線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(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磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法，屬于光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是為了解決在鐵磁材料磁致伸縮系數(shù)的測量過程中，對鐵磁材料長度變化量的測量精度低的問題。裝置包括待測鐵磁材料樣品、線性調(diào)頻激光器、第一平面反射鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、會聚透鏡、光電探測器、信號處理系統(tǒng)、兩個固定棒和激勵線圈，方法為使光電探測器開始接收光束信號，數(shù)字信號處理器連續(xù)采集光電探測器輸出的光電流信號，并對采集到的差頻信號進行處理，根據(jù)頻率與距離之間的關(guān)系獲得薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當(dāng)前距離，再根據(jù)磁致伸縮系數(shù)的公式，獲得待測鐵磁材料樣品的磁致伸縮系數(shù)。本發(fā)明用于測量磁致伸縮系數(shù)。
【專利說明】線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(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磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法，屬于光學(xué)測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵磁質(zhì)的磁疇在外磁場作用下定向排列，從而引起介質(zhì)中晶格間距的改變，致使鐵磁體發(fā)生長度的變化的現(xiàn)象被稱為磁致伸縮效應(yīng)。由于這一現(xiàn)象首先由焦耳于1842年發(fā)現(xiàn)，因而也被稱為焦耳效應(yīng)。磁致伸縮不但對材料的磁性有重要的影響，特別是對起始磁導(dǎo)率，矯頑力等有重要影響，而且其效應(yīng)本身在實際中的應(yīng)用也很廣泛，如:磁致伸縮技術(shù)可以用于機械振動和超聲波換能器上，在激光雷達等方面也有重要的應(yīng)用。
[0003]利用鐵磁材料在交變磁場作用下長度的變化，可制成超聲波發(fā)生器和接收器:通過一些特別的轉(zhuǎn)換裝置，可以制成力、速度、加速度等傳感器以及延遲線、濾波器等。在相同外磁場的條件下，不同的磁性物質(zhì)磁致伸縮的長度變化是不同的，通常用磁致伸縮系數(shù)α，α = △ 1/1來表征它形變的大小，其中△/表示物質(zhì)長度的變化量，I表示物質(zhì)的原始長度。因此，準確測量材料的磁致伸縮系數(shù)α是非常重要的。由于磁致伸縮效應(yīng)引起的材料長度相對變化很微小，一般鐵磁材料的磁致伸縮系數(shù)只有10_5~10_6數(shù)量級，因此需采用一些高精度的方法加以測量。
[0004]磁致伸縮系數(shù)的 測定歸結(jié)為微長度，即微位移變化的測量。目前測量磁致伸縮系數(shù)的方法主要有非平衡電橋測量法、差動變電容測法、光杠桿、應(yīng)變電阻片測量法和光學(xué)干涉法等。但是這些方法都存在各自的缺點和不足，因此測量精度都不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是為了解決在鐵磁材料磁致伸縮系數(shù)的測量過程中，對鐵磁材料長度變化量的測量精度低的問題，提供了一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法。
[0006]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磁致伸縮系數(shù)的裝置，它包括待測鐵磁材料樣品，它還包括線性調(diào)頻激光器、第一平面反射鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、會聚透鏡、光電探測器、信號處理系統(tǒng)、兩個固定棒和激勵線圈，
[0007]待測鐵磁材料樣品的兩端分別粘接一個固定棒，一個固定棒的自由端采用固定件固定，另一個固定棒的自由端與第二平面反射鏡的背面粘接固定；待測鐵磁材料樣品居中置于激勵線圈內(nèi)；激勵線圈采用直流穩(wěn)壓電源供電，直流穩(wěn)壓電源采用滑線變阻器調(diào)節(jié)輸出電流；
[0008]線性調(diào)頻激光器發(fā)射的激光束經(jīng)第一平面反射鏡反射至薄玻璃板，經(jīng)薄玻璃板透射的光被第二平面反射鏡反射后與經(jīng)過薄玻璃板前表面反射的光共同被會聚透鏡匯聚到光電探測器的光敏面上，光電探測器輸出的光電流信號傳送給信號處理系統(tǒng)。[0009]信號處理系統(tǒng)由濾波器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器組成，
[0010]濾波器用于接收光電探測器輸出的光電流信號，濾波器輸出濾波信號給前置放大器，經(jīng)前置放大器放大的模擬信號傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給數(shù)字信號處理器。
[0011]薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的初始距離為30mm。
[0012]薄玻璃板與第二平面反射鏡相互平行。
[0013]待測鐵磁材料樣品為鐵鎮(zhèn)合金樣品。
[0014]一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的方法，基于線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置實現(xiàn)，它獲取磁致伸縮系數(shù)的方法如下:
[0015]首先，將待測鐵磁材料樣品進行交流退磁；
[0016]將滑線變阻器調(diào)節(jié)為阻值最大，使激勵線圈接通直流穩(wěn)壓電源，待電壓穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)滑線變阻器的阻值，使激勵線圈的輸出電流單調(diào)上升；
[0017]然后，打開性調(diào)頻激光器，使其發(fā)射線偏振光，并使光電探測器開始接收光束信號，數(shù)字信號處理器連續(xù)采集光電探測器輸出的光電流信號，并對采集到的差頻信號進行處理，根據(jù)頻率與距離之間的關(guān)系:
[0018]f = Kd,
[0019]獲得薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當(dāng)前距離d:
[0020]d = f/K,
[0021]式中f為外差信號的頻率，K為比例系數(shù)；
[0022]由薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當(dāng)前距離d與薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的初始距離，獲得距離變化量△(!，該距離變化量△(!的數(shù)值與待測鐵磁材料樣品的長度變化量Λ I的數(shù)值相等，
[0023]再根據(jù)磁致伸縮系數(shù)α的公式:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置，它包括待測鐵磁材料樣品(1)，其特征在于，它還包括線性調(diào)頻激光器(2)、第一平面反射鏡(3)、薄玻璃板(4)、第二平面反射鏡(5)、會聚透鏡(6)、光電探測器(7)、信號處理系統(tǒng)(8)、兩個固定棒(9)和激勵線圈(10)， 待測鐵磁材料樣品(1)的兩端分別粘接一個固定棒(9)，一個固定棒(9)的自由端采用固定件固定，另一個固定棒(9)的自由端與第二平面反射鏡(5)的背面粘接固定；待測鐵磁材料樣品⑴居中置于激勵線圈(10)內(nèi)；激勵線圈(10)采用直流穩(wěn)壓電源供電，直流穩(wěn)壓電源采用滑線變阻器調(diào)節(jié)輸出電流； 線性調(diào)頻激光器(2)發(fā)射的激光束經(jīng)第一平面反射鏡(3)反射至薄玻璃板(4)，經(jīng)薄玻璃板(4)透射的光被第二平面反射鏡(5)反射后與經(jīng)過薄玻璃板(4)前表面反射的光共同被會聚透鏡(6)匯聚到光電探測器(7)的光敏面上，光電探測器(7)輸出的光電流信號傳送給信號處理系統(tǒng)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(8)由濾波器(8-1)、前置放大器(8-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8-3)和數(shù)字信號處理器(8-4)組成， 濾波器(8-1)用于接收光電探測器(8)輸出的光電流信號，濾波器(8-1)輸出濾波信號給前置放大器(8-2)，經(jīng)前置放大器(8-2)放大的模擬信號傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8-3)，所述模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8-3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給數(shù)字信號處理器(8-4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離為30mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)相互平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于，待測鐵磁材料樣品(1)為鐵鎳合金樣品。
6.一種線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的方法，該方法基于權(quán)利要求5所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的裝置實現(xiàn)，其特征在于，它獲取磁致伸縮系數(shù)的方法如下: 首先，將待測鐵磁材料樣品(1)進行交流退磁； 將滑線變阻器調(diào)節(jié)為阻值最大，使激勵線圈(10)接通直流穩(wěn)壓電源，待電壓穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)滑線變阻器的阻值，使激勵線圈(10)的輸出電流單調(diào)上升； 然后，打開性調(diào)頻激光器(2)，使其發(fā)射線偏振光，并使光電探測器(7)開始接收光束信號，數(shù)字信號處理器(8-4)連續(xù)采集光電探測器(7)輸出的光電流信號，并對采集到的差頻信號進行處理，根據(jù)頻率與距離之間的關(guān)系:
f = Kd, 獲得薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當(dāng)前距離d:
d = f/K, 式中f為外差信號的頻率，K為比例系數(shù)； 由薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當(dāng)前距離d與薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離，獲得距離變化量△(!，該距離變化量△(!的數(shù)值與待測鐵磁材料樣品(I)的長度變化量Al的數(shù)值相等， 再根據(jù)磁致伸縮系數(shù)α的公式:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的距離變化量△(!的具體獲得方法為: 設(shè)定第一平面反射鏡(3)的反射光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(4)，此時光電探測器(X)接收的光束信號的總光場ε? (t)為:
Ee (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t)，m 為大于 I 的正整數(shù)； 式中E1 (t)為t-L/c時刻到達薄玻璃板(4)前表面并被該前表面反射的反射光的光場，按以下公式獲得:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，cos Θ的結(jié)果通過多光束激光外差二次諧波信號頻譜中兩個頻譜曲線中心頻率的比值ζ獲得:
ζ = COS Θ O
【文檔編號】G01R33/18GK103969607SQ201410206056
【公開日】2014年8月6日 申請日期: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, 甄佳奇, 楊九如, 冉玲苓, 高揚, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 于偉波 申請人:黑龍江大學(xué)