基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置及方法

日期:2019-03-02 15:11:07

专利名称:基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量金属线膨胀系数的系统及测量方法。
背景技术
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。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;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,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。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金属线膨胀系数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
本发明为了解决现有采用多光束激光外差测量金属线膨胀系数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,从而提供一种基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置及方法。基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置,它包括Htl固体激光器、四分之一波片、振镜、第一平面反射镜、偏振分束镜PBS、会聚透镜、薄玻璃板、第二平面反射镜、待测金属棒、电热炉、光电探测器和信号处理系统;Htl固体激光器发出的线偏振光经第一平面反射镜反射之后入射至偏振分束镜 PBS,经该偏振分束镜PBS反射后的光束经四分之一波片透射后入射至振镜的光接收面,
5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薄玻璃板,经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第二平面反射镜, 该光束在相互平行的薄玻璃板后表面和第二平面反射镜之间反复反射和透射多次,获得多束经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;薄玻璃板后表面和第二平面反射镜之间的距离为实数d ;所述第二平面反射镜的非反射面中心与待测金属棒的一端固定连接,所述待测金属棒的整体位于电热炉内,该待测金属棒在温度的作用下产生轴向形变。基于上述装置的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量方法,首先,调制电热炉的位置,使与待测金属棒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,并使第二平面反射镜的反射面与薄玻璃板之间的距离d为15mm 20mm ;然后,采用电热炉对待测金属棒进行均勻加热,并打开振镜的驱动电源使振镜开始振动;同时,打开Htl固体激光器;最后,采集电热炉内部的温度,读取并记录温度值,获得温度变化量ΔΤ,同时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,进而获得第二平面反射镜和薄玻璃板后表面之间的距离变化量,该距离变化量△(!即为待测金属棒的长度变化量Δ1 ;根据待测金属棒的长度变化量Δ1和电热炉内部的温度值的变化量ΔΤ获得金属线膨胀系数α
权利要求
1.基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置,其特征是它包括Htl 固体激光器(2)、四分之一波片(12)、振镜(13)、第一平面反射镜(3)、偏振分束镜PBS (11)、 会聚透镜(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射镜(6)、待测金属棒(15)、电热炉(14)、光电探测器(4)和信号处理系统(5);Htl固体激光器(2)发出的线偏振光经第一平面反射镜(3)反射之后入射至偏振分束镜 PBS (11),经该偏振分束镜PBS (11)反射后的光束经四分之一波片(12)透射后入射至振镜 (13)的光接收面,经该振镜(13)反射的光束再次经四分之一波片(12)透射后发送至偏振分束镜PBS (11),经该偏振分束镜PBS (11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9),经该薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射镜(6),该光束在相互平行的薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间反复反射和透射多次,获得多束经薄玻璃板(9)透射之后的光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光一起通过会聚透镜(10)汇聚至光电探测器(4)的光敏面上,所述光电探测器(4)输出电信号给信号处理系统(5);薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射镜(6)之间的距离为实数d ;所述第二平面反射镜(6)的非反射面中心与待测金属棒(15)的一端固定连接,所述待测金属棒(15)的整体位于电热炉(14)内。
2.根据权利要求1所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置,其特征在于温控仪(16)和温度采集装置,所述电热炉(14)的温控信号输入端与数显温控仪(16)的温控信号输出端连接;温度采集装置采集待测金属棒(15)的温度,所述温度采集装置的温度信号输出端与温控仪(16)的温度信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置,其特征在于温控仪(16)为数显温控仪。
4.根据权利要求2所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置,其特征在于温度采集装置为钼电阻。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置,其特征在于信号处理系统(5)由滤波电路(5-1)、前置放大电路(5-2)、模数转换电路(A/D)和数字信号处理器DSP组成,所述滤波电路(5-1)对接收到的光电探测器(4) 输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大电路(5-2),经所述前置放大电路(5-2)放大之后的信号输出给模数转换电路(A/D),所述模数转换电路(A/D)将转换后的信号发送给数字信号处理器DSP。
6.基于权利要求1的所述的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量装置的测量方法,其特征是首先,调制电热炉(14)的位置,使与待测金属棒(15)固定连接的第二平面反射镜(6) 的反射面与薄玻璃板(9)相互平行,并使第二平面反射镜(6)的反射面与薄玻璃板(9)之间的距离d为15mm 20mm ;然后,采用电热炉(14)对待测金属棒(15)进行均勻加热,并打开振镜(13)的驱动电源使振镜(13)开始振动;同时,打开Htl固体激光器(2);最后,采集电热炉(14)内部的温度,读取并记录温度值,获得温度变化量ΔΤ,同时信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号,并对采集到的信号进行处理,进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量,该距离变化量△(!即为待测金属棒(15)的长度变化量Δ1 ;根据待测金属棒(15)的长度变化量Δ1和电热炉 (14)内部的温度值的变化量ΔΤ获得金属线膨胀系数α
7.根据权利要求6的基于多光束激光外差二次谐波的金属线膨胀系数的测量方法, 其特征在于信号处理系统(5)连续采集光电探测器(4)输出的电信号,并对采集到的信号进行处理,进而获得第二平面反射镜(6)和薄玻璃板后表面(9)之间的距离变化量的过程为根据经该偏振分束镜PBS(11)透射后的光束斜入射至薄玻璃板(9)的入射角为θ 0,此时的入射光场为E (t) = E0exp (i ω0 ) 以及振镜(13)的振动方程 x(t) = a(t2/2) 和振镜(13)的速度方程 v(t) = at获得振镜(13)的反射光的频率 ω = co0(l+at/c)式中Etl为常数,i表示虚数,Oci为激光角频率,a为振镜(13)的振动加速度,c为光速;则在t-L/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谐波的金属线膨胀系数的测量装置及方法,涉及测量金属线膨胀系数的系统及测量方法。它解决了现有采用多光束激光外差测量金属线膨胀系数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。本发明通过在光路中引入振镜,使不同时刻入射的光信号附加了一个光频,这样经过平面反射镜k次和k+2次反射的光在满足干涉的条件下,产生多光束外差二次谐波信号,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,从而计算获得金属线膨胀系数。本发明适用于测量金属线膨胀系数。
文档编号G01B11/02GK102253075SQ20111014505
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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