專利名稱：基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量金屬線膨脹系數(shù)的系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù)：
物體的熱膨脹性質(zhì)反映了材料本身的屬性，通常將固體受熱后在一維方向上長度的變化稱為線膨脹。測量材料的線膨脹系數(shù)，不僅對新材料的研制具有重要意義，而且也是選用材料的重要指標之一。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械和儀表的制造、材料的加工等過程中都必須考慮材料的熱膨脹特性。否則，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度?？紤]失當，甚至會造成工程的損毀，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。目前，對金屬線膨脹系數(shù)的測定有光杠桿法、讀數(shù)顯微鏡法、電熱法和激光干涉法等測量方法。在用這些方法測量的過程中，由于需要直接測量的參數(shù)過多，操作較復(fù)雜，以至于實驗的系統(tǒng)誤差與偶然誤差偏大，例如，用光杠桿法測金屬線脹系數(shù)時，由于近似公式的采用與復(fù)雜的操作使其系統(tǒng)誤差偏大，同時，由于讀數(shù)裝置配備不合理引入的偶然誤差也較大；讀數(shù)顯微鏡法由于視覺引起的偶然誤差和電熱法實際溫度與傳感器的延遲引起的系統(tǒng)誤差等都極大的限制了其測量精度；激光干涉法由于該裝置的干涉條紋銳細、分辨率高，同時實驗操作簡單，從而大大減小了實驗誤差，實現(xiàn)了金屬線脹系數(shù)的精確測量，但是這種方法在讀取干涉條紋數(shù)時存在視覺引起的偶然誤差，導致精度無法再提高，也不能滿足目前超高精度測量的要求。而在光學測量法中，激光外差測量技術(shù)具有高的空間和時間分辨率、測量速度快、 精度高、線性度好、抗干擾能力強、動態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測量范圍大等優(yōu)點而備受國內(nèi)外學者關(guān)注，激光外差測量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)的諸多優(yōu)點，是目前超高精度測量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測及測量儀器的標志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測量、檢測、加工設(shè)備、激光雷達系統(tǒng)等。但，現(xiàn)有采用多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的方法由于激光信號差頻信號采集效果差、信號處理的運算速度慢導致測量精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有采用多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的方法由于激光差頻信號采集效果差、信號處理的運算速度慢導致的測量精度較低的問題，從而提供一種基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置及方法。基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置，它包括Htl固體激光器、四分之一波片、振鏡、第一平面反射鏡、偏振分束鏡PBS、會聚透鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、待測金屬棒、電熱爐、光電探測器和信號處理系統(tǒng)；Htl固體激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)第一平面反射鏡反射之后入射至偏振分束鏡 PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS反射后的光束經(jīng)四分之一波片透射后入射至振鏡的光接收面，
5經(jīng)該振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡 PBS透射后的光束入射至薄玻璃板，經(jīng)該薄玻璃板透射之后的光束入射至第二平面反射鏡， 該光束在相互平行的薄玻璃板后表面和第二平面反射鏡之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通過會聚透鏡匯聚至光電探測器的光敏面上，所述光電探測器輸出電信號給信號處理系統(tǒng)；薄玻璃板后表面和第二平面反射鏡之間的距離為實數(shù)d ；所述第二平面反射鏡的非反射面中心與待測金屬棒的一端固定連接，所述待測金屬棒的整體位于電熱爐內(nèi)，該待測金屬棒在溫度的作用下產(chǎn)生軸向形變?；谏鲜鲅b置的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量方法，首先，調(diào)制電熱爐的位置，使與待測金屬棒固定連接的第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板相互平行，并使第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板之間的距離d為15mm 20mm ；然后，采用電熱爐對待測金屬棒進行均勻加熱，并打開振鏡的驅(qū)動電源使振鏡開始振動；同時，打開Htl固體激光器；最后，采集電熱爐內(nèi)部的溫度，讀取并記錄溫度值，獲得溫度變化量ΔΤ，同時信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，進而獲得第二平面反射鏡和薄玻璃板后表面之間的距離變化量，該距離變化量△(!即為待測金屬棒的長度變化量Δ1 ；根據(jù)待測金屬棒的長度變化量Δ1和電熱爐內(nèi)部的溫度值的變化量ΔΤ獲得金屬線膨脹系數(shù)α
權(quán)利要求
1.基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置，其特征是它包括Htl 固體激光器(2)、四分之一波片(12)、振鏡(13)、第一平面反射鏡(3)、偏振分束鏡PBS (11)、 會聚透鏡(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射鏡(6)、待測金屬棒(15)、電熱爐(14)、光電探測器(4)和信號處理系統(tǒng)(5)；Htl固體激光器(2)發(fā)出的線偏振光經(jīng)第一平面反射鏡(3)反射之后入射至偏振分束鏡 PBS (11)，經(jīng)該偏振分束鏡PBS (11)反射后的光束經(jīng)四分之一波片(12)透射后入射至振鏡 (13)的光接收面，經(jīng)該振鏡(13)反射的光束再次經(jīng)四分之一波片(12)透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS (11)，經(jīng)該偏振分束鏡PBS (11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9)，經(jīng)該薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射鏡(6)，該光束在相互平行的薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射鏡(6)之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板(9)透射之后的光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光一起通過會聚透鏡(10)匯聚至光電探測器(4)的光敏面上，所述光電探測器(4)輸出電信號給信號處理系統(tǒng)(5)；薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射鏡(6)之間的距離為實數(shù)d ；所述第二平面反射鏡(6)的非反射面中心與待測金屬棒(15)的一端固定連接，所述待測金屬棒(15)的整體位于電熱爐(14)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置，其特征在于溫控儀(16)和溫度采集裝置，所述電熱爐(14)的溫控信號輸入端與數(shù)顯溫控儀(16)的溫控信號輸出端連接；溫度采集裝置采集待測金屬棒(15)的溫度，所述溫度采集裝置的溫度信號輸出端與溫控儀(16)的溫度信號輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置，其特征在于溫控儀(16)為數(shù)顯溫控儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置，其特征在于溫度采集裝置為鉬電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置，其特征在于信號處理系統(tǒng)(5)由濾波電路(5-1)、前置放大電路(5-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)和數(shù)字信號處理器DSP組成，所述濾波電路(5-1)對接收到的光電探測器(4) 輸出的電信號進行濾波之后發(fā)送給前置放大電路(5-2)，經(jīng)所述前置放大電路(5-2)放大之后的信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器DSP。
6.基于權(quán)利要求1的所述的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置的測量方法，其特征是首先，調(diào)制電熱爐(14)的位置，使與待測金屬棒(15)固定連接的第二平面反射鏡(6) 的反射面與薄玻璃板(9)相互平行，并使第二平面反射鏡(6)的反射面與薄玻璃板(9)之間的距離d為15mm 20mm ；然后，采用電熱爐(14)對待測金屬棒(15)進行均勻加熱，并打開振鏡(13)的驅(qū)動電源使振鏡(13)開始振動；同時，打開Htl固體激光器(2)；最后，采集電熱爐(14)內(nèi)部的溫度，讀取并記錄溫度值，獲得溫度變化量ΔΤ，同時信號處理系統(tǒng)(5)連續(xù)采集光電探測器(4)輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，進而獲得第二平面反射鏡(6)和薄玻璃板后表面(9)之間的距離變化量，該距離變化量△(!即為待測金屬棒(15)的長度變化量Δ1 ；根據(jù)待測金屬棒(15)的長度變化量Δ1和電熱爐 (14)內(nèi)部的溫度值的變化量ΔΤ獲得金屬線膨脹系數(shù)α
7.根據(jù)權(quán)利要求6的基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量方法， 其特征在于信號處理系統(tǒng)(5)連續(xù)采集光電探測器(4)輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，進而獲得第二平面反射鏡(6)和薄玻璃板后表面(9)之間的距離變化量的過程為根據(jù)經(jīng)該偏振分束鏡PBS(11)透射后的光束斜入射至薄玻璃板(9)的入射角為θ 0，此時的入射光場為E (t) = E0exp (i ω0 ) 以及振鏡(13)的振動方程 x(t) = a(t2/2) 和振鏡(13)的速度方程 v(t) = at獲得振鏡(13)的反射光的頻率 ω = co0(l+at/c)式中Etl為常數(shù)，i表示虛數(shù)，Oci為激光角頻率，a為振鏡(13)的振動加速度，c為光速；則在t-L/c時刻到達薄玻璃板前表面并被該表面反射的反射光的光場為a{t-L! cfa(t-L/c)9E1 (t) = a}E0 exp {ι[ω0 (1 + —-L)t + ω0---]}
全文摘要
基于多光束激光外差二次諧波的金屬線膨脹系數(shù)的測量裝置及方法，涉及測量金屬線膨脹系數(shù)的系統(tǒng)及測量方法。它解決了現(xiàn)有采用多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的方法由于激光差頻信號采集效果差、信號處理的運算速度慢導致的測量精度較低的問題。本發(fā)明通過在光路中引入振鏡，使不同時刻入射的光信號附加了一個光頻，這樣經(jīng)過平面反射鏡k次和k+2次反射的光在滿足干涉的條件下，產(chǎn)生多光束外差二次諧波信號，將待測信息成功地調(diào)制在中頻外差二次諧波信號的頻率差中，從而計算獲得金屬線膨脹系數(shù)。本發(fā)明適用于測量金屬線膨脹系數(shù)。
文檔編號G01B11/02GK102253075SQ20111014505
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者張峰, 曲楊, 李彥超, 王春暉, 高龍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學