都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法

2023-11-08 13:35:57 3

專利名稱：都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量楊氏模量的方法。
背景技術：
楊氏彈性模量反映了材料形變與內應力的關係，材料受外力作用時必須發生形變，其內部脅強和脅變(即相對形變)的比值稱為楊氏彈性模量，它是表徵固體材料性質的一個重要物理量，是工程技術中機械構件選材時的重要參數。近幾年來，在工程測量技術中，多採用光槓槓法、光纖傳感器法、CCD法、幹涉法、拉伸法和衍射法等，但這些方法間接測量量較多，偶然誤差較大，且需進行大量的數據處理，因此，這些方法的測量精度較低，無法滿足目前高精度測量的要求。雷射外差測量技術在光學測量法中具有高的空間和時間解析度、測量速度快、精度高、線性度好、抗幹擾能力強、動態響應快、重複性好和測量範圍大等優點而備受國內外學者關注，雷射外差測量技術繼承了雷射外差技術和都卜勒技術的諸多優點，是目前超高精度測量方法之一。該方法已成為現代超精密檢測及測量儀器的標誌性技術之一，廣泛應用於超精密測量、檢測、加工設備、雷射雷達系統等。但是現有的雷射外差測量法在測量楊氏模量時存在採集的雷射差頻信號和信號處理的運算速度均不理想的問題。

發明內容
本發明為了解決現有雷射外差測量法在測量楊氏模量時存在採集的雷射差頻信號和信號處理的運算速度均不理想的問題，而提出的都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法。都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它是基於都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現的，所述裝置包括多光束雷射外差測量距離的裝置，它由Htl固體雷射器、平面反射鏡、四分之一波片、振鏡、振鏡驅動電源、偏振分束鏡、會聚透鏡、薄玻璃板、光電探測器和信號處理系統組成，振鏡驅動電源用於驅動振鏡振動；薄玻璃板水平固定，該薄玻璃板的正上方距離d處設置一塊平面反射鏡，所述薄玻璃板與平面反射鏡的反射面相對、且相互平行，H0固體雷射器、四分之一波片、振鏡、偏振分束鏡、會聚透鏡、光電探測器均位於薄玻璃板的下方，所述Htl固體雷射器發射雷射束至偏振分束鏡的前表面，經該偏振分束鏡反射的光束經四分之一波片透射之後發射到振鏡的入射面，經振鏡反射後的反射光束再次經四分之一波片透射至偏振分束鏡， 經所述偏振分束鏡透射之後入射至薄玻璃板，該透射光束在該薄玻璃板的入射面的入射角 θ ^小於90且大於等於0度；該透射光經該薄玻璃板形成反射光束和透射光束，所述透光束經平面反射鏡反射的反射光束再次經薄玻璃板透射之後入射至會聚透鏡，經該薄玻璃板前表面反射形成的反射光束也入射至會聚透鏡，會聚透鏡將入射光束聚焦至光電探測器的探測面上，光電探測器的電信號輸出端與濾波器的信號輸入端連接，濾波器的信號輸出端與前置放大器的信號輸入端連接，前置放大器的信號輸出端與A/D轉換器的信號輸入端連接，所述A/D轉換器的信號輸出端與DSP數位訊號處理器的信號輸入端連接，所述DSP數位訊號處理器中固化有FFT算法，DSP數位訊號處理器根據接收到的信號解調後獲得平面反射鏡和薄玻璃板之間的距離；所述都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它由以下步驟實現步驟一、把一根長L，平均直徑為r的待測金屬絲懸掛於固定支架上，所述待測金屬絲的下端與砝碼固定連接，所述砝碼在重力作用下，對待測金屬絲施加拉力F以使所述待測金屬絲產生內部應力；所述砝碼的底部與平面反射鏡的非反射面固定連接，使得待測金屬絲垂直於平面反射鏡的反射面，然後打開雷射器，並同時控制振鏡驅動電源驅動振鏡開始振動；步驟二、信號處理系統採集光電探測器輸出的信號，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數，當平面反射鏡處於靜止狀態時，記錄該距離參數；步驟三、增加砝碼的質量M，步驟四、信號處理系統再次採集光電探測器輸出的信號，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數，當平面反射鏡處於靜止狀態時，記錄該距離參數，步驟五、根據步驟二和四獲得的兩個距離參數，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間距離的變化量Δ d，該距離變化量Ad即為待測金屬絲在質量M的作用下的伸長量AL;根據胡克定律，獲得待測金屬絲的楊氏模量為
權利要求
1.都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它是基於都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現的，所述裝置包括多光束雷射外差測量距離的裝置，它由Htl固體雷射器(1)、平面反射鏡(6)、四分之一波片(3)、 振鏡(2)、振鏡驅動電源、偏振分束鏡(4)、會聚透鏡(9)、薄玻璃板(5)、光電探測器(10)和信號處理系統組成，振鏡驅動電源用於驅動振鏡(2)振動；薄玻璃板(5)水平固定，該薄玻璃板(5)的正上方距離d處設置一塊平面反射鏡(6)，所述薄玻璃板(5)與平面反射鏡(6) 的反射面相對、且相互平行，H0固體雷射器(1)、四分之一波片(3)、振鏡(2)、偏振分束鏡 (4)、會聚透鏡(9)、光電探測器(10)均位於薄玻璃板(5)的下方，所述Htl固體雷射器⑴ 發射雷射束至偏振分束鏡(4)的前表面，經該偏振分束鏡(4)反射的光束經四分之一波片 (3)透射之後發射到振鏡(2)的入射面，經振鏡(2)反射後的反射光束再次經四分之一波片 (3)透射至偏振分束鏡(4)，經所述偏振分束鏡(4)透射之後入射至薄玻璃板(5)，該透射光束在該薄玻璃板(5)的入射面的入射角θ ^小於90且大於等於0度；該透射光經該薄玻璃板(5)形成反射光束和透射光束，所述透光束經平面反射鏡(6)反射的反射光束再次經薄玻璃板(5)透射之後入射至會聚透鏡(9)，經該薄玻璃板(5)前表面反射形成的反射光束也入射至會聚透鏡(9)，會聚透鏡(9)將入射光束聚焦至光電探測器(10)的探測面上，光電探測器(10)的電信號輸出端與濾波器(11)的信號輸入端連接，濾波器(11)的信號輸出端與前置放大器(12)的信號輸入端連接，前置放大器(12)的信號輸出端與A/D轉換器(13)的信號輸入端連接，所述A/D轉換器(13)的信號輸出端與DSP數位訊號處理器(14)的信號輸入端連接，所述DSP數位訊號處理器(14)中固化有FFT算法，DSP數位訊號處理器(14) 根據接收到的信號解調後獲得平面反射鏡(6)和薄玻璃板(5)之間的距離；其特徵在於都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它由以下步驟實現步驟一、把一根長L，平均直徑為r的待測金屬絲(8)懸掛於固定支架上，所述待測金屬絲(8)的下端與砝碼(7)固定連接，所述砝碼(7)在重力作用下，對待測金屬絲(8)施加拉力F以使所述待測金屬絲(8)產生內部應力；所述砝碼(7)的底部與平面反射鏡(6)的非反射面固定連接，使得待測金屬絲(8)垂直於平面反射鏡(6)的反射面，然後打開H0固體雷射器(1)，並同時控制振鏡驅動電源驅動振鏡(2)開始振動；步驟二、信號處理系統採集光電探測器(10)輸出的信號，獲得薄玻璃板(5)和平面反射鏡(6)之間的距離參數，當平面反射鏡(6)處於靜止狀態時，記錄該距離參數；步驟三、增加砝碼的質量M，步驟四、信號處理系統再次採集光電探測器(10)輸出的信號，獲得薄玻璃板(5)和平面反射鏡(6)之間的距離參數，當平面反射鏡(6)處於靜止狀態時，記錄該距離參數，步驟五、根據步驟二和四獲得的兩個距離參數，獲得薄玻璃板(5)和平面反射鏡(6)之間距離的變化量Ad，該距離變化量Ad即為待測金屬絲(8)在質量M的作用下的伸長量 AL；根據胡克定律，獲得待測金屬絲的楊氏模量為J7TE = JKl^1式中，S為待測金屬絲的截面積，S = πτ2/4 ；F為在伸長方向上的拉力，即為砝碼重量Mg;參數g為重力加速度；則，力F對應的楊氏模量為&粵公式2nr SL步驟六、在待測金屬絲的彈性限度內，多次增加砝碼的質量Μ，每次增加砝碼之後，執行步驟五獲得一個距離參數，根據該距離參數和步驟二獲得的距離參數獲得相應的距離變化量，進而獲得在力xMg作用下的楊氏模量，其中χ = 2、3……； 步驟二和步驟四中所述的獲得距離參數的過程為由於雷射在薄玻璃板(5)前表面的反射光與平面反射鏡(6)入射面反射k次和k+Ι次後的透射出玻璃前表面的光混頻，產生兩個幅度相差2 3個數量級的差頻信號，上述方法所述的二次諧頻差為薄玻璃板(5)後表面k次反射的Ek與薄玻璃板(5)後表面k+2次反射後的Ek+2光混頻所產生的；在不考慮平面反射鏡(6)自身厚度的情況下，當雷射以入射角θ ^斜入射薄玻璃板(5) 前表面時的入射光場為E (t) = EieXp(ico0t)， 所述振鏡(2)採用都卜勒振鏡； 所述振鏡⑵的簡諧振動方程為x(t) = X(|C0S (ω。t)； 所述振鏡⑵的速度方程為ν(t) =-QcX0Sin(Wct)； 由于振鏡⑵的運動，反射光的頻率變為ω = Q0(l-2 cx0sin( ct)/c), 上述各式中參數ω^為雷射角頻率，參數X(l為振鏡(2)振動的振幅，參數ω。為振鏡(2) 的角頻率，c為光速，t為時間；則t-1/c時刻到達平面反射鏡(6)前表面的反射光場為E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c)公式 3(t-l/c) + ω 0x0cos (ω c (t_l/c)) /c]}式中，參數= r，r為光從周圍介質入射到薄玻璃板(5)前表面時的反射係數；1為振鏡(2)到薄玻璃板(5)前表面的距離屯為振幅常數；經薄玻璃板(5)透射的光在不同時刻被平面反射鏡(6)多次反射，其反射光透射出薄玻璃板(5)時的光場表達式分別寫成如下形式E1 ⑴=α AexpU [ω0(1-2 cocx0sin(ωc(t_(l+2ndcos θ )/c))/c)(t- (l+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2ndcos θ )/c)) /c]}E2 (t) = α 2E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+4ndcos θ ) /c)) /c)(t- (l+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+4ndcos θ )/c)) /c]}E3(t) = α ^expU [ω0(1-2 cocx0sin(ωc(t_(l+6ndcos θ )/c))/c)(t- (l+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+6ndcos θ )/c)) /c]}公式 4Em (t) = α ,J1E1Gxp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+2mndcos θ ) /c)) /c)(t- (l+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2mndcos θ )/c)) /c]}其中，參數Q1=Mr'，......, αω= β2Γ' V1—1，!·為薄玻璃板(5)的反射係數，β為薄玻璃板(5)的透射係數，r'為平面反射鏡(6)的反射係數，d為測量過程中薄玻璃板 (5)後表面到平面反射鏡(6)反射面之間的距離，θ為入射光束透過薄玻璃板(5)時的折射角，下標m取值為0，1，2，......，η為平面反射鏡(6)與薄玻璃板(5)之間介質的折射率；光電探測器(10)接收到的總光場表示為E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t)公式 5則光電探測器(10)輸出的光電流表示為/ =蓋去媽[五。⑷+ + + ⑷+…収。⑴+五1⑷+ .·· + &⑷+ .··]*論公式6其中，參數e為電子電量，參數Z為光電探測器(10)表面介質的本徵阻抗，參數η為量子效率，參數S為光電探測器(10)光敏面的面積，參數h為普朗克常數，參數ν為雷射頻率，*號表示複數共軛；整理得到雷射外差二次諧波信號的中頻電流為=^jat t 五/(,)+<(狀⑴玲公式 7LnV L s P-O j二p+2將公式3和公式4代入公式7，最終結果為W-Iτ ηβ π r8 <icos(9iyn ,、1IF=jT-KY, TjOC^ai CO^--+ --^——公式 8hv Z Pi T^o cc cSnd cos θW0W2c X0 (1 + 2pnd cos θ)c3-]忽略1/c3的小項之後簡化為τ ^ n^ ^ ^nd cos^q^Xq ^ . 2ω0χ0 -Andw0 cos"、1IF - T--^o L· L· aMa1 cos(-)-t+--)公式 9nV 乙 p=0 J=Occ其中，P和j均為非負整數；根據公式9把雷射外差二次諧波信號的頻率記為/ = %nd cos Θω0ω1χ0 / (Inc1) = And cos θω0ω]χ0 / (πε2 ) =10根據公式10得知，雷射外差二次諧波信號的頻率同薄玻璃板(5)後表面到平面反射鏡 (6)反射面之間的距離d成正比，比例係數為 K = An cos θω0ω^χ0 / (ttc2)公式 11根據公式9得到變化量△(!，再根據公式2計算得到待測樣品楊氏模量。
2.根據權利要求1所述的都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特徵在於xMg在待測金屬絲的彈性限度內。
3.根據權利要求1所述的都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特徵在於待測金屬絲(8)為鋼絲。
4.根據權利要求1所述的都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特徵在於待測金屬絲(8)的長度為lm，截面直徑為0. 25mm至1mm。
5.根據權利要求1所述的都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特徵在於所述裝置中，距離d ^ 20mm。
全文摘要
都卜勒振鏡正弦調製多光束雷射外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它涉及一種測量楊氏模量的方法。它為解決現有雷射外差測量法在測量楊氏模量時存在採集的雷射差頻信號和信號處理的運算速度均不理想的問題而提出。待測金屬絲懸掛於固定支架上，使待測金屬絲垂直於平面反射鏡的反射面，打開雷射器，同時振鏡開始簡諧振動；信號處理系統採集光電探測器輸出的信號，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數，增加砝碼的質量，再次獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數，根據獲得的兩個距離參數求得伸長量；進而獲得待測金屬絲的楊氏模量。它具有採集的雷射差頻信號質量高和信號處理的運算速度快的突出優點。
文檔編號G01N3/14GK102252912SQ20111014513
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業大學