专利名称：多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置及方法
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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置及方法，属于微位移检测技术领域。
背景技术：
铁磁质的磁畴在外磁场作用下会定向排列，从而引起介质中晶格间距的改变，致使铁磁体发生长度的变化的现象被称为磁致伸缩效应。由于这一现象首先由焦耳于1842 年发现，因而也被称为焦耳效应。磁致伸缩不但对材料的磁性有重要的影响，特别是对起始磁导率，矫顽力等，而且所述磁致伸缩效应本身在实际中的应用也很广泛，如磁致伸缩技术可以用于机械振动和超声波换能器上，在激光雷达等方面有重要的应用。利用材料在交变磁场作用下长度的变化，可制成超声波发生器和接收器通过一些特别的转换装置，可以制成力、速度、加速度等传感器以及延迟线、滤波器等。在相同外磁场的条件下，不同的磁性物质磁致伸缩的长度变化是不同的，通常用磁致伸缩系数α (α =Δ 1/1)表征它形变的大小。因此，准确测量材料的磁致伸缩系数α是非常重要的。由于磁致伸缩效应引起的材料长度相对变化很微小，一般铁磁材料的磁致伸缩系数只有10_5 10_6数量级，因此需采用一些高精度的方法加以测量。磁致伸缩系数的测定归结为微长度(位移)变化的测量。目前测量磁致伸缩系数的方法主要有非平衡电桥测量法、差动变电容测法、光杠杆、应变电阻片测量法和光学干涉法等。但是这些方法都存在各自的缺点，因此测量精度无法在提高。而在光学测量法中，激光外差测量技术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。但是现有的激光外差测量技术在测量磁致伸缩系数存在的采集激光差频信号质量较低，信号处理的运算速度慢的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的激光外差测量技术在测量磁致伸缩系数存在的采集激光差频信号质量较低，信号处理的运算速度慢的问题，而提出的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置及方法。一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，该装置由第一固定棒、第二固定棒、激励线圈、待测铁镍合金样品、直流稳压电源、平面反射镜、不计厚度薄玻璃板、偏振分束镜PBS、H0固体激光器、四分之一波片、振镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统组成，
直流稳压电源用于给激励线圈提供工作电源，待测铁镍合金样品居中放置在激励线圈内，待测铁镍合金样品的一端固定连接第一固定棒的一端，该第一固定棒的另一端固定设置，待测铁镍合金样品的另一端固定连接第二固定棒的一端，该第二固定棒的另一端粘接平面反射镜的非反射面，平面反射镜的反射面与待测铁镍合金样品的轴线垂直；第一固定棒和第二固定棒大小相同，并且两根固定棒、待测铁镍合金样品和激励线圈同轴设置； 在平面反射镜的反射面一侧距离d处，与该平面反射镜平行设置有不计厚度薄玻璃板；Htl固体激光器发出的线偏振光经偏振分束镜PBS反射后入射至四分之一波片，经该四分之一波片透射后的光束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不计厚度薄玻璃板，经该不计厚度薄玻璃板透射之后的光束入射至平面反射镜的反射面，经该平面反射镜反射后的光束再次经不计厚度薄玻璃板透射获得透射光，该透射光与经不计厚度薄玻璃板的光入射面反射后的光束均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。采用上述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的方法，该方法的过程为首先，将铁镍合金样品进行交流退磁，利用二维调整架调节平面反射镜和不计厚度薄玻璃板的位置，使平面反射镜和不计厚度薄玻璃板相互平行、等高，并使不计厚度薄玻璃板与平面反射镜的反射面之间的距离d为20mm ；然后，调整直流稳压电源，使其输出电流最小，并打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动；同时，打开Htl固体激光器，最后，调整直流稳压电源的输出电流，使其输出电流I单调上升，在此过程中，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，获得平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量，根据该距离变化量获得待测铁镍合金样品的磁致伸缩系数α = Δ 1/1，式中，ΔΙ/为待测铁镍合金样品在磁场中的长度变化量，即为平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量，1为待测铁镍合金样品的原始长度。本发明所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置及方法不但具有激光外差测量技术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，还具备采集激光差频信号质量高，信号处理的运算速度快的突出优点。它可广泛应用于超精密测量、检测、 加工设备、激光雷达系统等。为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，本文基于激光外差技术，提出了一种高精度精度多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的方法，即利用振镜10的多普勒效应对不同时刻的入射光进行正弦调制，将待测参数信息调制到激光外差信号的二次谐波中，通过对激光外差信号二次谐波的解调可以精确获得待测参数信肩、O本发明通过在光路中引入振镜10，使不同时刻入射的光信号附加了一个光频，这样经过不计厚度薄玻璃板6的反射光和平面反射镜5多次反射的光在满足干涉的条件下， 产生多光束外差干涉信号，从而将待测信息成功地调制在中频外差二次谐波信号的频率差中。在测量样品磁致伸缩系数过程中，此方法在频域得到了包含金属长度变化量的信息的频率值，信号解调后得到长度变化量，通过多次测量加权平均可以得到精确的样品长度随电流的变化量。以铁镍合金为例进行实验，磁致伸缩系数测量的相对误差小于0. 8%，显著提高了测量精度。
图1为本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置的结构示意图；图2为平面反射镜和薄玻璃板之间的多光束激光干涉原理图；图3为多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，该装置由第一固定棒1-1、第二固定棒1-2、激励线圈2、待测铁镍合金样品3、直流稳压电源4、平面反射镜5、不计厚度薄玻璃板6、偏振分束镜PBS7、HO固体激光器8、四分之一波片9、振镜10、会聚透镜11、光电探测器12和信号处理系统13组成，直流稳压电源4用于给激励线圈2提供工作电源，待测铁镍合金样品3居中放置在激励线圈2内，待测铁镍合金样品3的一端固定连接第一固定棒1-1的一端，该第一固定棒1-1的另一端固定设置，待测铁镍合金样品3的另一端固定连接第二固定棒1-2的一端， 该第二固定棒1-2的另一端粘接平面反射镜5的非反射面，平面反射镜5的反射面与待测铁镍合金样品3的轴线垂直；第一固定棒1-1和第二固定棒1-2大小相同，并且两根固定棒、待测铁镍合金样品3和激励线圈2同轴设置；在平面反射镜5的反射面一侧距离d处， 与该平面反射镜5平行设置有不计厚度薄玻璃板6 ；HO固体激光器8发出的线偏振光经偏振分束镜PBS7反射后入射至四分之一波片 9，经该四分之一波片9透射后的光束入射至振镜10的光接收面，经该振镜10反射的光束再次经四分之一波片9透射后发送至偏振分束镜PBS7，经该偏振分束镜PBS7透射后的光束入射至不计厚度薄玻璃板6，经该不计厚度薄玻璃板6透射之后的光束入射至平面反射镜5 的反射面，经该平面反射镜5反射后的光束再次经不计厚度薄玻璃板6透射获得透射光，该透射光与经不计厚度薄玻璃板6的光入射面反射后的光束均通过会聚透镜11汇聚至光电探测器12的光敏面上，所述光电探测器12输出电信号给信号处理系统13。本实施方式中待测铁镍合金样品3在激励线圈2的磁场作用下产生轴向形变。本实施方式中的振镜10在驱动电源的作用下做简谐振动，采用振镜10可以对不同时刻入射到振镜10表面的激光频率进行正弦调制。第二固定棒1-2的一端与平面反射镜5的非反射面粘接，可保证第二固定棒1-2 的自由移动，平面反射镜5和不计厚度薄玻璃板6可采用二维调整架进行位置调节。本实施方式中的距离d可以根据实际需要任意设置。
具体实施方式
二 本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述距离d为20mm。
具体实施方式
三本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述第一固定棒1-1和第二固定棒1-2的两个端面均粘固有非磁性材料。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述第一固定棒1-1的另一端固定设置为第一固定棒1-1的另一端固定在工作台上或固定件上。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一至四的进一步说明，所述振镜10为多普勒振镜，其简谐振动方程和速度方程分别是x(t) = X0COS (ωct)和v(t) = -co。X(|Sin(co。t)，式中^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。
具体实施方式
六下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一至五的进一步说明，所述信号处理系统13由带通滤波器13-1、前置放大器13-2、模数转换器 A/D13-3和数字信号处理器DSP13-4组成，所述带通滤波器13-1对接收到的光电探测器12输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器13-2，经前置放大器13-2放大之后的信号输出给模数转换器A/D13-3，所述模数转换器A/D13-3将转换后的信号发送给数字信号处理器DSP13-4。
具体实施方式
七结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的方法，所述方法的过程为首先，将铁镍合金样品进行交流退磁，利用二维调整架调节平面反射镜5和不计厚度薄玻璃板6的位置，使平面反射镜5和不计厚度薄玻璃板6相互平行、等高，并使不计厚度薄玻璃板6与平面反射镜5的反射面之间的距离d为20mm ；然后，调整直流稳压电源4，使其输出电流最小，并打开振镜10的驱动电源使振镜 10开始做简谐振动；同时，打开HO固体激光器8，最后，调整直流稳压电源4的输出电流，使其输出电流I单调上升，在此过程中，信号处理系统13连续采集光电探测器12输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜5和不计厚度薄玻璃板6之间的距离变化量，根据该距离变化量获得待测铁镍合金样品3的磁致伸缩系数α = Δ 1/1，式中，Δ 1/为待测铁镍合金样品3在磁场中的长度变化量，即为平面反射镜5和不计厚度薄玻璃板6之间的距离变化量，1为待测铁镍合金样品3的原始长度。
具体实施方式
八结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
七不同点在于对所述信号处理系统13连续采集光电探测器12输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜5和不计厚度薄玻璃板6之间的距离变化量的过程为线偏振光依次经过偏振分束镜PBS7和四分之一波片9后照射到振镜10前表面上，不同时刻被振镜10调制的反射光又经过四分之一波片9后透过偏振分束镜PBS7斜入射到不计厚度薄玻璃板6上，经不计厚度薄玻璃板6透射的光被平面反射镜5反射后与经过不计厚度薄玻璃板6前表面反射的光一起被会聚透镜11会聚到光电探测器12光敏面上，最后经光电探测器12光电转换后的电信号经过前置放大器13-2、模数转换器A/D13-3 和数字信号处理器DSP13-4后得到不同时刻待测的参数信息；如图2所示，由于光束在不计厚度薄玻璃板6和平面反射镜5之间会不断地反射和透射，而这种反射和折射对于反射光和透射光在无穷远处或透镜焦平面上的干涉都有贡献，所以在讨论干涉现象时，必须考虑多次反射和透射效应，即应讨论多光束激光干涉。由于激光在不计厚度薄玻璃板6前表面的反射光与平面反射镜5反射k次和k+1 次后的透射出不计厚度薄玻璃板6前表面的光混频，产生两个幅度相差2 3个数量级的差频信号，经过傅里叶变换后，为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，本申请所述处理过程中的二次谐频差是由所检测的&光与平面反射镜证+2次反射后的Ek+2光混频所产生的；当激光以入射角Qtl斜入射不计厚度薄玻璃板6前表面时的入射光场为E(t) =EieXp(icoQt)，振镜10的简谐振动方程和速度方程分别是x(t) = X0Cos (ω ct)和v(t) = -ωεχ08 η(ωε )；由于振镜10的运动，反射光的频率变ω = ω0(1-2 ω cx0sin (ω ct)/c), 式中参数Qci为激光角频率，参数为振镜10振动的振幅，参数ω。为振镜10的角频率，c 为光速；则t-L/c时刻到达平面反射镜5前表面的反射光场为E0 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-L/c)) /c)公式 1(t-L/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_L/c)) /c]}式中，参数α C1 = r，r为薄玻璃板(6)的反射系数；L为振镜10到不计厚度薄玻璃板6前表面的光程屯为振幅常数；经不计厚度薄玻璃板6透射的光在不同时刻被平面反射镜5后表面多次反射并多次透射出不计厚度薄玻璃板6的前表面，其透射光的表达式分别写成如下形式E1Ct) = α ^!exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+2nd cos θ )/c))/c)(t- (L+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2ndcos θ )/c)) /c]}E2 (t) = α ^exp {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 gE^xp {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]} 公式
权利要求
1.一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于该装置由第一固定棒(1-1)、第二固定棒(1-2)、激励线圈O)、待测铁镍合金样品 (3)、直流稳压电源(4)、平面反射镜( 、不计厚度薄玻璃板(6)、偏振分束镜PBS(7)、H0固体激光器(8)、四分之一波片(9)、振镜(10)、会聚透镜(11)、光电探测器(1 和信号处理系统(13)组成，直流稳压电源⑷用于给激励线圈(2)提供工作电源，待测铁镍合金样品⑶居中放置在激励线圈O)内，待测铁镍合金样品C3)的一端固定连接第一固定棒(1-1)的一端，该第一固定棒(1-1)的另一端固定设置，待测铁镍合金样品(3)的另一端固定连接第二固定棒(1-2)的一端，该第二固定棒(1-2)的另一端粘接平面反射镜(5)的非反射面，平面反射镜(5)的反射面与待测铁镍合金样品(3)的轴线垂直；第一固定棒(1-1)和第二固定棒 (1-2)大小相同，并且两根固定棒、待测铁镍合金样品(3)和激励线圈O)同轴设置；在平面反射镜(5)的反射面一侧距离d处，与该平面反射镜(5)平行设置有不计厚度薄玻璃板 (6)；Htl固体激光器(8)发出的线偏振光经偏振分束镜PBS(7)反射后入射至四分之一波片(9)，经该四分之一波片(9)透射后的光束入射至振镜(10)的光接收面，经该振镜(10) 反射的光束再次经四分之一波片(9)透射后发送至偏振分束镜PBS(7)，经该偏振分束镜 PBS (7)透射后的光束入射至不计厚度薄玻璃板(6)，经该不计厚度薄玻璃板(6)透射之后的光束入射至平面反射镜(5)的反射面，经该平面反射镜(5)反射后的光束再次经不计厚度薄玻璃板(6)透射获得透射光，该透射光与经不计厚度薄玻璃板(6)的光入射面反射后的光束均通过会聚透镜(11)汇聚至光电探测器(1 的光敏面上，所述光电探测器(12)输出电信号给信号处理系统(13)。
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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述距离d为20mm。
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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述第一固定棒(1-1)和第二固定棒(1-2)的两个端面均粘固有非磁性材料。
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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述第一固定棒(1-1)的另一端固定设置为第一固定棒 (1-1)的另一端固定在工作台上或固定件上。
5.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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述振镜(10)为多普勒振镜，其简谐振动方程和速度方程分别是X (t) = X0COS (ω。t)禾π V (t) = - ω cx0sin (ω。t)，式中 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。
6.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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述信号处理系统(13)由带通滤波器(13-1)、前置放大器 (13-2)、模数转换器A/D (13-3)和数字信号处理器DSP (13_4)组成，所述带通滤波器(13-1)对接收到的光电探测器(1 输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器(13-2)，经前置放大器(13- 放大之后的信号输出给模数转换器A/ D (13-3)，所述模数转换器A/D (13-3)将转换后的信号发送给数字信号处理器DSP (13-4)。
7.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二次谐波测量磁致伸缩系数的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的方法，其特征在于该方法的过程为首先，将铁镍合金样品进行交流退磁，利用二维调整架调节平面反射镜( 和不计厚度薄玻璃板(6)的位置，使平面反射镜( 和不计厚度薄玻璃板(6)相互平行、等高，并使不计厚度薄玻璃板(6)与平面反射镜(5)的反射面之间的距离d为20mm ；然后，调整直流稳压电源G)，使其输出电流最小，并打开振镜(10)的驱动电源使振镜 (10)开始做简谐振动；同时，打开Htl固体激光器(8)，最后，调整直流稳压电源(4)的输出电流，使其输出电流I单调上升，在此过程中，信号处理系统(1 连续采集光电探测器(1 输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜( 和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离变化量，根据该距离变化量获得待测铁镍合金样品( 的磁致伸缩系数 α = Δ 1/1，式中，ΔΙ/为待测铁镍合金样品( 在磁场中的长度变化量，即为平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离变化量，1为待测铁镍合金样品( 的原始长度。
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二次谐波测量磁致伸缩系数的方法，其特征在于对所述信号处理系统(13)连续采集光电探测器(12)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜( 和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离变化量的过程为线偏振光依次经过偏振分束镜PBS (7)和四分之一波片(9)后照射到振镜(10)前表面上，不同时刻被振镜(10)调制的反射光又经过四分之一波片(9)后透过偏振分束镜PBS(7) 斜入射到不计厚度薄玻璃板(6)上，经不计厚度薄玻璃板(6)透射的光被平面反射镜(5) 反射后与经过不计厚度薄玻璃板(6)前表面反射的光一起被会聚透镜(11)会聚到光电探测器(1 光敏面上，最后经光电探测器(1 光电转换后的电信号经过前置放大器(13-2)、 模数转换器A/D (13- 和数字信号处理器DSP (13-4)后得到不同时刻待测的参数信息；由于激光在不计厚度薄玻璃板(6)前表面的反射光与平面反射镜(5)反射k次和k+Ι次后的透射出不计厚度薄玻璃板(6)前表面的光混频，产生两个幅度相差2 3个数量级的差频信号，所述处理过程中的二次谐频差是由所检测的&光与平面反射镜(5)k+2次反射后的 Ek+2光混频所产生的；当激光以入射角θ ^斜入射不计厚度薄玻璃板(6)前表面时的入射光场为E(t)= lexp (i ω”，振镜(10)的简谐振动方程和速度方程分别是x(t) = X0Cos (ωct)和v(t) =-ωεχ08 η(ωε )；由于振镜(10)的运动，反射光的频率变ω = ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω ct) / c)，式中参数Qci为激光角频率，参数为振镜(10)振动的振幅，参数ω。为振镜(10)的角频率，c为光速；则t-L/c时刻到达平面反射镜(5)前表面的反射光场为 E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-L/c)) /c)公式1(t-L/c) + ω 0x0cos (ω c (t_L/c)) /c]}式中，参数= r，r为薄玻璃板(6)的反射系数；L为振镜(10)到不计厚度薄玻璃板(6)前表面的光程屯为振幅常数；经不计厚度薄玻璃板(6)透射的光在不同时刻被平面反射镜( 后表面多次反射并多次透射出不计厚度薄玻璃板(6)的前表面，其透射光的表达式分别写成如下形式
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置及方法，它涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量磁致伸缩系数的装置及方法。它为了解决现有的激光外差测量技术在测量磁致伸缩系数存在的采集激光差频信号质量较差，信号处理的运算速度慢的问题而提出。将待测样品退磁，设置平面反射镜和薄玻璃的位置，打开H0固体激光器，信号处理系统连续采集所检测的二次谐波信号并处理光电探测器输出的电信号，得到平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量，并获得待测样品的磁致伸缩系数它具有采集激光差频信号质量高，信号处理的运算速度快的优点。它可广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统。
文档编号G01N21/45GK102253001SQ20111014479
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
发明者李彦超, 王春晖 申请人:哈尔滨工业大学