，亮纹是彩色的，角度改变时，条纹的彩

色也在变化，但条纹的位置不变。

图3给出了另一种典型的双曝光光路，即漫射光照明的双曝光光路。通常用一块很薄的毛玻璃产生散射光，这样物体可以获得各种方向

的照明。对于参考光同样可以用平面或球面光波。用这种方式所记

录的双曝光全息图，再现时，可在原来记录光路中（挡住物光）再现，也可以用一细激光束从与参考光相反的方向照明，再现的原始

像光波是发散的，可投射到屏上观察。

图3 漫射光照明的双曝光光路

2 双曝光全息照相技术应用

1）双曝光法在平面物体的位移和变形测试方面的应用

用全息干涉法测量不透明物体表面的变化和位移时，可采用如图4

所示光路。

图4 平面物体位移和变形的双曝光光路

2；再现像的干涉条纹如图4（b）所示，n为条纹数目。

2）双曝光技术在光刻术方面的应用

其中一部隐含但是重要的假设是：像质在这种分辨率下几乎完美。

此外，图像的场尺寸必须很大。因此，改善光学分辨率的挑战是显

而易见的。随着双曝光技术的不断发展，这一技术在改变光学分辨

率上将有一定的应用前景。

3）曝光技术在制作光纤光栅器件上的应用

4）双曝光法测量温度场

利用像面全息双曝光法测量温度场，采用像面全息记录，可以使物光聚焦在像面上，能够提高物光强度和干涉条纹的对比度，且可以在白光下再现。采用双曝光法，将像面全息的记录方式和双曝光法结合起来，具有非接触、精度高和全场同时测量等优点，且不会影响原有温度场的分布，可广泛应用于温度场的测量之中。

光学全息法用于温度场的测量，原理是温度的变化会引起空气折射率的变化，进而引起光程差的变化，产生干涉条纹。如果采用像面全息双曝光法，使物光通过温度场（参考光不经过温度场），温度场的变化则会引起折射率变化，使物光光程发生变化。温度相同的地方

【篇二：哈工大微波技术实验报告】

harbin institute of technology

微波技术

实验报告

院系：班级：

姓名：

学号：

同组成员：

指导老师：实验时间：

哈尔滨工业大学

目录

实验一短路线、开路线、匹配负载s参量的测量------------------------------3

实验二定向耦合器特性的测量------------------------------------------------------6

实验三功率衰减器特性的测量-----------------------------------------------------11

实验四功率分配器特性的测量-----------------------------------------------------14

附录一 rf2000操作指南-------------------------------------------------------------19

附录二射频电路基本常用单位------------------------------------------------------23

实验总结------------------------------------------------------------------------------------24

实验一短路线、开路线、匹配负载s参量的测量

一、实验目的

1、通过对短路线、开路线的s参量s11的测量，了解传输线开路、短路的特性。

2、通过对匹配负载的s参量s11及s21的测量，了解微带线的特性。

二、实验原理

s参量

网络参量有多种，如阻抗参量[z]，导纳参量[y]，散射参量[s]等。微波频段

通常采用[s]参量，因为它不仅容易测量，而且通过计算可以转换成

其他参量，

例如[y]、[z]

图1-1

一个二端口微波元件用二端口网络来表示，如图1-1所示。图中，

a1,a2分

别为网络端口“１”和端口“２”的向内的入射波；ｂ1，ｂ2分别为端

口“１”和端口

“2”向外的反射波。对于线性网络，可用线性代数方程表示：

b1=s11a1+s12a2

b2=s21a1+s22a2 (1-1)

写成矩阵形式：

?b1??s11s12??a1???=????

?b2????s21s22????a2?? (1-2)?

式中s11，s12，s21，s22组成[s]参量，它们的物理意义分别为

b1

s11=a1a2=0 “2”端口外接匹配负载时，

“1”端口的反射系数

b2

s21=a1a2=0 “2”端口外接匹配负载时，

“1”端口至“2”端口的传输系数

b1

s12=a2a1=0 “1”端口外接匹配负载时，

“2”端口至“1”端口的传输系数

b2

s22=a2a1=0“2”端口外接匹配负载时，

“1”端口的反射系数

对于多端口网络，[s]参量可按上述方法同样定义，对于互易二端口

网络，

s12=s21,则仅有三个独立参量。

三、实验仪器及装置图

1模组编号：rf2km1-1a (optn/short/thru cal kit)

4 pc机一台，bnc连接线若干

四、实验内容及步骤

（一）开路线（mod-1a）的s11测量

（1）将rf2000与pc机通过rs232连接，接好rf2000电源，开机。启动scope2000软件，软件界面如图所示。

（2）将模块rf2km1-1a的开路端口，即p1端口，与rf2000主机

的sweep/cw1 out端口通过连接线连在一起。模块接好以后，在

rf2000主机的面板上找到“band”键，按“band”把频段选到299-

540mhz的频段（band 3 频率范围为300-500mhz），按rem键进

行连接，当rf2000的lcd画面第一行显示为“sweep !!!!! mhz”，第

二行显示为“---db 299-540”时，此时软件界面显示的为开路状态下300mhz-500mhz时的s11曲线图（如果此时软件界面显示的为s21曲线图，可通过软件界面下方的s11/s21按键进行选择）软件显示

如图：

（3）在曲线图中任意选取九个点，记录下每个点的频率和它所对应

的s11的db值，并在坐标纸上利用所取的点大致画出s11曲线图（在软件界面用鼠标左键单击即可完成取点）。

（二）短路线（mod-1b）的s11测量

（1）将rf2km1-1a模块的短路端口，即p2通过bnc连接线与

rf2000的sweep/cw1 out端子相连，频率的频段选择不变。

（2）此时软件界面显示的为短路状态下300mhz-500mhz时s11

的曲线图同样，若此时软件显示为s21,可通过s11/s21进行选择。（3）在曲线图中任意选取九个点，记录下每个点的频率和它所对应

的s11的db值，并在坐标纸上利用所取的点大致画出s11曲线图（在软件界面用鼠标左键单击即可完成取点）。

（三）匹配负载（mod-1c）的s11及s22的测量

【篇三：哈工大——机械有限元实验报告】

哈尔滨工业大学机电工程学院

实验报告

哈尔滨工业大学机电工程学院 2012年06月

一、实验的目的和意义

“机械结构有限元分析”实验是机械设计制造及其自动化专业开设的

专业限选课实验，是有限元分析教学的一个重要的实践性环节。学

生通过该课程及其实验教学，使学生掌握现代机械设计的一些基本

原理和方法，具有一定的利用已有的有限元分析软件对机械结构进

行静、动态特性分析的能力。掌握机械结构静、动态特性测试的原理、方法和相关的仪器、设备的操作，培养学生理论联系实际和动

手操作的能力。

二、实验的内容与原理 1.典型机械部件的动态测试实验

采用一种典型的振动模态测试方法测试具有不同截面形状的悬臂梁

的模态参数（自振频率和主振型）。

2.有限元分析软件上机实验

测量隔振平台系统的固有频率。改变空气弹簧的刚度，平台的质量（加质量块）测量平台系统固有频率的变化。计算平台的隔振效率。自振模态测试原理

瞬态激励方法

理论基础：脉冲激励的理论基础是采用单位脉冲函数 (t)对被测结构

对象激励。其脉冲的持续时间t-0，则其频率范围为无限大，且是连

续的。在脉冲力宽频信号的激励下，就能把试验对象的所有各阶固

有频率都激发出来。所以，脉冲激励法是一种宽频激励。把脉冲力

和激发出来的响应信号同时输入数字信号处理分析系统的两个通道中，进行模/数转换及滤波后，就可做快速富里叶变换（fft），分析

出它们各自的幅值谱、相位谱和互谱密度函数。再经计算，得出它

们的传递函数和相干函数。捶击法是一种最简便的激励方法。激励

工具仅为一只带有力传感器的敲击锤，一般由人工进行操作，凭借

试验者熟练的敲击手法，就能对被测试件进行脉冲激励。

该方法的优点：激励十分简单易行，无需价格昂贵的仪器设备；试

验时不会对试件产生附加质量、附加刚度等副作用；激励点的选择

不受敲击锤本身结构的限制，可以在不能安装激振器的部位实现激振；能很方便地在生产现场，实施在线诊断的试验；试验数据获得

速度快，效率高。

三、实验方法和步骤 1.自振模态测试方法

根据实验原理可知，脉冲激励法是一种宽频激励。脉冲力宽频信号

的激励能把试验对象的所有各阶固有频率都激发出来。所以，把脉

冲力和激发出来的响应信号同时输入数字信号处理分析系统的两个

通道中，进行模/数转换及滤波后，就可做快速富里叶变换（fft），

分析出它们各自的幅值谱、相位谱。再经计算，可以得出它们的传

递函数和相干函数。实验中采用带有力传感器的敲击锤作为脉冲源，对悬臂梁结构进行激励，同时采用模态参数识别动画过程，获得悬

臂梁结构自振频率和振型。实验中应用了北京波谱世纪科技发展有

限公司生产的usb接口的数据采集系统，如图1和图2所示。

图1 锤击测振系统主要设备

图2锤击测振系统程序主界面

瞬态激励方法测试模态的实验原理如图3所示：

图3 瞬态激励测试模态原理图‘

实验中，首先对某一种截面形状的悬臂梁进行模态测试。按照原理

图连接实验所需要的仪器和设备。将悬臂梁沿着轴向均分，标记均

分的刻度（如：分成10等分）。然后启动锤击测振系统数据采集软件，给定力锤敲击的方向和采样频率和均分点的个数等参数。用力

锤在悬臂梁进行敲击第1点，一点可以敲击多次，并计算平均值。

采用软件记录其幅频和相频特

性曲线。找出共振点的位置，并记录当前的频率值。按照这种方法，顺次以后的几点。最后，获得各点的相对振幅，利用模型动画软件，可以在计算机屏幕上显示该阶振动的振动状态。

2.有限元分析软件上机实验

本上机实验是利用ansys有限元分析软件对3个不同截面形状悬臂

梁试件的静、动态特性进行分析，分析采用solid92实体单元。试验件的二维图如图3-1和图3-2所示。

图4 三个不同截面试验件

图5试验件安装尺寸

软件介绍

ansys是一种广泛性的商业套装工程分析软件，主要用于机械结构

系统受到外力负载后所出现的状态，如位移、应力和振动状态等。ansys有限元分析软件在机械、电机、土木、电子及航空等不同领

域得到了相当广泛的应用，已经成为设计人员不可缺少的工具之一。ansys的使用有两个模式，一是交互模式（interactive mode），

另一是非交互模式（batch mode），初学者及大部分使用者都采用

交互模式。ansys软件用户界面如图3-3所示。

图3-3 ansys软件用户界面

ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型

通用有限元分析软件。由美国ansys公司开发，它能与多数cad软

件接口，实现数据的共享和交换，如pro/engineer， nastran，alogor，ug，autocad等，是现代产品开发中的高级计算机辅助工

具之一。

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以

方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性

分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场

分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种

物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模

块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流

迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等

图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和

材料。 3.1.2 有限元模型的建立

利用ansys有限元分析软件的前处理功能建立图3-1和图3-2所示

实验件的有限元实体模型，定义材料属性。具体步骤如下：

（1）启动ansys。以交互模式进入ansys，定义工作文件名；（2）创建基本模型；

（3）存储ansys数据库；（4）设定分析模块；

（5）设定单元类型。对于任何分析，必须在单元库中选择一个或几

个适合分析的单元类型，单元类型决定了辅加的自由度，许多单元

还要设置一些单元选项，诸如单元特性和假设。对于本问题，只需

选择solid92实体单元并默认单元选项即可；

（6）定义材料属性。材料属性是与结构无关的本构属性，例如扬氏

模量、密度等，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个

材料编号。对于本问题，只需定义一种材料；（7）保存ansys数

据库文件。