线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置及方法
【专利摘要】线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置及方法，涉及工程领域。本发明是为了解决现有的测量方法的测量误差大、测量精度低的问题。本发明包括线性调频激光器、第一平面反射镜、会聚透镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、光电探测器、信号处理系统和电热炉，第二平面与薄玻璃板相互平行并等高，采用经线性调频后的激光以入射角θ0斜入射至薄玻璃板上，光电探测器输出光电流经傅里叶变换后获得外差信号频率，获得薄玻璃板和平面反射镜之间的距离d，距离的变化量Δd等于待测金属杆的伸长量Δl，数显温控仪读取温度显示值，通过金属线膨胀系数公式获得金属线膨胀系数α。它可用于超精密测量、检测、加工设备和激光雷达系统中。
【专利说明】线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用激光外差测量金属线膨胀系数的装置及方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]在用这些方法测量的过程中，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，测量的相对误差可为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，导致精度无法再提高，也不能满足目前超高精度测量的要求。
[0004]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。
[0005]本文基于线性调频技术和激光外差技术，提出了一种高精度线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的方法，即利用线性调频技术将待测参数信息调制到外差信号中，通过对激光外差信号的解调可以精确获得待测参数信息。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决现有的测量方法的测量误差大、测量精度低的问题。现提供线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置及方法。
[0007]线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置，它包括线性调频激光器、第一平面反射镜、会聚透镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、光电探测器、信号处理系统和电热炉，
[0008]线性调频激光器发出的线偏振光经过第一平面反射镜反射之后斜入射到薄玻璃板上，经薄玻璃板透射后入射至第二平面反射镜，该入射光经该薄玻璃板与第二平面反射镜多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经薄玻璃板的透射之后汇聚至光电探测器的光敏面上；
[0009]光电探测器的电信号输出端与信号处理系统的电信号输入端连接，薄玻璃板与第二平面反射镜之间的距离为正实数山
[0010]第二平面反射镜的非反射面中心与待测金属杆的一端固定连接，所述电热炉用于给待测金属杆加热。
[0011]采用线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置实现的方法，
[0012]调节电热炉的位置，使得与待测金属杆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等高，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20mm~30mm，采用电热炉对待测金属杆均匀加热，利用数显温控仪监测电热炉内部的温度，读取并记录温度显示值，获得温度变化量为ΛΤ，同时，线性调频激光器连续采集光电探测器输出的电信号，并对电信号进行处理，获得薄玻璃板和第二平面反射镜之间距离的变化量八山该变化量△(!等于待测金属杆的伸长量Al，根据金属线膨胀系数公式:
[0013]
【权利要求】
1.线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(1)、第一平面反射镜(2)、会聚透镜(5)、薄玻璃板(3)、第二平面反射镜(4)、光电探测器(6)、信号处理系统(7)和电热炉(8)， 线性调频激光器(1)发出的线偏振光经过第一平面反射镜(2)反射之后斜入射到薄玻璃板(3)上，经薄玻璃板(3)透射后入射至第二平面反射镜(4)，该入射光经该薄玻璃板(3)与第二平面反射镜(4)多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经薄玻璃板(3)的透射之后汇聚至光电探测器出)的光敏面上； 光电探测器(6)的电信号输出端与信号处理系统(7)的电信号输入端连接,薄玻璃板(3)与第二平面反射镜(4)之间的距离为正实数d， 第二平面反射镜(4)的非反射面中心与待测金属杆(9)的一端固定连接，所述电热炉(8)用于给待测金属杆(9)加热。
2.根据权利要求1所述的线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，它还包括数显温控仪(10)和测温探头， 所述电热炉(8)的温控信号输入端与数显温控仪(10)的温控信号输出端连接，测温探头采集待测金属杆(9)的温度，所述测温探头的温度信号输出端与数显温控仪(10)的温度信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，测温探头为钼热电阻。
4.根据权利要求1、2或3所述的线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，信号处理系统(7)包括滤波器(7-1)、前置放大器(7-2)、A/D转换器(7-3)和数字信号处理器DSP (7-4)， 所述滤波器(7-1)对接收到的光电探测器(6)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器(7-2)，经前置放大器(7-2)放大之后的信号输出给Α/D转换器(7-3)，Α/D转换器(7-3)将转换之后的数字信号发送给数字信号处理器DSP (7-4)。
5.采用权利要求1所述的线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置实现的方法，其特征在于，调节电热炉(8)的位置，使得与待测金属杆(9)固定连接的第二平面反射镜(4)的反射面与薄玻璃板(3)相互平行并等高，并使第二平面反射镜(4)的反射面与薄玻璃板(3)之间的距离d为20mm~30mm，采用电热炉(8)对待测金属杆(9)均匀加热，利用数显温控仪(10)监测电热炉(8)内部的温度，读取并记录温度显示值，获得温度变化量为AT，同时，线性调频激光器⑴连续采集光电探测器(6)输出的电信号，并对电信号进行处理，获得薄玻璃板和第二平面反射镜之间距离的变化量△(!，该变化量Ad等于待测金属杆的伸长量△〗，根据金属线膨胀系数公式:
Al a=T^ (公式 η) 获得金属线膨胀系数α， 式中，10为待测金属杆(9)的原长。
6.根据权利要求5所述的采用线性调频双光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置实现的方法，其特征在于，线性调频激光器(I)连续采集光电探测器(6)输出的电信号，并对电信号进行处理，获得薄玻璃板和第二平面反射镜之间距离的变化量Ad的过程为: 经线性调频后的激光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板上时，入射光场为:
E(t) = EQexp{i (coQt+kt2)} (公式 I) 其中，
【文档编号】G01N25/16GK103954645SQ201410205956
【公开日】2014年7月30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, 杨九如, 冉玲苓, 高扬, 柳春郁, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰 申请人:黑龙江大学