线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法
【专利摘要】线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法，涉及一种杨氏模量的测量装置及方法，本发明为解决现有测量杨氏弹性模量的方法间接测量量多、数据处理复杂导致测量精度低的问题。本发明所述测量装置包括线性调频激光器、两个反射镜、薄玻璃板、会聚透镜、光电探测器、滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP；线性调频激光器发出的线偏振光经第一反射镜反射后入射至薄玻璃板，经薄玻璃板透射的光被第二反射镜反射后入射至会聚透镜，该反射光与经薄玻璃板前表面反射的光均通过会聚透镜会聚至光电探测器的光敏面上；经光电探测器光电转换后输出至滤波器，通过前置放大器、A/D转换电路输出至DSP。本发明用于测量杨氏弹性模量。
【专利说明】线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法。
【背景技术】
[0002]杨氏弹性模量反映了材料形变与内应力的关系，在材料受外力作用时必须发生形变，其内部胁强和胁变(即相对形变)的比值称为杨氏弹性模量，它是表征固体材料性质的一个重要物理量，是工程技术中机械构件选材时的重要参数。近几年来，在工程测量技术中，多采用光杠杆法、光纤传感器法、CCD法、干涉法、拉伸法和衍射法等，但这些方法的间接测量量较多，偶然误差较大，且需进行大量的数据处理，因此，这些方法的测量精度较低，无法满足目前高精度测量的要求。
【发明内容】
[0003]本发明目的是为了解决现有测量杨氏弹性模量的方法间接测量量多、数据处理复杂导致测量精度低的问题，提供了一种线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法。
[0004]本发明所述线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置包括线性调频激光器、第一反射镜、第二反射镜、薄玻璃板、会聚透镜、光电探测器和信号处理电路，所述信号处理电路包括滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP ；
[0005]线性调频激光器发出的线偏振光经第一反射镜的反射后入射至薄玻璃板，经薄玻璃板透射的光被第二反射镜反射后入射至会聚透镜，该反射光与经薄玻璃板前表面反射的光均通过会聚透镜会聚至光电探测器的光敏面上；经光电探测器光电转换后的电信号输出至信号处理电路中的滤波器，滤波器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接A/D转换电路的模拟信号输入端，A/D转换电路的数字信号输出端连接DSP的数据输入端。
[0006]基于线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置的杨氏模量测量方法，该测量方法的具体过程为:
[0007]步骤一、将待测金属丝的上端固定在支架上，下端固定砝码，将第二反射镜的背面贴固在砝码的下表面上；
[0008]步骤二、当贴有第二反射镜的砝码稳定且使待测金属丝处于铅直方向时，将薄玻璃板置于第二反射镜前30_处，利用二维调整架调节薄玻璃板，使薄玻璃板与第二反射镜平行；
[0009]步骤三、打开线性调频激光器，线性调频激光器发出的线偏振光以Θ ^角入射至薄玻璃板；
[0010]步骤四、获取入射至光电探测器的光束的总光场E' (t):
[0011]E' (t) = E1 (t) +E2 (t)；
[0012]其中=E1U)为光束经薄玻璃板前表面反射后的反射光场，且按公式[0013]
【权利要求】
1.线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(I)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、薄玻璃板(4)、会聚透镜(5)、光电探测器(6)和信号处理电路(7)，所述信号处理电路(7)包括滤波器(8)、前置放大器(9)、A/D转换电路(10)和 DSP(Il)； 线性调频激光器(I)发出的线偏振光经第一反射镜(2)的反射后入射至薄玻璃板(4)，经薄玻璃板(4)透射的光被第二反射镜(3)反射后入射至会聚透镜(5)，该反射光与经薄玻璃板(4)前表面反射的光均通过会聚透镜(5)会聚至光电探测器(6)的光敏面上；经光电探测器(6)光电转换后的电信号输出至信号处理电路(7)中的滤波器(8)，滤波器(8)的输出端连接前置放大器(9)的输入端，前置放大器(9)的输出端连接A/D转换电路(10)的模拟信号输入端，A/D转换电路(10)的数字信号输出端连接DSP(Il)的数据输入端。
2.根据权利要求1所述线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置，其特征在于，所述第一反射镜(2)和第二反射镜(3)均为平面反射镜。
3.基于权利要求1所述线性调频双光束激光外差测量杨氏模量的装置的杨氏模量测量方法，其特征在于，该测量方法的具体过程为: 步骤一、将待测金属丝(12)的上端固定在支架上，下端固定砝码(13)，将第二反射镜(3)的背面贴固在砝码(13)的下表面上； 步骤二、当贴有第二反射镜(3)的砝码(13)稳定且使待测金属丝(12)处于铅直方向时，将薄玻璃板(4)置 于第二反射镜(3)前30_处，利用二维调整架调节薄玻璃板(4)，使薄玻璃板(4)与第二反射镜(3)平行； 步骤三、打开线性调频激光器(1)，线性调频激光器(I)发出的线偏振光以Qtl角入射至薄玻璃板⑷； 步骤四、获取入射至光电探测器出)的光束的总光场E' (t):
E' (t) = E1 (t) +E2 (t)； 其中=E1U)为光束经薄玻璃板(4)前表面反射后的反射光场,且按公式 m=&xpmx/—上)+雄—丄)2b 获取；
cc 其中:α I为系数，Ct1= Y , Y为薄玻璃板⑷的反射率^为入射光场振幅；Otl为
Al..入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且= Y，T为调频周期，Λ F为调频
I带宽；C为光速；L为到达薄玻璃板(4)前表面的光程； E2 (t)为光束经薄玻璃板(4)后表面反射后透射出前表面的光场，且按公式 EM^a,EnexPi/toX^i±MEi￡)+i(^i±2E^)3 + 2?v￡cos￡]}获取；'CCC 其中:α 2为系数,且Ct2= β 2 Y ';式中的β薄为玻璃板⑷的透射率，Y ’为第二反射镜(3)的反射率；d为薄玻璃板(4)和第二反射镜(3)的距离，Θ为入射光的折射角，η为薄玻璃板(4)的折射率； 步骤五、光电探测器(6)的光敏面接收光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为:
【文档编号】G01N3/06GK103940676SQ201410205925
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李彦超, 甄佳奇, 杨九如, 高扬, 冉玲苓, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰, 于伟波 申请人:黑龙江大学