专利名称：多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置及方法，属于金属线胀系数测量技术领域。
背景技术：
物体的热膨胀性质反映了材料本身的属性，通常将固体受热后在一维方向上长度的变化称为线膨胀。测量材料的线膨胀系数，不仅对新材料的研制具有重要意义，而且也是选用材料的重要指标之一。在工程结构设计、机械和仪表的制造、材料的加工等过程中都必须考虑材料的热膨胀特性。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。目前，对金属线膨胀系数的测定方法有光杠杆法、读数显微镜法、电热法和激光干涉法等测量方法。在采用这些方法测量物体的热膨胀系数的过程中，由于需要直接测量的参数过多，操作较复杂，以至于实验的系统误差与偶然误差均偏大，例如，用光杠杆法测金属线胀系数时，由于近似公式的采用与复杂的操作使其系统误差偏大，同时，由于读数装置配备不合理引入的偶然误差也较大，以至于其相对误差达4. 4% ；读数显微镜法由于视觉引起的偶然误差和电热法实际温度与传感器的延迟引起的系统误差等都极大的限制了其测量精度； 激光干涉法由于该装置的干涉条纹锐细、分辨率高，同时实验操作简单，从而大大减小了实验误差，实现了金属线胀系数的精确测量，测量的相对误差可达到2%，但是这种方法在读取干涉条纹数时存在视觉引起的偶然误差，导致精度无法进一步提高，也不能满足目前超高精度测量的要求。在光学测量法中，激光外差测量技术由于具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、精度高、线性度好、抗干扰能力强、动态响应快、重复性好和测量范围大等优点而备受国内外学者关注，激光外差测量技术继承了激光外差技术和多普勒技术的诸多优点，是目前超高精度测量方法之一。该方法已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一，广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。传统的外差干涉均为双光束干涉，外差信号频谱只含单一频率信息，解调后得到单一的待测参数值，这种方法在测量物体的热膨胀系数时得到的待测参数值的测量精度低。
发明内容
本发明的目的是解决采用传统的外差干涉技术测物体的热胀系数由于只能得到单一的待测参数值而使测量精度低的问题，提供一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置及方法。本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，该装置由Htl固体激光器、四分之一波片、振镜、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、会聚透镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、待测金属棒、电热炉、光电探测器和信号处理系统组成；Htl固体激光器发出的线偏振光经第一平面反射镜反射之后入射至偏振分束镜 PBS，经该偏振分束镜PBS反射后的光束经四分之一波片透射后入射至振镜的光接收面， 经该振镜反射的光束再次经四分之一波片透射后发送至偏振分束镜PBS，经该偏振分束镜 PBS透射后的光束入射至薄玻璃板，经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第二平面反射镜， 该光束在相互平行的薄玻璃板后表面和第二平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得的多束经薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光束一起通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统；薄玻璃板后表面和第二平面反射镜之间的距离为实数d ；所述第二平面反射镜的非反射面中心与待测金属棒的一端固定连接，并且待测金属棒的中心轴线垂直于所述第二平面反射镜的反射面，所述待测金属棒的整体位于电热炉内。本发明所述采用上述装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的方法，首先，调整电热炉的位置，使与待测金属棒固定连接的第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行，并使第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板之间的距离d为15mm 20mm ；然后，采用电热炉对待测金属棒进行均勻加热，并打开振镜的驱动电源使振镜开始振动；同时，打开Htl固体激光器；在均勻加热的过程中，连续采集电热炉内部的温度，读取并记录温度值，获得温度变化量ΔΤ，同时信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜和薄玻璃板后表面之间的距离变化量，该距离变化量Ad 即为待测金属棒的长度变化量Δι;根据待测金属棒的长度变化量AL和电热炉内部的温度值的变化量ΔT获得金属线膨胀系数α
权利要求
1.一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，其特征在于 该装置由H。固体激光器O)、四分之一波片(12)、振镜(13)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS(Il)、会聚透镜(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射镜(6)、待测金属棒(1 、电热炉 (14)、光电探测器⑷和信号处理系统(5)组成；Htl固体激光器( 发出的线偏振光经第一平面反射镜C3)反射之后入射至偏振分束镜 PBS (11)，经该偏振分束镜PBS (11)反射后的光束经四分之一波片(1 透射后入射至振镜 (13)的光接收面，经该振镜(1 反射的光束再次经四分之一波片(1 透射后发送至偏振分束镜PBS (11)，经该偏振分束镜PBS (11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9)，经该薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射镜(6)，该光束在相互平行的薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间反复反射和透射多次，获得的多束经薄玻璃板(9)透射之后的光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光束一起通过会聚透镜(10)汇聚至光电探测器(4) 的光敏面上，所述光电探测器(4)输出电信号给信号处理系统(5)；薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间的距离为实数d ；所述第二平面反射镜(6)的非反射面中心与待测金属棒(15)的一端固定连接，并且待测金属棒(15)的中心轴线垂直于所述第二平面反射镜(6)的反射面，所述待测金属棒(15) 的整体位于电热炉(14)内。
2.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，其特征在于它还包括温控仪(16)和温度采集装置，所述电热炉(14)的温控信号输入端与温控仪(16)的温控信号输出端连接；温度采集装置用于采集待测金属棒(15)的温度，所述温度采集装置的温度信号输出端与温控仪(16)的温度信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，其特征在于所述温控仪(16)为数显温控仪。
4.根据权利要求2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，其特征在于所述温度采集装置为钼电阻。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，其特征在于所述信号处理系统(5)由滤波电路(5-1)、前置放大电路(5-2)、模数转换电路(A/D) 和数字信号处理器(DSP)组成，所述滤波电路(5-1)对接收到的光电探测器(4)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大电路(5-2)，经所述前置放大电路(5- 放大之后的信号输出给模数转换电路(A/D)，所述模数转换电路(A/D)将转换后的信号发送给数字信号处理器(DSP)。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置，其特征在于所述薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间的距离为实数 d 为 15mm 20mm。
7.基于权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的方法，其特征在于首先，调整电热炉(14)的位置，使与待测金属棒(15)固定连接的第二平面反射镜(6) 的反射面与薄玻璃板(9)相互平行，并使第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9)之间的距离d为15mm 20mm ；然后，采用电热炉(14)对待测金属棒(15)进行均勻加热，并打开振镜(13)的驱动电源使振镜(13)开始振动；同时，打开Htl固体激光器O)；在均勻加热的过程中，连续采集电热炉(14)内部的温度，读取并记录温度值，获得温度变化量ΔΤ，同时信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量， 该距离变化量Ad即为待测金属棒(15)的长度变化量AL;根据待测金属棒(15)的长度变化量AL和电热炉(14)内部的温度值的变化量ΔΤ获得金属线膨胀系数α ALa =-，/0ΔΓ式中，I0为待测金属棒(1 的初始长度。
8.根据权利要求7所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的方法，其特征在于信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量的过程为设定经该偏振分束镜PBS(11)透射后的光束斜入射至薄玻璃板(9)的入射角为θ ^，此时薄玻璃板(9)的入射光场为 E (t) = Exexp (i ω 0t),式中Ei为常数，i表示虚数，Oci为激光角频率； 所述振镜(1 为多普勒振镜，其简谐振动方程为χ (t) = X0Cos ( ω ct)，式中X0为多普勒振镜振动的振幅，ω。为多普勒振镜的角频率，c为光速，t为时间， 多普勒振镜的的速度方程为 v(t) = -cocx0sin(coct),在振镜(1 的运动作用下，薄玻璃板(9)的反射光的频率变为 ω = ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω ct) /c),则在t-1/c时刻到达薄玻璃板(9)前表面并被该表面反射的反射光的光场为 E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c) (t-l/c) + ω 0x0cos (ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r，r为光从周围介质射入平面标准镜(6)前表面的反射系数，1为振镜(2) 到薄玻璃板(9)前表面的距离；经该薄玻璃板(9)前表面透射的光束在不同时刻在薄玻璃板(9)内经该薄玻璃板(9) 后表面反射m次而透射出薄玻璃板(9)前表面的m束透射光束的光场分别为 E1 (t) = α AexpU [ω0(1-2 cocx0sin(ωc(t_(l+2ndcos θ )/c))/c) (t- (l+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2ndcos θ )/c)) /c]} E2 (t) = α 2E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+4ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+4ndcos θ )/c)) /c]} E3 (t) = α 3E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+6ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+6ndcos θ )/c)) /c]},Em (t) = α ,J1E1Gxp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+2mndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2mndcos θ )/c)) /c]}其中，参数Ci1=Mr'，......, αω= β2Γ' V1—1，β为薄玻璃板(9)的透射系数，r'为平面反射镜(6)的反射率，d为测量过程中薄玻璃板(9)后表面到平面反射镜(6)反射面之间的距离，θ为光束透过薄玻璃板(9)时的折射角，η为平面反射镜(6)与薄玻璃板 (9)的折射率；光电探测器(10)接收到的总光场为 E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t), 则光电探测器⑷输出的光电流为
9.根据权利要求7或8所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量杨氏模量的方法，其特征在于所述待测金属棒(1 为黄铜棒。
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量金属线胀系数的装置及方法，属于金属线胀系数测量技术领域。它解决了传统的外差干涉技术测物体的热胀系数由于只能得到单一的待测参数值而使测量精度低的问题。本发明装置由H0固体激光器、四分之一波片、振镜、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、会聚透镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、待测金属棒、电热炉、光电探测器和信号处理系统组成；方法为调整第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板相互平行，采用电热炉对待测金属棒进行均匀加热，打开振镜和H0固体激光器，采用信号处理系统采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的信号进行处理获得金属线膨胀系数。本发明适用于金属线胀系数的测量。
文档编号G01B11/16GK102253073SQ20111014473
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者丛海芳, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 邵文冕, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学