線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置及方法
2024-01-27 17:14:15 1
線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置及方法
【專利摘要】線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置及方法，涉及超精密測量領域。它為了解決現有測定磁致伸縮係數的方法測量精度低的問題。本發明的調整架用於固定待測鐵磁體，二號平面反射鏡用於固定在待測鐵磁體的一個端面，薄玻璃板與二號平面反射鏡平行設置；線性調頻雷射器發出的雷射入射至薄玻璃板的表面，經所述薄玻璃板透射後的雷射入射至二號平面反射鏡，經所述薄玻璃板反射後的雷射通過會聚透鏡聚焦到光電探測器的光敏面上。本發明將待測鐵磁體長度變化量調製在中頻外差信號的頻率差中，通過測量該頻率差即可同時得到多個待測鐵磁體長度變化量，測量誤差僅為0.08％。本發明適用於超精密測量、檢測、加工設備、雷射雷達系統等。
【專利說明】線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超精密測量領域，尤其涉及磁致伸縮係數的測量方法。
【背景技術】
[0002]在鐵磁質的磁疇在外磁場作用下會定向排列，從而引起介質中晶格間距的改變，致使鐵磁體發生長度的變化的現象被稱為磁致伸縮效應。由於這一現象首先由焦耳於1842年發現，因而也被稱為焦耳效應。磁致伸縮不但對材料的磁性有重要的影響(特別是對起始磁導率，矯頑力等)，而且效應本身在實際中的應用也很廣泛，如:磁致伸縮技術可以用於機械振動和超聲波換能器上，在雷射雷達等方面有重要的應用。
[0003]利用材料在交變磁場作用下長度的變化，可製成超聲波發生器和接收器:通過一些特別的轉換裝置，可以製成力、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，不同的磁性物質磁致伸縮的長度變化是不同的，通常用磁致伸縮係數α (α=Λ 1/1)表徵它形變的大小。因此，準確測量材料的磁致伸縮係數α是非常重要的。由於磁致伸縮效應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係數只有10_5?10_6數量級，因此需採用一些高精度的方法加以測量。
[0004]磁致伸縮係數的測定歸結為微長度(位移)變化的測量。目前測量磁致伸縮係數的方法主要有非平衡電橋測量法、差動變電容測法、光槓桿、應變電阻片測量法和光學幹涉法等。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。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決現有測定磁致伸縮係數的方法測量精度低的問題，提供一種線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置及方法。
[0006]本發明所述的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置包括線性調頻雷射器、二號平面反射鏡、薄玻璃板、會聚透鏡、光電探測器、激磁線圈和直流電源；
[0007]激磁線圈的兩端分別連接直流電源的正極和負極，待測鐵磁體位於激磁線圈的中心，二號平面反射鏡用於固定在待測鐵磁體的一個端面，該端面與激磁線圈的端面平行，薄玻璃板與所述的二號平面反射鏡平行設置；
[0008]線性調頻雷射器發出的雷射入射至薄玻璃板的表面，經所述薄玻璃板透射後的雷射入射至二號平面反射鏡，並在二號平面反射鏡與薄玻璃板之間多次反射後獲得多束反射光，該多束反射光經薄玻璃板透射之後通過會聚透鏡聚焦到光電探測器的光敏面上。
[0009]所述裝置還包括信號處理系統，所述信號處理系統的探測信號輸入端連接光電探測器的探測信號輸出端，所述信號處理系統包括濾波器、前置放大器、Α/D轉換器和DSP，所述濾波器的信號輸入端為所述信號處理系統的探測信號輸入端，所述濾波器的信號輸出端連接前置放大器的信號輸入端，所述前置放大器的信號輸出端連接Α/D轉換器的模擬信號輸入端，所述Α/D轉換器數位訊號輸出端連接DSP的信號輸入端。
[0010]基於上述裝置的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的方法包括以下步驟:
[0011]步驟一、測量高壓電源輸出的電壓值U和光電探測器輸出的電信號的頻率波峰f\至fp，P為正整數；
[0012]步驟二、計算薄玻璃板與二號平面反射鏡的間距d，
【權利要求】
1.線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於:它包括線性調頻雷射器(I)、二號平面反射鏡(3)、薄玻璃板(4)、會聚透鏡(5)、光電探測器(6)、激磁線圈(8)和直流電源(E)； 激磁線圈⑶的兩端分別連接直流電源(E)的正極和負極，待測鐵磁體(10)位於激磁線圈(8)的中心，二號平面反射鏡(3)用於固定在待測鐵磁體(10)的一個端面，該端面與激磁線圈(8)的端面平行，薄玻璃板(4)與所述的二號平面反射鏡(3)平行設置； 線性調頻雷射器(I)發出的雷射入射至薄玻璃板(4)的表面，經所述薄玻璃板(4)透射後的雷射入射至二號平面反射鏡(3)，並在二號平面反射鏡(3)與薄玻璃板(4)之間多次反射後獲得多束反射光，該多束反射光經薄玻璃板(4)透射之後通過會聚透鏡(5)聚焦到光電探測器(6)的光敏面上。
2.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於:它還包括信號處理系統(7)，所述信號處理系統(7)的探測信號輸入端連接光電探測器(6)的探測信號輸出端，所述信號處理系統(7)包括濾波器(7-1)、前置放大器(7-2)、A/D轉換器(7-3)和DSP (7-4)，所述濾波器(7_1)的信號輸入端為所述信號處理系統(7)的探測信號輸入端，所述濾波器(7-1)的信號輸出端連接前置放大器(7-2)的信號輸入端，所述前置放大器(7-2)的信號輸出端連接A/D轉換器(7-3)的模擬信號輸入端，所述A/D轉換器(7-3)數位訊號輸出端連接DSP(7-4)的信號輸入端。
3.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於:它還包括固定部件(11)和兩根固定棒(9)，待測鐵磁體(10)的一端通過一根固定棒 (9)與固定部件(11)固定連接，待測鐵磁體(10)的另一端通過另一根固定棒(9)與二號平面反射鏡(3)固定連接。
4.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於:它還包括滑動變阻器(R)，所述滑動變阻器(R)串聯在直流電源(E)與激磁線圈(8)構成的迴路中。
5.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於:它還包括一號平面反射鏡(2)，線性調頻雷射器(I)發出的雷射經所述一號平面反射鏡(2)反射後入射至薄玻璃板(4)的表面。
6.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於:所述的線性調頻雷射器(I)發出的線性調頻雷射為線偏振光，波長為1.55μπι，線性調頻雷射的調頻周期T = Ims,調頻帶寬Λ F = 5GHzo
7.基於權利要求1的線性調頻多光束雷射外差測量磁致伸縮係數的方法，其特徵在於:該方法包括以下步驟: 步驟一、測量高壓電源輸出的電壓值U和光電探測器(6)輸出的電信號的頻率波峰至fp，P為正整數；步驟二、計算薄玻璃板⑷與二號平面反射鏡(3)的間距d，=外/)=晏，其中，[=Igknζο%θ.P </-丨q til 』 步驟三、採用與步驟一和步驟二同樣的方法，計算U = O時，薄玻璃板(4)與二號平面反射鏡⑶的間距Cltl ；
步驟四、根據公式α=Δl/l計算待測鐵磁體(10)的磁致伸縮係數α，Λ I =Ad = d0-d ； 其中，I為激磁線圈(8)未通電時待測鐵磁體(10)的長度，該長度方向為激磁線圈(8)通電時待測鐵磁體(10)內的磁場方向，Al為通電後I的增量，Θ為入射光透射出薄玻璃板(4)後的折射角，k為調頻帶寬的變化率，c為光速，η為薄玻璃板(4)與二號平面反射鏡(3)之間介質的折射率。
【文檔編號】G01R33/18GK103995242SQ201410206108
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】楊九如, 李彥超, 冉玲苓, 高揚, 柳春鬱, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 於偉波 申請人:黑龍江大學