專利名稱：：一種高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法，特別是一種多光束激光外差高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法。
背景技術(shù)：
：在日常生活與實際生產(chǎn)中，通常將固體受熱后在一維方向上長度的變化稱為線膨脹。在相同條件下，不同材料的固體，其線膨脹程度一般是不同的。線脹系數(shù)作為材料膨脹屬性的一種表征，其測量不僅是物理實驗教學(xué)的一個重要內(nèi)容，而且在道路、橋梁、建筑、精密儀器、儀表等設(shè)計及材料的焊接、加工等各種領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。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[5]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膨脹系數(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，以至于其相對誤差達(dá)4.4%；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(xì)、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)了金屬線膨脹系數(shù)的精確測量，測量的相對誤差可為2%，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(dǎo)致精度無法再提高。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種多光束激光外差高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法，可以實現(xiàn)對金屬線膨脹系數(shù)進(jìn)行高精度實時的在線測量。一方面，一種高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于該高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置包括干涉系統(tǒng)、高速PZT振鏡系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。所述干涉系統(tǒng)包括Htl固體激光器、平面反射鏡3、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡1、偏振分光鏡BS1、薄透鏡、平面反射鏡2。所述高速PZT振鏡系統(tǒng)包括驅(qū)動電源、PZT晶體和平面反射鏡，其特征在于=PZT晶體與平面反射鏡沿振動方向相互交合，且PZT晶體在驅(qū)動電源作用下帶動與其相互膠合的反射鏡一起做高速簡諧振動。所述H。固體激光器為線偏振激光光源，波長λ=2050nm，其特征在于此激光對人眼安全。所述加熱系統(tǒng)包括數(shù)顯溫度控制儀、測溫探頭以及給待測金屬桿加熱的電熱爐組成，溫度控制儀的控溫精度為0.001°。所述信號處理系統(tǒng)包括光電探測器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP。打開的電爐加熱帶有平面反射鏡2的金屬棒到一定溫度，溫度值可以通過溫度控制儀觀察，此時金屬棒長度會發(fā)生變化，2050nmH0固體激光器發(fā)射的S偏振光被平面反射鏡3反射，反射的S偏振光垂直入射到偏振分光鏡BSl上，并被偏振分光棱鏡反射，此反射S偏振光經(jīng)過四分之一波片后垂直入射到隨PZT晶體一起做高速簡諧振動的平面反射鏡1上，被平面反射鏡1反射S偏振光又經(jīng)過四分之一波片后變成P偏振光，P偏振光透過偏振分光鏡BSl后入射到薄透鏡表面，經(jīng)薄透鏡和平面反射鏡2的表面反射的P偏振光正入射到光電探測器的光敏面上，光電探測器把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，電信號被前置放大器放大，而被放大的電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，此數(shù)字信號被DSP高速信號處理器進(jìn)行實時采集、處理后送到計算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到金屬棒長度的變化量等信息。在高精度測量金屬線膨脹系數(shù)裝置的基礎(chǔ)上，基于激光外差測量技術(shù)和激光多普勒技術(shù)，提出了一種非接觸式多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的方法，得到了光電探測器輸出中頻電流的諧波表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>。同時得到了斜入射時多光束激光外差信號頻譜第一個主峰的中心頻率和正入射時理論曲線的中心頻率的比值ζ=cosθ，通過這個比值可以精確計算出激光入射角的大小。當(dāng)多普勒振鏡振動方程為x(t)=k(t2/2)時，取k=4X106m/s2，模擬測量了長150mm，直徑為Φ18.OOmm的黃銅金屬棒材料線膨脹系數(shù)，測量結(jié)果誤差僅為0.4%。上述高精度測量玻璃厚度的裝置中，所述薄透鏡和光電探測器之間設(shè)有會聚透鏡，用來將薄透鏡和平面反射鏡2表面反射的P偏振光會聚到位于焦點處的光電探測器的光敏面上。上述高精度測量玻璃厚度的裝置中，所述會聚透鏡由透明的高透過率材料制成。上述高精度測量玻璃厚度的裝置中，會聚透鏡的兩個表面都鍍有增加激光透射效率的增透膜。上述高精度測量玻璃厚度的裝置中，所述激光光源和所述偏振分光鏡BSl之間設(shè)有2050nm單模光纖準(zhǔn)直器。上述高精度測量玻璃厚度的裝置中，所述的2050nm單模光纖準(zhǔn)直器用于將所述2050nmH。固體激光器發(fā)射的激光準(zhǔn)直擴(kuò)束輸出。。本發(fā)明將PZT振鏡系統(tǒng)巧妙地引入了高精度測量玻璃厚度的裝置中，提出了一種利用激光外差技術(shù)與激光多普勒技術(shù)相結(jié)合的方法來實現(xiàn)精確測量的思想。當(dāng)激光束斜入射到待測玻璃樣品前后表面時，經(jīng)前后表面反射的光滿足相干條件發(fā)生混頻干涉，待測玻璃樣品的厚度信息即被加載在干涉后的混合光場中。但由于前后表面的反射光場頻率未發(fā)生變化，厚度信息只調(diào)制在相位的變化上，是不宜被探測、解調(diào)的，采取上述技術(shù)方案，可以將待測參數(shù)信息不僅被調(diào)制在相位差上，而且也被調(diào)制在頻率差中，便于后期信號處理，成功地彌補(bǔ)上述缺陷，這種方法在測量金屬線膨脹系數(shù)是可行和可靠的。同時，與其他測量方法相比多光束激光外差測量法測金屬線膨脹系數(shù)具有高的空間和時間分辨率、測量精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大等優(yōu)點，同時兼具實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、操作方便、重復(fù)性好；實驗結(jié)果誤差小、精確度高等多方面優(yōu)勢。由于實驗現(xiàn)象明顯，實驗數(shù)據(jù)可靠，因此可以在工程設(shè)計等領(lǐng)域廣泛使用，在激光超精密測量領(lǐng)域具有很高的實用價值。以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中圖1是多光束激光干涉原理示意圖；圖2是多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖3是15°C情況下多光束激光外差信號的傅里葉變換頻譜圖；圖4是不同溫度情況下金屬棒長度變化量測量對應(yīng)的頻譜；圖5是2050nmH0固體激光器準(zhǔn)直輸出結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是平面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是偏振分光鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是高速PZT振鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施例方式假設(shè)溫度為T1時金屬的長度為I1,溫度為T2時金屬的長度為12，當(dāng)溫度變化范圍不大時，金屬的伸長量Δ1(Δ1=I2-I1)與溫度變化量ΔΤ(ΔΤ=T2-T1)及金屬的原長I0成正比，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)式中，α即為金屬的線脹系數(shù)。于是可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>因此，只要測出T1,T2間隔內(nèi)金屬棒長度的變化量Δ1即可求出金屬的線脹系數(shù)?；诙喙馐す馔獠顪y量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，由于光束在薄透鏡和平面反射鏡之間會如圖1所示不斷地反射和折射，而這種反射和折射對于反射光和透射光在無窮遠(yuǎn)處或透鏡焦平面上的干涉都有貢獻(xiàn)，所以在討論干涉現(xiàn)象時，必須考慮多次反射和折射效應(yīng)，即應(yīng)討論多光束激光干涉。在不考慮薄透鏡自身厚度的情況下，當(dāng)激光以入射角θ^斜入射時，設(shè)入射光場為E(t)=Eexp(i(Ocit)，多普勒振鏡的振動方程和速度方程分別是x(t)=k(t2/2)和v(t)=kt。由于振鏡的運(yùn)動，反射光的頻率變?yōu)棣?(^(l+kt/c)，式中Coci為激光角頻率，k為比例常數(shù)，c為光速。則t-1/c時刻到達(dá)薄透鏡表面的光場為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>而經(jīng)薄透鏡透射的光在不同時刻被平面反射鏡2多次反射，其反射光的表達(dá)式可以分別寫成如下形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>......<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，αι=r，α2=ββ'r'，…，Cim=ββ'r'(2m_3)，r為光從周圍介質(zhì)射入薄透鏡時的反射率，透射率為β，!·'為平面反射鏡2的反射率，薄透鏡和平面反射鏡2之間反射光射出薄透鏡時的透射率為β‘，d為薄透鏡和平面反射鏡2之間的距離。這樣，探測器接收到的總光場可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)則探測器輸出的光電流可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，e為電子電量，Z為探測器表面介質(zhì)的本征阻抗，η為量子效率，D為探測器光敏面的面積，h為普朗克常數(shù)，ν為激光頻率。由于直流項經(jīng)過低通濾波器后可以濾除，因此，這里只考慮交流項，此交流項通常稱為中頻電流，整理可得中頻電流為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>忽略1/c3的小項之后可以簡化為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>這里，ρ取自然數(shù)。通過(10)式可以看到，多光束外差測量法獲得的中頻項頻率差以及相位差中都有薄透鏡和平面反射鏡2之間距離d的信息。主要針對中頻項中頻率差進(jìn)行分析，因為采用傅里葉變換很容易實現(xiàn)頻率測量。此時，根據(jù)(11)式，可以把干涉信號的頻率記為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(13)根據(jù)(13)式可知，干涉信號的頻率與待測距離成正比，比例系數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(I4)與光源角頻率(Oci、薄透鏡和平面反射鏡之間介質(zhì)的折射率η、折射角θ以及振鏡常數(shù)k有關(guān)。應(yīng)當(dāng)說明的是，通過(10)式和(14)式可以看出，探測器輸出的光電流是由不同諧波組成的，每一項分別對應(yīng)著頻率的自然倍數(shù)，也就是說相鄰頻率差為固定值，經(jīng)傅里葉變換之后在頻譜上可以看到不同諧波頻率波峰，通過測量不同諧波頻率，就可以測出薄透鏡和平面反射鏡2之間的距離d，當(dāng)d改變時，就可以根據(jù)(13)式測出對應(yīng)d的變化量Ad,然后Ad對測量值加權(quán)平均，這樣處理之后就可以提高Ad的測量精度，知道了Ad就可以根據(jù)(2)式計算得到待測樣品線膨脹系數(shù)。圖2是多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖，整個裝置主要由加熱系統(tǒng)與干涉測量系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)部分主要由數(shù)顯溫控儀211、測溫探頭217以及給待測金屬桿210加熱的電熱爐209組成。數(shù)顯溫控儀211的測溫探頭217通過鉬熱電阻，取得代表溫度的信號；而溫度設(shè)定值使用“設(shè)定旋鈕”調(diào)節(jié)，兩個信號經(jīng)選擇開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器215，可在數(shù)碼管上分別顯示測量溫度和設(shè)定溫度。儀器加熱接近設(shè)定溫度，通過繼電器自動斷開加熱電路；在測量狀態(tài)，顯示當(dāng)前探測到的溫度。干涉測量系統(tǒng)部分主要由多光束外差干涉裝置(該裝置由H。固體激光器201、平面反射鏡202、四分之一波片204、振鏡206、平面反射鏡205、偏振分束鏡203、會聚透鏡212、薄透鏡207、平面反射鏡208組成)和信號處理系統(tǒng)(該裝置由光電探測器213、前置放大器214、A/D215和DSP216組成)組成。平面反射鏡205膠合在振鏡206前表面上，振鏡在驅(qū)動電源作用下帶動平面反射鏡205—起做簡諧振動，加入振鏡的好處是可以對不同時刻入射到平面反射鏡205表面的激光進(jìn)行頻率調(diào)制。其中，線偏振激光光源201為Tm:Ho固體激光波長λ=2050nm(此激光對人眼安全)，平面反射鏡202、205和208—般由玻璃制成的圓形平板結(jié)構(gòu)，其表面鍍有對紅外波長高反的高反射膜，偏振分光鏡203的分光面鍍有特殊的偏振膜，這種膜可以增加特定偏振方向(例如S光)的線偏振激光的反射效率，這種膜還有增加與特定偏振方向正交(例如P光)的線偏振激光的透射效率的功能，會聚透鏡212表面鍍有增加激光透射的增透膜，其一般由K9玻璃制成的球面結(jié)構(gòu)，四分之一波片204表面鍍有增加激光透射的增透膜。當(dāng)激光201作為線偏振激光光源，經(jīng)平面反射鏡202和偏振分光鏡203反射后到達(dá)四分之一波片204，線偏振光變成了圓偏振光后垂直入射到振鏡206的反射面205上，振鏡206振動使激光被反射后又經(jīng)過四分之一波片204后，其激光變成與激光器出射激光偏振方向正交的線偏振光，此時的線偏振光經(jīng)過偏振分光鏡203后斜入射到薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面，此時的光場產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，光頻率發(fā)生變化。又因激光到達(dá)薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面的光程不同平面反射鏡208表面反射光多經(jīng)過2nh的光程，即薄透鏡207表面t-1/c時刻反射的光將與平面反射鏡208表面t-l/c-2nh/c時刻的光發(fā)生混頻。而不同時刻激光發(fā)生的多普勒頻移是不同的，薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面反射光存在頻差，薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面的光經(jīng)過會聚透鏡212后入射到探測器213的光敏面上，光疊加后被光電探測器213進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換把光信號轉(zhuǎn)化成電信號。利用光外差測量技術(shù)，通過處理檢測到的信號，得到薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面反射光的頻率差，根據(jù)頻率差與玻璃厚度的關(guān)系，最終計算得到待測參數(shù)信息，可以通過A/D轉(zhuǎn)換器215和利用DSP216實時采集所要的數(shù)據(jù)，然后通過處理后在計算機(jī)上可以看到多光束外差信號的頻譜等信息。用該裝置進(jìn)行測量時，1.將帶有平面反射鏡208的電爐209(黃銅試件210裝在電爐209中)放在水平支架上；然后將透鏡207放在平面反射鏡208前23mm處，粗調(diào)使平面反射鏡208與薄透鏡207大致平行、等高；2.打開激光器201，使激光依次經(jīng)過平面反射鏡202、偏振分光鏡203和四分之一波片204后照射到膠合在振鏡206前表面的平面反射鏡205上，而不同時刻被振鏡206調(diào)制的反射光又經(jīng)過四分之一波片204后透過偏振分光鏡203垂直射向薄透鏡，可在薄透鏡207上看到一些雜亂無章的光點，通過調(diào)節(jié)薄透鏡207的底座螺釘，可以使其逐步變成一條尖筍狀的光斑，細(xì)心調(diào)節(jié)使“尖筍”縮成一個光點，此時，薄透鏡207與平面反射鏡208基本調(diào)節(jié)平行，干涉裝置調(diào)好；3.移動激光器201使光線與薄透鏡207的法線方向成一角度的射向薄透鏡207；接著使平行光均勻照亮薄透鏡207；4.然后打開溫度控制儀211，將溫控儀開關(guān)置于“設(shè)定”位置，轉(zhuǎn)動設(shè)定旋鈕按照式Ts=Tj+Tz+2.8對數(shù)顯溫控儀進(jìn)行溫度預(yù)設(shè)定，式中Ts為設(shè)定溫度，Ti為基礎(chǔ)溫度，Tz為升高溫度。設(shè)定初始溫度后，將選擇開關(guān)置于“測量”位置，觀測和記錄試件初始溫度；。準(zhǔn)確觀測干涉圖樣中心的位置，按“加熱”鍵，讀取并記錄溫度顯示值T和信號處理后得到的Δ1值，連續(xù)測量多組數(shù)據(jù)。需要說明的是，Δ1的大小在本實驗中恰好等于薄透鏡和平面反射鏡2之間距離的變化量Δd，就可以通過記錄薄透鏡207和平面反射鏡208之間距離的變化量Ad來獲得Δ1的數(shù)值。圖3是15°C情況下多光束激光外差信號的傅里葉變換頻譜圖?；趫D2所搭建的多光束激光外差測量系統(tǒng)，利用MATLAB軟件模擬測量了長150mm，直徑為Φ18.OOmm的黃銅金屬棒材料線膨脹系數(shù)，并驗證多光束激光外差測量方法的可行性。測量中所配置的溫度控制儀器為XMT型數(shù)字顯示溫度調(diào)節(jié)儀；所使用的H。固體激光器波長λ=2050nm，此激光對人眼安全；通常情況下平面反射鏡2和薄透鏡之間介質(zhì)的折射率取η=1；激光的角頻率ω。=2Jlc/λ；激光的光速c=3.0X108m/s，探測器的光敏面孔徑為D=1mm。取多普勒振鏡振動方程為x(t)=k(t2/2)，式中取k=4X106m/s2,t=0:0.001:0.5。通過仿真可以看到，當(dāng)金屬棒處于室溫15°C時，經(jīng)信號處理得到的多光束激光外差信號的傅里葉變換頻譜如圖3所示，其中實線為室溫15°C且激光斜入射情況下，測量金屬棒長度變化量Δ1時對應(yīng)多光束激光外差信號的傅里葉變換頻譜；虛線為室溫15°C且激光正入射情況下，測量金屬棒長度變化量Δ1時對應(yīng)多光束激光外差信號的傅里葉變換頻譜。從圖3中實線可以看出，多光束激光外差信號的頻譜分布，其頻譜是等間隔分布的，與前面理論分析是相符的。同時，從圖3中還可以看到，實驗中給出了正入射的情況下的理論曲線，目的是在多光束激光外差信號頻譜圖中，可以同時得到斜入射時多光束激光外差信號頻譜第一個主峰的中心頻率和正入射時理論曲線的中心頻率的數(shù)值，這樣，很容易得到的兩個中心頻率的比值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在得到中心頻率的情況下，通過(15)式可以算出激光經(jīng)薄透鏡后折射角θ的大小，進(jìn)而根據(jù)折射定律可以獲得入射角Qtl的大小，最后通過(14)式求的Kp的數(shù)值，最終獲得薄透鏡和平面反射鏡2之間距離變化量Δd的值，由于Δd=Δ1，從而根據(jù)⑵式可以計算出任意入射角情況下金屬棒的線膨脹系數(shù)。圖4是不同溫度情況下金屬棒長度變化量測量對應(yīng)的頻譜，從圖4中可以看出，隨著溫度的增加，頻譜的相對位置向低頻方向移動即隨著溫度的增加頻率減小。原因在于在金屬棒線膨脹系數(shù)不變的情況下，溫度變化量和金屬棒長度變化量是成正比關(guān)系的，當(dāng)溫度增加時金屬棒長度隨之增加即薄透鏡和平面反射鏡2之間的距離隨之減小，由于頻率fp與平面反射鏡2和透鏡之間的距離d的關(guān)系為fp=Kpd，Kp不變的情況下，頻率fp和d呈線性光系，因此，平面反射鏡2和透鏡之間的距離d減小時頻率也隨之減小即隨著溫度的增力口，頻譜的相對位置向低頻方向移動，圖4很好地驗證了前面理論分析的正確性。需要說明的是，圖4中為了說明頻率隨溫度變化的具體關(guān)系，只給出了多光束外差FFT變換后的單峰頻譜圖的情況，當(dāng)把圖4進(jìn)行頻譜展開就會看到類似于圖3多峰傅里葉變換頻譜圖。利用上述多光束激光外差測量法，得到了激光入射角時，不同溫度情況下待測金屬棒長度變化量的仿真測量結(jié)果，如表1所示。表1不同溫度情況下，金屬棒長度變化量的仿真測量結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>需要說明的是表1中15°C是實驗室的溫度。利用表1的仿真實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)(2)式可以計算出金屬棒的線膨脹系數(shù)的平均測量值為2.050216X10_5/°C，而金屬棒的線膨脹系數(shù)的理論值[14]為2.06X10_5/°C，這樣就可以得到測量誤差為0.4%，較之其它測量方法的精度提高了一個數(shù)量級。分析數(shù)據(jù)可以看出，由于實驗采用的溫度控制儀的控溫精度為0.001°，因此，溫度控制儀帶來的相對測量誤差較之其它誤差可以忽略，仿真實驗中的誤差主要來自于快速傅里葉變換(FFT)后的精度誤差和計算過程中的舍入誤差。圖5是Ho固體激光光源準(zhǔn)直輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光器501、單模光纖502和2050nm單模光纖準(zhǔn)直器503組成，所述的Ho固體激光器輸出波長為2050nm，此激光對于人眼安全。激光光源501和平面反射鏡之間設(shè)有2050nm單模光纖準(zhǔn)直器，所述2050nm單模光纖準(zhǔn)直器503包括梯度折射率透鏡、玻璃套管、金屬套管、光纖插針和2050nm單模光纖尾纖。其中，2050nm單模光纖尾纖穿入并固定在插針中心，將插針表面進(jìn)行拋光處理后，將梯度折射率透鏡和光纖插針一起放入玻璃套管中實現(xiàn)對準(zhǔn)，同時金屬套管將套在玻璃套管外面，起到保護(hù)作用。所述梯度折射率透鏡和光纖插針端面采用斜面、球形連接，接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面，使端面與光纖軸線的夾角小于90°，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時，插入損耗小于0.5dB，斜面拋光后反射損耗可達(dá)68dB，極好地隔離了后向散射光對激光器影響。同時，插針的外組件采用金屬或非金屬的材料制作，插針與梯度折射率透鏡接觸的斜面必須進(jìn)行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件來支撐光纖或光纖軟纜以釋放應(yīng)力。所使用2050nm單模光纖準(zhǔn)直器的耦合效率為80%以上，其準(zhǔn)直輸出光束直徑在5-10mm之間，所述自聚焦透鏡由透明材料制成，所述透明材料一般為氧化物玻璃等梯度折射率材料，自聚焦透鏡的入射端和輸出端都鍍有增加激光透射率的增透膜。圖6是反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。反射鏡上表面603鍍有增加激光反射率的高反射膜601，該反射鏡通常由平板形透明材料制成，所述透明材料可以為K9玻璃、融石英、硅片和透明塑料等，所述反射鏡面型一般為平面，也可以根據(jù)具體需要設(shè)計成拋物面、雙曲面或者球面等。圖7是偏振分光鏡結(jié)構(gòu)示意圖。偏振分光鏡的分光部分表面705鍍有特殊的偏振膜，此偏振膜的特點是針對S偏振光全反，P偏振光則全透，偏振分光鏡由高透過率材料制成，所述的高透過率材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、鍺片和硅片等，其結(jié)構(gòu)通常為平板型和立方體型，可以根據(jù)具體需要任意選型。當(dāng)入射激光701入射到分光面705時，調(diào)節(jié)偏振分光鏡的分光面位置，使其絕大部分光經(jīng)過四分之一波片后被反射到振鏡的反射面上，經(jīng)過振鏡的反射面反射后的光702經(jīng)相同的四分之一波片后，由于其偏振方向發(fā)生了變化，當(dāng)入射到分光面705上時增透膜起主導(dǎo)作用，絕大部分光被透射，透射光正入射或者斜入射到透明玻璃樣品表面。圖8是高速PZT振鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該振鏡系統(tǒng)包括驅(qū)動電源801、PZT晶體802以及膠合在PZT晶體表面的反射鏡803，反射鏡的反射部分表面鍍有增加激光反射效率的高反射膜。該反射鏡通常由平板形透明材料制成，所述透明材料可以為Κ9玻璃、融石英、硅片和透明塑料等，所述反射鏡面型一般為平面，也可以根據(jù)具體需要設(shè)計成拋物面、雙曲面或者球面等。PZT晶體802通常在驅(qū)動電源801作用下帶動膠合在在其表面的反射鏡一起做高速簡諧振動，目的是用于對不同時刻入射到反射鏡表面的激光進(jìn)行頻率調(diào)制，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，其激光載波頻率將附加一個多普勒頻移。最后需要強(qiáng)調(diào)的是，此方法與傳統(tǒng)激光測量技術(shù)相比較，該方法具有很多優(yōu)勢。首先，由于信號的差頻分量中已經(jīng)消除了頻率分量中光程距離1的影響，從而避免了傳統(tǒng)單激光測量時由于抖動所帶來的誤差；另外系統(tǒng)不需使用雙頻激光技術(shù)來消除誤差，降低了成本。其次，它將激光外差技術(shù)和激光多普勒技術(shù)結(jié)合使用，將兩種技術(shù)的優(yōu)勢很好的應(yīng)用到了厚度的檢測上，使得調(diào)制、檢測、處理簡單易行。最后，信號處理部分采用DSP技術(shù)，達(dá)到高速處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。仿真結(jié)果表明，測量結(jié)果的相對誤差僅為0.4%，說明利用此方法在測量金屬線膨脹系數(shù)是可行和可靠的。同時，與其他測量方法相比多光束激光外差測量法測金屬線脹系數(shù)具有高的空間和時間分辨率、測量精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大；實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、操作方便、重復(fù)性好；實驗結(jié)果誤差小、精確度高等多方面優(yōu)勢。由于實驗現(xiàn)象明顯，實驗數(shù)據(jù)可靠，因此可以在工程設(shè)計等領(lǐng)域廣泛使用。當(dāng)然根據(jù)實際的需要，本發(fā)明的裝置和方法還可以用于其它測量的場合來獲得待測目標(biāo)的各參數(shù)信息。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中實施例僅用以說明本發(fā)明多光束激光外差測量玻璃厚度的方法和技術(shù)方案，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。權(quán)利要求一種高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于該高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置包括干涉系統(tǒng)、高速PZT振鏡系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。所述干涉系統(tǒng)包括H0固體激光器、平面反射鏡3、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡1、偏振分光鏡BS1、薄透鏡、平面反射鏡2。所述高速PZT振鏡系統(tǒng)包括驅(qū)動電源、PZT晶體和平面反射鏡，其特征在于PZT晶體與平面反射鏡沿振動方向相互交合，且PZT晶體在驅(qū)動電源作用下帶動與其相互膠合的反射鏡一起做高速簡諧振動。所述Ho固體激光器為線偏振激光光源，波長λ＝2050nm，其特征在于此激光對人眼安全。所述加熱系統(tǒng)包括數(shù)顯溫度控制儀、測溫探頭以及給待測金屬桿加熱的電熱爐組成，溫度控制儀的控溫精度為0.001°。所述信號處理系統(tǒng)包括光電探測器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP。打開的電爐加熱帶有平面反射鏡2的金屬棒到一定溫度，溫度值可以通過溫度控制儀觀察，此時金屬棒長度會發(fā)生變化，2050nmHo固體激光器發(fā)射的S偏振光被平面反射鏡3反射，反射的S偏振光垂直入射到偏振分光鏡BS1上，并被偏振分光棱鏡反射，此反射S偏振光經(jīng)過四分之一波片后垂直入射到隨PZT晶體一起做高速簡諧振動的平面反射鏡1上，被平面反射鏡1反射S偏振光又經(jīng)過四分之一波片后變成P偏振光，P偏振光透過偏振分光鏡BS1后入射到薄透鏡表面，經(jīng)薄透鏡和平面反射鏡2的表面反射的P偏振光正入射到光電探測器的光敏面上，光電探測器把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，電信號被前置放大器放大，而被放大的電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，此數(shù)字信號被DSP高速信號處理器進(jìn)行實時采集、處理后送到計算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到金屬棒長度的變化量等信息。在高精度測量金屬線膨脹系數(shù)裝置的基礎(chǔ)上，基于激光外差測量技術(shù)和激光多普勒技術(shù)，提出了一種非接觸式多光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的方法，得到了光電探測器輸出中頻電流的諧波表達(dá)式<mrow><msub><mi>I</mi><mi>if</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>&eta;e</mi><mi>hv</mi></mfrac><mfrac><mi>&pi;</mi><mi>Z</mi></mfrac><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mi>p</mi></mrow></munderover><msub><mi>&alpha;</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>&alpha;</mi><mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mi>p</mi></mrow></msub><msup><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><mo>[</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mrow><mn>4</mn><mi>&omega;</mi></mrow><mn>0</mn></msub><mi>knpd</mi><mi>cos</mi><mi>&theta;</mi><mo>/</mo><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi><mo>-</mo><msub><mi>&omega;</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>npd</mi><mi>cos</mi><mi>&theta;</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>c</mi><mo>]</mo><mo>.</mo></mrow>同時得到了斜入射時多光束激光外差信號頻譜第一個主峰的中心頻率和正入射時理論曲線的中心頻率的比值ζ＝cosθ，通過這個比值可以精確計算出激光入射角的大小。當(dāng)多普勒振鏡振動方程為x(t)＝k(t2/2)時，取k＝4×106m/s2，模擬測量了長150mm，直徑為Φ18.00mm的黃銅金屬棒材料線膨脹系數(shù)，測量結(jié)果誤差僅為0.4％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，在薄透鏡和光電探測器之間設(shè)有會聚透鏡，用來將薄透鏡和平面反射鏡2表面反射的P偏振光會聚到位于焦點處的光電探測器的光敏面上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，所述會聚透鏡由透明的高透過率材料制成。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，會聚透鏡的兩個表面都鍍有增加激光透射效率的增透膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，在2050nmH。固體激光器和所述偏振分光鏡BS1之間設(shè)有2050nm單模光纖準(zhǔn)直器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，所述2050nm單模光纖準(zhǔn)直器用于將所述2050nmH。固體激光器發(fā)射的激光準(zhǔn)直擴(kuò)束輸出。全文摘要一種高精度測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法，其方法利用PZT振鏡系統(tǒng)對不同時刻入射光進(jìn)行頻率調(diào)制，可以將待測參數(shù)信息不僅被調(diào)制在相位差上，而且也被調(diào)制在頻率差中，便于后期信號處理；其裝置是由干涉系統(tǒng)、高速PZT振鏡系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)構(gòu)成。本發(fā)明與其他測量方法相比多光束激光外差測量法測金屬線膨脹系數(shù)具有高的空間和時間分辨率、測量精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大等優(yōu)點，同時兼具實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、操作方便、重復(fù)性好；實驗結(jié)果誤差小、精確度高等多方面優(yōu)勢。由于實驗現(xiàn)象明顯，實驗數(shù)據(jù)可靠，因此可以在工程設(shè)計等領(lǐng)域廣泛使用，在激光超精密測量領(lǐng)域具有很高的實用價值。文檔編號G01N25/16GK101825590SQ20091021740公開日2010年9月8日申請日期2009年12月24日優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日發(fā)明者李彥超,王春暉申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)