专利名称：多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法
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 测量杨氏模量的装置及方法，属于杨氏模量检测技术领域。
背景技术：
杨氏弹性模量反映了材料形变与内应力的关系，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，多采用光杠杠法、光纤传感器法、CCD法、干涉法、拉伸法和衍射法等进行杨氏模量的测量，但这些方法由于间接测量量较多，造成偶然误差较大，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。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杨氏模量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杨氏模量的装置及方法。本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量杨氏模量的装置，该装置由 HO固体激光器、振镜、四分之一波片、偏振分束镜、薄玻璃板、平面反射镜、会聚透镜、光电探测器、振镜驱动电源和信号处理系统组成，振镜驱动电源用于驱动振镜振动；薄玻璃板水平固定，该薄玻璃板的正上方距离d处设置一块平面反射镜，所述薄玻璃板与平面反射镜的反射面相对、且相互平行，H0固体激光器、四分之一波片、振镜、偏振分束镜、会聚透镜、光电探测器均位于薄玻璃板的下方，所述Htl固体激光器发射激光束至偏振分束镜的前表面，经该偏振分束镜反射的光束经四分之一波片透射之后发射到振镜的入射面，经振镜反射后的反射光束再次经四分之一波片透射至偏振分束镜，经所述偏振分束镜透射之后入射至薄玻璃板，该透射光束在该薄玻璃板的入射面的入射角θ小于度且大于等于度；该透射光经该薄玻璃板形成反射光束和透射光束，所述透射光束经平面反射镜反射的反射光束再次经薄玻璃板透射之后入射至会聚透镜，经该薄玻璃板前表面反射形成的反射光束也入射至会聚透镜，会聚透镜将入射光束聚焦至光电探测器的探测面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统。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杨氏模量的方法，该方法的过程为步骤一将长度为L，直径为r的待测金属丝悬挂于固定支架上，所述待测金属丝的下端与砝码固定连接，所述砝码在重力作用下，对待测金属丝施加拉力F以使所述待测金属丝产生内部应力；所述砝码的底部与平面反射镜的非反射面固定连接，使得待测金属丝垂直于平面反射镜的反射面，然后打开Htl固体激光器，并同时控制振镜驱动电源驱动振镜开始振动；步骤二、信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，获得薄玻璃板和平面反射镜之间的距离参数，当平面反射镜处于静止状态时，记录该距离参数；步骤三、增加砝码的质量M ；步骤四、信号处理系统再次采集光电探测器输出的电信号，获得薄玻璃板和平面反射镜之间的距离参数，当平面反射镜处于静止状态时，记录该距离参数；步骤五、根据步骤二和步骤四获得的两个距离参数，获得薄玻璃板和平面反射镜之间距离的变化量Δ d，该距离变化量Ad即为待测金属丝在质量M的作用下的伸长量 AL；然后根据胡克定律获得待测金属丝的杨氏模量E为
Γ 「 4MgLE= 2δ ,
nr ^L式中Mg为砝码的重量，拉力F = Mg，参数g为重力加速度，Jir2/4为待测金属丝的截面积；步骤六在待测金属丝的弹性限度内，多次增加砝码的质量M，每次增加砝码的质量M后，执行步骤四获得一个距离参数，根据该距离参数和步骤二获得的距离参数获得相应的距离变化量，进而获得在力xMg作用下待测金属丝的杨氏模量，其中χ = 2、3、4……。 所述步骤二和步骤四中获得薄玻璃板和平面反射镜之间的距离参数的过程为设定经偏振分束镜斜入射至薄玻璃板前表面的光束的入射角为θ ^，此时薄玻璃板的入射光场为E(t) = E1 exp(i co0t)，式中E1为常数，i表示虚数，Oci为激光角频率；所述振镜为多普勒振镜，其简谐振动方程为x(t) =X0 cos(coct),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) = -CocX0 sin(coct)， 在振镜的运动作用下，薄玻璃板的反射光的频率变为ω = ω 0 (1-2 CocX0 sin(coct)/c),则在tl/c时刻到达薄玻璃板前表面并被该表面反射的反射光的光场为E0(t) = Ct0E1 exp{i[co0(l-2 cocX(l sin (ω c (t_l/c))/c)，
(t-1/c) +ω0χ0 cos(coc(t_l/c))/c]}式中C^ = r，r为光从周围介质射入待测薄玻璃板前表面的反射系数，1为振镜到薄玻璃板前表面的距离；经该薄玻璃板前表面透射的光束在不同时刻在薄玻璃板内经该薄玻璃板后表面反射m次而透射出薄玻璃板前表面的m束反射光的光场分别为
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杨氏模量的装置，其特征在于该装置由Htl固体激光器(1)、振镜(2)、四分之一波片(3)、偏振分束镜(4)、薄玻璃板(5)、平面反射镜(6)、会聚透镜(9)、光电探测器(10)、振镜驱动电源和信号处理系统组成，振镜驱动电源用于驱动振镜(2)振动；薄玻璃板(5)水平固定，该薄玻璃板(5)的正上方距离d处设置一块平面反射镜(6)， 所述薄玻璃板(5)与平面反射镜(6)的反射面相对、且相互平行，Htl固体激光器(1)、四分之一波片(3)、振镜(2)、偏振分束镜(4)、会聚透镜(9)、光电探测器(10)均位于薄玻璃板 (5)的下方，所述H。固体激光器(1)发射激光束至偏振分束镜(4)的前表面，经该偏振分束镜(4) 反射的光束经四分之一波片(3)透射之后发射到振镜(2)的入射面，经振镜(2)反射后的反射光束再次经四分之一波片(3)透射至偏振分束镜(4)，经所述偏振分束镜(4)透射之后入射至薄玻璃板(5)，该透射光束在该薄玻璃板(5)的入射面的入射角θ ^小于90度且大于等于0度；该透射光经该薄玻璃板(5)形成反射光束和透射光束，所述透射光束经平面反射镜(6)反射的反射光束再次经薄玻璃板(5)透射之后入射至会聚透镜(9)，经该薄玻璃板 (5)前表面反射形成的反射光束也入射至会聚透镜(9)，会聚透镜(9)将入射光束聚焦至光电探测器(10)的探测面上，所述光电探测器(10)输出电信号给信号处理系统。
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杨氏模量的装置， 其特征在于所述信号处理系统由滤波器(11)、前置放大器(12)、A/D转换器(13)和DSP 数字信号处理器(14)组成，光电探测器(10)的电信号输出端与滤波器(11)的信号输入端连接，滤波器(11)的信号输出端与前置放大器(12)的信号输入端连接，前置放大器(12)的信号输出端与A/D转换器(13)的信号输入端连接，所述A/D转换器(13)的信号输出端与DSP数字信号处理器 (14)的信号输入端连接，所述DSP数字信号处理器(14)中固化有FFT算法，DSP数字信号处理器(14)根据接收到的信号解调后获得平面反射镜(6)和薄玻璃板(5)之间的距离。
3.根据权利要求1或2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装置，其特征在于所述薄玻璃板(5)的后表面与平面反射镜(6)的反射面之间的距离为 20mmo
4.根据权利要求1或2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装置，其特征在于所述振镜(2)为多普勒振镜，其简谐振动方程为χ (t) = X0 cos ( ω ct)，式中Xtl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，其速度方程为v(t) =-COcX0 sin(coct)o
5.采用权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量杨氏模量的装置实现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，该方法的过程为步骤一将长度为L，直径为r的待测金属丝(8)悬挂于固定支架上，所述待测金属丝 (8)的下端与砝码(7)固定连接，所述砝码(7)在重力作用下，对待测金属丝(8)施加拉力 F以使所述待测金属丝(8)产生内部应力；所述砝码(7)的底部与平面反射镜(6)的非反射面固定连接，使得待测金属丝(8)垂直于平面反射镜(6)的反射面，然后打开Htl固体激光器(1)，并同时控制振镜驱动电源驱动振镜(2)开始振动；步骤二、信号处理系统连续采集光电探测器(10)输出的电信号，获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离参数，当平面反射镜(6)处于静止状态时，记录该距离参数； 步骤三、增加砝码(7)的质量M;步骤四、信号处理系统再次采集光电探测器(10)输出的电信号，获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离参数，当平面反射镜(6)处于静止状态时，记录该距离参数； 步骤五、根据步骤二和步骤四获得的两个距离参数，获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间距离的变化量Δd，该距离变化量Ad即为待测金属丝⑶在质量M的作用下的伸长量AL;然后根据胡克定律获得待测金属丝(8)的杨氏模量E为
6.根据权利要求5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， 其特征在于所述步骤二和步骤四中获得薄玻璃板(5)和平面反射镜(6)之间的距离参数的过程为设定经偏振分束镜(4)斜入射至薄玻璃板(5)前表面的光束的入射角为θ ^，此时薄玻璃板(5)的入射光场为 E (t) =E1 exp (i ω0 ),式中E1为常数，i表示虚数，Oci为激光角频率； 所述振镜(2)为多普勒振镜，其简谐振动方程为 χ (t) = X0 cos ( 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) = - COcX0 sin(coct),在振镜(2)的运动作用下，薄玻璃板(5)的反射光的频率变为 ω = ω 0(1-2 CocX0 sin(coct)/c),则在t-1/c时刻到达薄玻璃板(5)前表面并被该表面反射的反射光的光场为 E0 (t) = Ct0E1 exp {i[co0 (1-2 (OcX0 sin (ω c(t_l/c))/c)， (t_l/c) + co0x0 cos 式中C^ = r，r为光从周围介质射入待测薄玻璃板(5)前表面的反射系数，1为振镜 (2)到薄玻璃板(5)前表面的距离；经该薄玻璃板(5)前表面透射的光束在不同时刻在薄玻璃板(5)内经该薄玻璃板(5) 后表面反射m次而透射出薄玻璃板(5)前表面的m束反射光的光场分别为 E1 (t) = Ct1E1 θχρ{ [ω0(1-2 ωεχ0 sin(ωc(t-(L+2nd cos θ )/c))/c) (t-(L+2nd cos θ )/c) +ω0χ0 cos ( ω c (t-(L+2nd cos θ )/c))/c]} E2 (t) = Ct2E1 θχρ{ [ω0(1-2 ωεχ0 sin(ωc(t-(L+4nd cos θ )/c))/c) (t- (L+4nd cos θ )/c) +ω0χ0 cos ( ω c (t_ (L+4nd cos θ )/c))/c]} E3(t) = Ct3E1 θχρ{ [ω0(1-2 ωεχ0 sin(ωc(t-(L+6nd cos θ )/c))/c)(t_(L+6nd cos θ )/c) +ω0χ0 cos ( ω c (t_ (L+6nd cos θ )/c))/c]}， Em(t) = CtmE1 exp{i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(L+2mnd cos θ )/c))/c) (t- (L+2mnd cos θ )/ο) + ω0χ0 cos (ω c (t_ (L+2mnd cos θ ) /c)) /c]}其中，参数Q1=Mr'，......, αω= β2Γ' V1—1，!·为薄玻璃板(5)的反射系数，β为薄玻璃板(5)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(5) 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(5)时的折射角，m为非负整数，η为平面反射镜(6)与薄玻璃板(5)之间介质的折射率； 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(10)输出的光电流为
7.根据权利要求5或6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丝(8)为钢丝。
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杨氏模量的方法， 其特征在于所述待测金属丝(8)的直径r为在0. 25mm至1mm。
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量杨氏模量的装置及方法，属于杨氏模量检测技术领域。它解决了采用传统的外差干涉技术测杨氏模量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、振镜、四分之一波片、偏振分束镜、薄玻璃板、平面反射镜、会聚透镜、光电探测器、振镜驱动电源和信号处理系统组成；本发明方法将待测金属丝与砝码连接，对其施加拉力F；打开H0固体激光器及振镜的驱动电源，信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，获得薄玻璃板和平面反射镜之间的距离参数，记录该距离参数，多次增加砝码的质量M，计算获取杨氏模量值。本发明适用于杨氏模量的测量。
文档编号G01N3/14GK102353593SQ20111014476
公开日2012年2月15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