線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法
【專利摘要】線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法，屬于光學(xué)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決采用直接測量法來測量金屬線脹系數(shù)，存在誤差大、測量精度低的問題。本發(fā)明包括線性調(diào)頻激光器、薄玻璃板、第一平面反射鏡、待測金屬線、電熱爐、會(huì)聚透鏡、光電探測器和信號(hào)處理系統(tǒng)；線性偏振光以入射角θ0斜透射薄玻璃板后，再入射至第一平面反射鏡，該光束在相互平行的薄玻璃板和第一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匯聚至光電探測器的光敏面上，信號(hào)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)獲取金屬線溫度變化前后薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離變化量，進(jìn)而獲取待測金屬線的膨脹系數(shù)。
【專利說明】線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法，屬于光學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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(duì)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(biāo)之一。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)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。考慮失當(dāng)，甚至?xí)斐晒こ痰膿p毀，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。目前，對(duì)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。
[0003]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(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差與偶然誤差偏大，例如，用光杠桿法測金屬膨脹系數(shù)時(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)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(shí)實(shí)驗(yàn)操作簡單，從而大大減小了實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)現(xiàn)了金屬膨脹系數(shù)的精確測量，測量的相對(duì)誤差可為2%，但是這種方法在讀取干涉條紋數(shù)時(shí)存在視覺引起的偶然誤差，導(dǎo)致精度無法再提高，也不能滿足目前超高精度測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決采用直接測量法來測量金屬膨脹系數(shù)，存在誤差大、測量精度低的問題，提供了一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法。
[0005]本發(fā)明所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法，它包括線性調(diào)頻激光器、薄玻璃板、第一平面反射鏡、待測金屬線、電熱爐、會(huì)聚透鏡、光電探測器和信號(hào)處理系統(tǒng)；
[0006]第一平面反射鏡的非反射面中心與待測金屬線的一端固定連接，待測金屬線與第一平面反射鏡垂直，待測金屬線的整體位于電熱爐內(nèi)；
[0007]薄玻璃板與第一平面反射鏡平行、等高；薄玻璃板與第一平面反射鏡之間的距離d 為 20mm ~30mm ;
[0008]線性調(diào)頻激光器發(fā)出的線性偏振光以入射角Θ ^斜入射至薄玻璃板，經(jīng)該薄玻璃板透射之后的光束入射至第一平面反射鏡，該光束在相互平行的薄玻璃板和第一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(huì)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(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)；信號(hào)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)獲取金屬線溫度變化前后薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離變化量Λ D，進(jìn)而獲取待測金屬線(5)的膨脹系數(shù)α。
[0009]基于所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置的方法包括以下步驟:
[0010]步驟一、溫控儀控制電熱爐將待測金屬線加熱至溫度T1，保持5~10分鐘，打開線性調(diào)頻激光器，由信號(hào)處理系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)測量出薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距
離〕?。?br> [0011]步驟二、溫控儀控制電熱爐將待測金屬線加熱至溫度T2,保持5~10分鐘，在溫度改變的過程中，待測金屬線伸縮同步帶動(dòng)第一平面反射鏡移動(dòng)，由信號(hào)處理系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)測量出在溫度T2時(shí)薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離D2 ；

[0012]步驟三、根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它包括線性調(diào)頻激光器(1)、薄玻璃板(3)、第一平面反射鏡(4)、待測金屬線(5)、電熱爐(6)、會(huì)聚透鏡(8)、光電探測器(9)和信號(hào)處理系統(tǒng)； 第一平面反射鏡(4)的非反射面中心與待測金屬線(5)的一端固定連接，待測金屬線(5)與第一平面反射鏡(4)垂直,待測金屬線(5)的整體位于電熱爐(6)內(nèi)； 薄玻璃板(3)與第一平面反射鏡(4)平行、等高；薄玻璃板(3)與第一平面反射鏡(4)之間的距離d為20_~30_ ； 線性調(diào)頻激光器(I)發(fā)出的線性偏振光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(3)，經(jīng)該薄玻璃板(3)透射之后的光束入射至第一平面反射鏡(4)，該光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板(3)透射之后的光束和薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通過會(huì)聚透鏡(8)匯聚至光電探測器(9)的光敏面上，所述光電探測器(9)輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)；信號(hào)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)獲取金屬線5溫度變化前后薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離變化量AD，進(jìn)而獲取待測金屬線(5)的膨脹系數(shù)α。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它還包括第二平面反射鏡(2);線性調(diào)頻激光器(I)發(fā)出的線性偏振光經(jīng)第二平面反射鏡(2)反射后，再以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它還包括溫控儀(7)和溫度采集裝置，所述電熱爐(6)的溫控信號(hào)輸入端與溫控儀(7)的溫控信號(hào)輸出端連接；溫度采集裝置采集待測金屬線(5)的溫度，所述溫度采集裝置的溫度信號(hào)輸出端與溫控儀(7)的溫度信號(hào)輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，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所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，信號(hào)處理系統(tǒng)包括濾波器(10)、前置放大器(11)、A/D轉(zhuǎn)換電路(12)和DSP微處理器(13)； 濾波器(10)的輸入端與光電探測器(9)的電信號(hào)輸出端相連；濾波器(10)的輸出端與前置放大器(11)的輸入端相連；前置放大器(11)的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路(12)的模擬信號(hào)輸入端相連;A/D轉(zhuǎn)換電路(12)的數(shù)字信號(hào)輸出端與DSP微處理器(13)的輸入端相連。
6.基于權(quán)利要求5所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、溫控儀(7)控制電熱爐(6)將待測金屬線(5)加熱至溫度T1，保持5~10分鐘，打開線性調(diào)頻激光器(I)，由信號(hào)處理系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)測量出薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡⑷之間的距離D1; 步驟二、溫控儀(7)控制電熱爐(6)將待測金屬線(5)加熱至溫度T2，保持5~10分鐘，在溫度改變的過程中，待測金屬線(5)伸縮同步帶動(dòng)第一平面反射鏡(4)移動(dòng)，由信號(hào)處理系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)測量出在溫度T2時(shí)薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離込；步驟三、根據(jù)公式
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，溫度T1時(shí)的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離D1和溫度T2時(shí)的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離D2的獲取方法是相同的，以下將D1和D2統(tǒng)稱為d，則薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離d的獲取方法包括以下步驟:步驟1、線性調(diào)頻激光器(I)發(fā)出線性調(diào)頻線偏振光以Qtl角入射至薄玻璃板(3)，該光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)匯聚至光電探測器(9)的光敏面上； 步驟2、獲取入射至光電探測器(9)的光束的總光％E2(t):
Es (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t), m 為大于或等于 2 的正整數(shù)； 其中=E1U)為光束經(jīng)薄玻璃板(3)前表面反射后的反射光場,且按公式
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103954646SQ201410206015
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李彥超, 韓雪冰, 楊九如, 冉玲苓, 高揚(yáng), 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 于偉波 申請(qǐng)人:黑龍江大學(xué)