多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法

日期:2019-03-02 15:10:48

专利名称:多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法
技术领域
本发明涉及一种测量杨氏模量的方法。
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,但这些方法间接测量量较多,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。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,现有采用多光束激光外差测量杨氏模量的方法由于激光信号差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致测量精度较低。

发明内容
为了解决现有采用多光束激光外差测量杨氏模量的方法由于激光差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致的测量精度较低的问题,从而提供一种多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法。多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,它是基于多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置实现的,所述系统包括多光束激光外差测量距离的装置,它由Htl固体激光器、平面反射镜、四分之一波片、振镜、振镜驱动电源、偏振分束镜、会聚透镜、薄玻璃板、光电探测器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90且大于等于0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,光电探测器的电信号输出端与滤波器的信号输入端连接,滤波器的信号输出端与前置放大器的信号输入端连接,前置放大器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端连接,所述A/D转换器的信号输出端与DSP 数字信号处理器的信号输入端连接,所述DSP数字信号处理器中固化有FFT算法,DSP数字信号处理器根据接收到的信号解调后获得平面反射镜和薄玻璃板之间的距离,此距离等于待测金属丝的长度变化量;多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,它由以下步骤实现步骤一、把一根长L,平均直径为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、信号处理系统采集光电探测器输出的信号,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;根据胡克定律,获得待测金属丝的杨氏模量为
权利要求
1.多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,它是基于多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置实现的,所述系统包括多光束激光外差测量距离的装置,它由Htl固体激光器(1)、平面反射镜(6)、四分之一波片(3)、振镜O)、振镜驱动电源、偏振分束镜G)、 会聚透镜(9)、薄玻璃板(5)、光电探测器(10)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(6),所述薄玻璃板( 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O)、偏振分束镜G)、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的前表面, 经该偏振分束镜(4)反射的光束经四分之一波片( 透射之后发射到振镜O)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G),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, 所述透光束经平面反射镜(6)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(9),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(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,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(1 的信号输入端连接,前置放大器(1 的信号输出端与A/D转换器(1 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;其特征是多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,它由以下步骤实现 步骤一、把一根长L,平均直径为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,然后打开激光器 (1),并同时控制振镜驱动电源驱动振镜O)开始振动;步骤二、信号处理系统采集光电探测器(10)输出的信号,获得薄玻璃板( 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)输出的信号,获得薄玻璃板( 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、根据步骤二和四获得的两个距离参数,获得薄玻璃板( 和平面反射镜(6)之间距离的变化量Ad,该距离变化量Ad即为待测金属丝(8)在质量m的作用下的伸长量 AL;根据胡克定律,获得待测金属丝的杨氏模量为E = I SAL式中,S为待测金属丝的截面积,S = η T2/4 ;F为在伸长方向上的拉力,即为砝码重量mg;参数g为重力加速度;则,力F对应的杨氏模量为
2.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,其特征在于 xmg在待测金属丝的弹性限度内。
3.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,其特征在于待测金属丝(8)为钢丝。
4.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,其特征在于待测金属丝(8)的长度为lm,截面直径为0. 25mm至1mm。
5.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,其特征在于基于多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的系统中,距离d ^ 20mm。
6.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,其特征在于基于多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的系统中,H0固体激光器03)发射出的激光束的光场为E(t) = E0exp (i ω0 ),参数i表示虚数表示常数;Qci表示激光的初始角频率。
7.根据权利要求1所述的多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,其特征在于基于多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的系统中,所述振镜(6)为多普勒振镜(6),该振镜(6)的振动方程为x(t) = a(t2/2),t e
,取值间隔为1 μ s ;x(t)表示振镜(6)的振动幅度;参数a表示振镜的振动加速度,通常取值范围是IO2 104m/s2 ; 该振镜(6)的速度方程为 ν (t) = at ο
全文摘要
多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法,涉及一种测量杨氏模量的方法。它解决了现有采用多光束激光外差测量杨氏模量的方法存在的由于激光外差拍频信号采集效果差、信号处理速度慢导致的测量精度较低的问题。它通过在光路中引入振镜,根据多普勒效应使不同时刻入射的光信号附加了一个光频,因此经过平面反射镜k次反射的光和k+2次反射光透过薄玻璃板后在满足干涉的条件下,产生多光束外差二次谐波信号,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。在测量样品杨氏模量的过程中,在频域得到了包含金属长度变化量的频率值,经信号解调后得到样品长度随砝码质量的变化量,计算可以获得样品的杨氏模量。本发明适用于测量杨氏模量。
文档编号G01N3/08GK102221502SQ20111014517
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者张峰, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学


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