線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置及方法
2024-01-28 22:02:15 1
線性調頻多光束雷射外差二次諧波法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二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置及方法，屬於光學測量【技術領域】。本發明是為了解決在鐵磁材料磁致伸縮係數的測量過程中，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、線性調頻雷射器、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、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，數位訊號處理器連續採集光電探測器輸出的光電流信號，並對採集到的差頻信號進行處理，根據頻率與距離之間的關係獲得薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當前距離，再根據磁致伸縮係數的公式，獲得待測鐵磁材料樣品的磁致伸縮係數。本發明用於測量磁致伸縮係數。
【專利說明】線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置及方法
【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磁致伸縮係數的裝置及方法，屬於光學測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]鐵磁質的磁疇在外磁場作用下定向排列，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，矯頑力等有重要影響，而且其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，在雷射雷達等方面也有重要的應用。
[0003]利用鐵磁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 = △ 1/1來表徵它形變的大小，其中△/表示物質長度的變化量，I表示物質的原始長度。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，即微位移變化的測量。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]本發明目的是為了解決在鐵磁材料磁致伸縮係數的測量過程中，對鐵磁材料長度變化量的測量精度低的問題，提供了一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置及方法。
[0006]本發明所述線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置，它包括待測鐵磁材料樣品，它還包括線性調頻雷射器、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、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採用固定件固定，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於激勵線圈內；激勵線圈採用直流穩壓電源供電，直流穩壓電源採用滑線變阻器調節輸出電流；
[0008]線性調頻雷射器發射的雷射束經第一平面反射鏡反射至薄玻璃板，經薄玻璃板透射的光被第二平面反射鏡反射後與經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。[0009]信號處理系統由濾波器、前置放大器、模數轉換器和數位訊號處理器組成，
[0010]濾波器用於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，經前置放大器放大的模擬信號傳送給模數轉換器，所述模擬信號經模數轉換器轉換為數位訊號後傳送給數位訊號處理器。
[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合金樣品。
[0014]一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的方法，基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置實現，它獲取磁致伸縮係數的方法如下:
[0015]首先，將待測鐵磁材料樣品進行交流退磁；
[0016]將滑線變阻器調節為阻值最大，使激勵線圈接通直流穩壓電源，待電壓穩定後，調節滑線變阻器的阻值，使激勵線圈的輸出電流單調上升；
[0017]然後，打開性調頻雷射器，使其發射線偏振光，並使光電探測器開始接收光束信號，數位訊號處理器連續採集光電探測器輸出的光電流信號，並對採集到的差頻信號進行處理，根據頻率與距離之間的關係:
[0018]f = Kd,
[0019]獲得薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當前距離d:
[0020]d = f/K,
[0021]式中f為外差信號的頻率，K為比例係數；
[0022]由薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的當前距離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△(!的數值與待測鐵磁材料樣品的長度變化量Λ I的數值相等，
[0023]再根據磁致伸縮係數α的公式:
[0024]
【權利要求】
1.一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置，它包括待測鐵磁材料樣品(1)，其特徵在於，它還包括線性調頻雷射器(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(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)的自由端採用固定件固定，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居中置於激勵線圈(10)內；激勵線圈(10)採用直流穩壓電源供電，直流穩壓電源採用滑線變阻器調節輸出電流； 線性調頻雷射器(2)發射的雷射束經第一平面反射鏡(3)反射至薄玻璃板(4)，經薄玻璃板(4)透射的光被第二平面反射鏡(5)反射後與經過薄玻璃板(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(8)。
2.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於，信號處理系統(8)由濾波器(8-1)、前置放大器(8-2)、模數轉換器(8-3)和數位訊號處理器(8-4)組成， 濾波器(8-1)用於接收光電探測器(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)，經前置放大器(8-2)放大的模擬信號傳送給模數轉換器(8-3)，所述模擬信號經模數轉換器(8-3)轉換為數位訊號後傳送給數位訊號處理器(8-4)。
3.根據權利要求1或2所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的初始距離為30mm。
4.根據權利要求3所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於，薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)相互平行。
5.根據權利要求4所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置，其特徵在於，待測鐵磁材料樣品(1)為鐵鎳合金樣品。
6.一種線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的方法，該方法基於權利要求5所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的裝置實現，其特徵在於，它獲取磁致伸縮係數的方法如下: 首先，將待測鐵磁材料樣品(1)進行交流退磁； 將滑線變阻器調節為阻值最大，使激勵線圈(10)接通直流穩壓電源，待電壓穩定後，調節滑線變阻器的阻值，使激勵線圈(10)的輸出電流單調上升； 然後，打開性調頻雷射器(2)，使其發射線偏振光，並使光電探測器(7)開始接收光束信號，數位訊號處理器(8-4)連續採集光電探測器(7)輸出的光電流信號，並對採集到的差頻信號進行處理，根據頻率與距離之間的關係:
f = Kd, 獲得薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當前距離d:
d = f/K, 式中f為外差信號的頻率，K為比例係數； 由薄玻璃板(4)與第二平面反射鏡(5)之間的當前距離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△(!的數值與待測鐵磁材料樣品(I)的長度變化量Al的數值相等， 再根據磁致伸縮係數α的公式:
7.根據權利要求6所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的方法，其特徵在於，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 為大於 I 的正整數； 式中E1 (t)為t-L/c時刻到達薄玻璃板(4)前表面並被該前表面反射的反射光的光場，按以下公式獲得:
8.根據權利要求7所述的線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量磁致伸縮係數的方法，其特徵在於，cos Θ的結果通過多光束雷射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 優先權日:2014年5月15日
【發明者】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, 於偉波 申請人:黑龍江大學