線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法
2024-01-28 22:13:15
線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法
【專利摘要】線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法，屬於光學領域，本發明為解決採用直接測量法來測量金屬線脹係數，存在誤差大、測量精度低的問題。本發明包括線性調頻雷射器、薄玻璃板、第一平面反射鏡、待測金屬線、電熱爐、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統；線性偏振光以入射角θ0斜透射薄玻璃板後，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覆反射和透射多次，獲得多束經薄玻璃板透射之後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，信號處理系統處理數據獲取金屬線溫度變化前後薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離變化量，進而獲取待測金屬線的膨脹係數。
【專利說明】線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法，屬於光學領域。
【背景技術】
[0002]物體的熱膨脹性質反映了材料本身的屬性，通常將固體受熱後在一維方向上長度的變化稱為線膨脹。測量材料的線膨脹係數，不僅對新材料的研製具有重要意義，而且也是選用材料的重要指標之一。在工程結構設計、機械和儀表的製造、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，對金屬線膨脹係數的測定有光槓桿法、讀數顯 微鏡法、電熱法和雷射幹涉法等測量方法。
[0003]在用這些方法測量的過程中，由於需要直接測量的參數過多，操作較複雜，以至於實驗的系統誤差與偶然誤差偏大，例如，用光槓桿法測金屬膨脹係數時，由於近似公式的採用與複雜的操作使其系統誤差偏大，同時，由於讀數裝置配備不合理引入的偶然誤差也較大，以至於其相對誤差達4.4% ;讀數顯微鏡法由於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誤差等都極大的限制了其測量精度；雷射幹涉法由於該裝置的幹涉條紋銳細、解析度高，同時實驗操作簡單，從而大大減小了實驗誤差，實現了金屬膨脹係數的精確測量，測量的相對誤差可為2%，但是這種方法在讀取幹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。
【發明內容】
[0004]本發明目的是為了解決採用直接測量法來測量金屬膨脹係數，存在誤差大、測量精度低的問題，提供了一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法。
[0005]本發明所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置及方法，它包括線性調頻雷射器、薄玻璃板、第一平面反射鏡、待測金屬線、電熱爐、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統；
[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於電熱爐內；
[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]線性調頻雷射器發出的線性偏振光以入射角Θ ^斜入射至薄玻璃板，經該薄玻璃板透射之後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覆反射和透射多次，獲得多束經薄玻璃板透射之後的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通過會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給信號處理系統；信號處理系統處理數據獲取金屬線溫度變化前後薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離變化量Λ D，進而獲取待測金屬線(5)的膨脹係數α。
[0009]基於所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數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，打開線性調頻雷射器，由信號處理系統處理相關數據測量出薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距
離〕！；
[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第一平面反射鏡移動，由信號處理系統處理相關數據測量出在溫度T2時薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離D2 ；
[0012]步驟三、根據公式
【權利要求】
1.線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置，其特徵在於，它包括線性調頻雷射器(1)、薄玻璃板(3)、第一平面反射鏡(4)、待測金屬線(5)、電熱爐(6)、會聚透鏡(8)、光電探測器(9)和信號處理系統； 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)的整體位於電熱爐(6)內； 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_ ； 線性調頻雷射器(I)發出的線性偏振光以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(3)，經該薄玻璃板(3)透射之後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)之間反覆反射和透射多次，獲得多束經薄玻璃板(3)透射之後的光束和薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通過會聚透鏡(8)匯聚至光電探測器(9)的光敏面上，所述光電探測器(9)輸出電信號給信號處理系統；信號處理系統處理數據獲取金屬線5溫度變化前後薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離變化量AD，進而獲取待測金屬線(5)的膨脹係數α。
2.根據權利要求1所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置，其特徵在於，它還包括第二平面反射鏡(2);線性調頻雷射器(I)發出的線性偏振光經第二平面反射鏡(2)反射後，再以入射角Qtl斜入射至薄玻璃板(3)。
3.根據權利要求1所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置，其特徵在於，它還包括溫控儀(7)和溫度採集裝置，所述電熱爐(6)的溫控信號輸入端與溫控儀(7)的溫控信號輸出端連接；溫度採集裝置採集待測金屬線(5)的溫度，所述溫度採集裝置的溫度信號輸出端與溫控儀(7)的溫度信號輸入端連接。
4.根據權利要求3所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置，其特徵在於，溫度採集裝置為鉬電阻。
5.根據權利要求1、2、3或4所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置，其特徵在於，信號處理系統包括濾波器(10)、前置放大器(11)、A/D轉換電路(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轉換電路(12)的模擬信號輸入端相連;A/D轉換電路(12)的數位訊號輸出端與DSP微處理器(13)的輸入端相連。
6.基於權利要求5所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的裝置的方法，其特徵在於，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，打開線性調頻雷射器(I)，由信號處理系統處理相關數據測量出薄玻璃板(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)伸縮同步帶動第一平面反射鏡(4)移動，由信號處理系統處理相關數據測量出在溫度T2時薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離込；步驟三、根據公式
7.根據權利要求6所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量金屬線膨脹係數的方法，其特徵在於，溫度T1時的薄玻璃板(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、線性調頻雷射器(I)發出線性調頻線偏振光以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 為大於或等於 2 的正整數； 其中=E1U)為光束經薄玻璃板(3)前表面反射後的反射光場,且按公式
【文檔編號】G01B11/02GK103954646SQ201410206015
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】李彥超, 韓雪冰, 楊九如, 冉玲苓, 高揚, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 於偉波 申請人:黑龍江大學