線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法
【專利摘要】線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法，屬于材料的線膨脹系數測量領域。本發(fā)明是為了解決現有線膨脹系數測量方法中需要直接測量的參數多、操作復雜，以至于測量誤差偏大的問題。本發(fā)明所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法，基于線性調頻技術和激光外差技術，利用線性調頻技術將待測參數信息調制到外差信號頻率差中，通過對激光外差信號解調可以同時獲得多個待測參數，經加權平均處理，進而獲得精確待測參數信息。本發(fā)明適用于超精密測量、檢測、加工設備、激光雷達系統(tǒng)等，本發(fā)明實驗現象明顯，實驗數據可靠，尤其適用在相干激光測風雷達等工程設計領域中。
【專利說明】線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料的線膨脹系數測量領域。
【背景技術】
[0002]物體的熱膨脹性質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，不僅對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之一。在工程結構設計、機械和儀表的制造、材料的加工等過程中都必須考慮材料的熱膨脹特性。否則，將影響結構的穩(wěn)定性和儀表的精度。考慮失當，甚至會造成工程的損毀，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。目前，對金屬線膨脹系數的測定有光杠桿法、讀數顯微鏡法、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過多，操作較復雜，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脹系數時，由于近似公式的采用與復雜的操作使其系統(tǒng)誤差偏大，同時，由于讀數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4.4% ;讀數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、分辨率高，同時實驗操作簡單，從而大大減小了實驗誤差，實現了金屬線脹系數的精確測量，測量的相對誤差可為2%，但是這種方法在讀取干涉條紋數時存在視覺引起的偶然誤差，導致精度 無法再提高，也不能滿足目前超高精度測量的要求。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現有線膨脹系數測量方法中需要直接測量的參數多、操作復雜，以至于測量誤差偏大的問題，現提供線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法。
[0005]線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，它包括:線性調頻激光器、薄玻璃板、一號平面反射鏡、電熱爐、溫控儀、會聚透鏡和光電探測器；
[0006]線性調頻激光器輸出的線性調頻激光入射到薄玻璃板的前表面，且入射角Θ ^為銳角，薄玻璃板的將該激光分束為一號反射光和折射光，薄玻璃板將該一號反射光反射至會聚透鏡上，薄玻璃板將該折射光折射至一號平面反射鏡上，該一號平面反射鏡與薄玻璃板的后表面將該折射光多次反射后獲得多束二號反射光，該多束二號反射光經薄玻璃板折射至會聚透鏡上，會聚透鏡將其接收到的光線匯聚至光電探測器的光敏面上；
[0007]電熱爐用于為待測金屬桿均勻加熱，溫控儀用于控制和檢測電熱爐的溫度；
[0008]一號平面反射鏡固定在待測金屬桿的一端，并與待測金屬桿的軸線垂直，薄玻璃板與一號平面反射鏡平行設置，且薄玻璃板與一號平面反射鏡之間的距離在20mm至30mm之間。
[0009]基于上述裝置的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的方法，該方法包括以下步驟:
[0010]步驟一:開啟線性調頻激光器使線性調頻激光器發(fā)出的線性調頻激光入射到薄玻璃板上，且保證入射角Qtl為銳角；同時開啟電熱爐和溫控儀，溫控儀控制電熱爐的溫度并采集待測金屬桿的溫度；
[0011]步驟二:采集光電探測器輸出的光電流I的信號，并將該光電流I的直流項進行濾除從而獲得中頻電流Iif ;
[0012]步驟三:對步驟二獲得的中頻電流Iif進行分析，獲得干涉信號的頻率&:
【權利要求】
1.線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，它包括:線性調頻激光器(1)、薄玻璃板(2)、一號平面反射鏡(3)、電熱爐(4)、溫控儀(6)、會聚透鏡(7)和光電探測器⑶； 線性調頻激光器(I)輸出的線性調頻激光入射到薄玻璃板(2)的前表面，且入射角Θ。為銳角，薄玻璃板(2)的將該激光分束為一號反射光和折射光，薄玻璃板(2)將該一號反射光反射至會聚透鏡(7)上，薄玻璃板(2)將該折射光折射至一號平面反射鏡(3)上，該一號平面反射鏡(3)與薄玻璃板(2)的后表面將該折射光多次反射后獲得多束二號反射光，該多束二號反射光經薄玻璃板(2)折射至會聚透鏡(7)上，會聚透鏡(7)將其接收到的光線匯聚至光電探測器(8)的光敏面上； 電熱爐⑷用于為待測金屬桿(5)均勻加熱，溫控儀(6)用于控制和檢測電熱爐(4)的溫度； 一號平面反射鏡(3)固定在待測金屬桿(5)的一端，并與待測金屬桿(5)的軸線垂直，薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)平行設置，且薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離在20mm至30mm之間。
2.根據權利要求1所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，它還包括:數據處理系統(tǒng)(9)； 光電探測器(8)的電信號輸出端連接數據處理系統(tǒng)(9)的電信號輸入端；所述數據處理系統(tǒng)(9)中嵌有軟件實現的模塊，所述模塊包括以下單元: 采集光電探測器(8)輸出的光電流I的信號采集單元； 對光電流I的進行濾波，從而獲得中頻電流Iif的濾波單元； 利用中頻電流Iif獲得干涉信號的頻率fp的單元； 利用干涉信號的頻率fp獲得薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離d的單元; 根據薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離d獲得薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離變化量Λ d的單元； 利用薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間距離變化量Ad獲得待測金屬桿(5)的線脹系數α的單元。
3.根據權利要求1所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，它還包括:濾波器(9-1)、放大器(9-2)、A/D轉換器(9-3)和DSP (9-4)； 光電探測器(8)的電信號輸出端連接濾波器(9-1)的電信號輸入端，濾波器(9-1)的電信號輸出端連接放大器(9-2)的電信號輸入端,放大器(9-2)的電信號輸出端連接A/D轉換器(9-3)的模擬信號輸入端，Α/D轉換器(9-3)的數字信號輸出端連接DSP (9-4)的數字信號輸入端； 所述DSP (9-4)中嵌有軟件實現的模塊，該模塊包括以下單元: 采集Α/D轉換器(9-3)輸出的中頻電流Iif的信號采集單元； 利用中頻電流Iif獲得干涉信號的頻率fp的單元； 利用干涉信號的頻率fp獲得薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離d的單元; 根據薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離d獲得薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間的距離變化量Λ d的單元； 利用薄玻璃板(2)與一號平面反射鏡(3)之間距離變化量Ad獲得待測金屬桿(5)的線脹系數α的單元。
4.根據權利要求1、2或3所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，它還包括:二號平面反射鏡(10)； 線性調頻激光器(I)輸出的激光入射到二號平面反射鏡(10)上，二號平面反射鏡(10)將該激光反射至薄玻璃板(2)的前表面,且入射角Gtl為銳角。
5.根據權利要求4所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，所述線性調頻激光器(I)的調頻周期為1ms，調頻帶寬為5GHz，輸出激光的波長為1.55 μ m。
6.根據權利要求5所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，入射角Θ (!為15.26°。
7.根據權利要求6所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，所述薄玻璃板(2)的厚度大于Omm且小于1_。
8.根據權利要求2或3所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，干涉信號的頻率fp為:
9.根據權利要求8所述的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，其特征在于，利用下式獲得待測金屬桿(5)的線脹系數α，

10.基于根據權利要求1的線性調頻多光束激光外差測量金屬線膨脹系數的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一:開啟線性調頻激光器(I)使線性調頻激光器(I)發(fā)出的線性調頻激光入射到薄玻璃板(2)上，且保證入射角Qtl為銳角；同時開啟電熱爐(4)和溫控儀(6)，溫控儀(6)采集待測金屬桿(5)的溫度； 步驟二:采集光電探測器(8)輸出的光電流I的信號，并將該光電流I的直流項進行濾除從而獲得中頻電流Iif ; 步驟三:對步驟二獲得的中頻電流Iif進行分析，獲得干涉信號的頻率fp:
【文檔編號】G01N25/16GK103940844SQ201410206080
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李彥超, 甄佳奇, 楊九如, 高揚, 冉玲苓, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰 申請人:黑龍江大學