專利名稱：多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
物體的熱膨脹性質(zhì)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(zhǎng)度的變化稱為線膨脹。測(cè)量材料的線膨脹系數(shù)，不僅對(duì)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(biāo)之一。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械和儀表的制造、材料的加工等過(guò)程中都必須考慮材料的熱膨脹特性。否則，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度，如考慮失當(dāng)，甚至?xí)斐晒こ痰膿p毀，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。目前，對(duì)金屬線膨脹系數(shù)的測(cè)定有光杠桿法、讀數(shù)顯微鏡法、電熱法和激光干涉法等測(cè)量方法。上述方法在測(cè)量的過(guò)程中，由于需要直接測(cè)量的參數(shù)過(guò)多，操作較復(fù)雜，以至于實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差與偶然誤差偏大，例如，用光杠桿法測(cè)金屬線脹系數(shù)時(shí)，由于近似公式的采用與復(fù)雜的操作使其系統(tǒng)誤差偏大，同時(shí)，由于讀數(shù)裝置配備不合理引入的偶然誤差也較大，以至于其相對(duì)誤差達(dá)4. 4% ； 讀數(shù)顯微鏡法由于視覺(jué)引起的偶然誤差和電熱法實(shí)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(cè)量精度；激光干涉法由于該裝置的干涉條紋銳細(xì)、分辨率高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，從而大大減小了實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)現(xiàn)了金屬線脹系數(shù)的精確測(cè)量，測(cè)量的相對(duì)誤差可為2%，但是這種方法在讀取干涉條紋數(shù)時(shí)存在視覺(jué)引起的偶然誤差，導(dǎo)致精度無(wú)法再提高，也不能滿足目前超高精度測(cè)量的要求。激光外差測(cè)量技術(shù)在光學(xué)測(cè)量法中具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)而備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測(cè)量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前超高精度測(cè)量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測(cè)及測(cè)量?jī)x器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測(cè)量、檢測(cè)、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。但是現(xiàn)有激光外差測(cè)量法在測(cè)量金屬線脹系數(shù)時(shí)存在采集到的激光差頻信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)處理的運(yùn)算速度均不理想的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有激光外差測(cè)量法在測(cè)量金屬線脹系數(shù)時(shí)存在采集到的激光差頻信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)處理的運(yùn)算速度均不理想的問(wèn)題，而提出的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置及方法。多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，它包括Htl固體激光器、四分之一波片、振鏡、第一平面反射鏡、偏振分束鏡PBS、會(huì)聚透鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、待測(cè)金屬棒、電熱爐、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)；Htl固體激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)第一平面反射鏡反射之后入射至偏振分束鏡 PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS反射后的光束經(jīng)四分之一波片透射后入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡 PBS透射后的光束入射至薄玻璃板，經(jīng)該薄玻璃板透射之后的光束入射至第二平面反射鏡， 該光束在相互平行的薄玻璃板后表面和第二平面反射鏡之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通過(guò)會(huì)聚透鏡匯聚至光電探測(cè)器的光敏面上，所述光電探測(cè)器輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)；薄玻璃板后表面和第二平面反射鏡之間的距離為實(shí)數(shù)d ；所述第二平面反射鏡的非反射面中心與待測(cè)金屬棒的一端固定連接，所述待測(cè)金屬棒的整體位于電熱爐內(nèi)。基于上述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置的測(cè)量方法，首先，調(diào)制電熱爐的位置，使與待測(cè)金屬棒固定連接的第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板相互平行，并使第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板之間的距離d為15mm 20mm ；然后，采用電熱爐對(duì)待測(cè)金屬棒進(jìn)行均勻加熱，并打開(kāi)振鏡的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡開(kāi)始振動(dòng)；同時(shí)，打開(kāi)Htl固體激光器；最后，采集電熱爐內(nèi)部的溫度，讀取并記錄溫度值，獲得溫度變化量ΔΤ，同時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得第二平面反射鏡和薄玻璃板后表面之間的距離變化量，該距離變化量△(!即為待測(cè)金屬棒的長(zhǎng)度變化量Δ1 ；根據(jù)待測(cè)金屬棒的長(zhǎng)度變化量Δ1和電熱爐內(nèi)部的溫度值的變化量ΔΤ獲得金屬線膨脹系數(shù)α
Al
_3] α =式中，1。為待測(cè)金屬棒的初始長(zhǎng)度。本申請(qǐng)所述測(cè)量裝置及方法不但具有傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)角技術(shù)具有非接觸性、精度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，還具有采集的激光差頻信號(hào)質(zhì)量高和信號(hào)處理的運(yùn)算速度快的突出優(yōu)點(diǎn)ο本申請(qǐng)通過(guò)在光路中引入振鏡13，使不同時(shí)刻入射的光信號(hào)附加了一個(gè)光頻，這樣經(jīng)過(guò)薄玻璃板9的反射光和第二平面反射鏡6多次反射的光在滿足干涉的條件下，產(chǎn)生多光束外差干涉信號(hào)，從而將待測(cè)信息成功地調(diào)制在中頻外差二次諧波信號(hào)的頻率差中。 在測(cè)量樣品線膨脹系數(shù)過(guò)程中，此方法在頻域同時(shí)得到了包含金屬長(zhǎng)度變化量的信息的頻率值，信號(hào)解調(diào)后得到長(zhǎng)度變化量，通過(guò)多次測(cè)量加權(quán)平均可以得到精確的樣品長(zhǎng)度隨溫度的變化量。以黃銅為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，線膨脹系數(shù)測(cè)量的相對(duì)誤差僅為0. 08%，顯著提高了測(cè)量精度。與其他測(cè)量方法相比，多光束激光外差法測(cè)金屬線膨脹系數(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量速度快、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、操作方便；實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小、精度高等多方面優(yōu)勢(shì)。同時(shí)， 由于該方法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，所以可以在相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中廣泛使用。


圖1是多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2薄玻璃板和第二平面反射鏡之間的多光束激光干涉原理圖；圖3是在15°C情況下多光束激光外差二次諧波信號(hào)的傅里葉變換頻譜圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，它包括HO固體激光器2、四分之一波片12、振鏡13、第一平面反射鏡3、偏振分束鏡PBS11、會(huì)聚透鏡10、薄玻璃板9、第二平面反射鏡6、待測(cè)金屬棒15、電熱爐14、光電探測(cè)器4和信號(hào)處理系統(tǒng)5 ；HO固體激光器2發(fā)出的線偏振光經(jīng)第一平面反射鏡3反射之后入射至偏振分束鏡 PBSl 1，經(jīng)該偏振分束鏡PBSll反射后的光束經(jīng)四分之一波片12透射后入射至振鏡13的光接收面，經(jīng)該振鏡13反射的光束再次經(jīng)四分之一波片12透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBSll， 經(jīng)該偏振分束鏡PBSl 1透射后的光束入射至薄玻璃板9，經(jīng)該薄玻璃板9透射之后的光束入射至第二平面反射鏡6，該光束在相互平行的薄玻璃板9后表面和第二平面反射鏡6之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板9透射之后的光束和薄玻璃板9前表面的反射光一起通過(guò)會(huì)聚透鏡10匯聚至光電探測(cè)器4的光敏面上，所述光電探測(cè)器4輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)5 ；薄玻璃板9后表面和第二平面反射鏡6之間的距離為實(shí)數(shù)d ；所述第二平面反射鏡6的非反射面中心與待測(cè)金屬棒15的一端固定連接，所述待測(cè)金屬棒15的整體位于電熱爐14內(nèi)，該待測(cè)金屬棒15在溫度的作用下產(chǎn)生軸向形變。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于它還增加了溫控儀 16和溫度采集裝置，所述電熱爐14的溫控信號(hào)輸入端與數(shù)顯溫控儀16的溫控信號(hào)輸出端連接；溫度采集裝置采集待測(cè)金屬棒15的溫度，所述溫度采集裝置的溫度信號(hào)輸出端與溫控儀16的溫度信號(hào)輸入端連接。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于溫控儀16為數(shù)顯溫控儀。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于溫度采集裝置為鉬電阻。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、二、三或四的不同點(diǎn)在于信號(hào)處理系統(tǒng)5由濾波電路5-1、前置放大電路5-2、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D和數(shù)字信號(hào)處理器DSP組成，所述濾波電路5-1對(duì)接收到的光電探測(cè)器4輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大電路5-2，經(jīng)所述前置放大電路5-2放大之后的信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一、二、三或四相同。
具體實(shí)施方式
六基于具體實(shí)施方式
一所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置的測(cè)量方法；首先，調(diào)制電熱爐14的位置，使與待測(cè)金屬棒15固定連接的第二平面反射鏡6的反射面與薄玻璃板9相互平行，并使第二平面反射鏡6的反射面與薄玻璃板9之間的距離d為15mm 20mm ；然后，采用電熱爐14對(duì)待測(cè)金屬棒15進(jìn)行均勻加熱，并打開(kāi)振鏡13的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡13開(kāi)始振動(dòng)；同時(shí)，打開(kāi)HO固體激光器2 ； 最后，采集電熱爐14內(nèi)部的溫度，讀取并記錄溫度值，獲得溫度變化量ΔΤ，同時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)5連續(xù)采集光電探測(cè)器4輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得第二平面反射鏡6和薄玻璃板9后表面之間的距離變化量，該距離變化量Δ d即為待測(cè)金屬棒15的長(zhǎng)度變化量Δ 1 ；根據(jù)待測(cè)金屬棒15的長(zhǎng)度變化量Δ 1和電熱爐14內(nèi)部的溫度值的變化量ΔT獲得金屬線膨脹系數(shù)α
權(quán)利要求
1.多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于它包括H。固體激光器O)、四分之一波片(12)、振鏡(13)、第一平面反射鏡(3)、偏振分束鏡PBS(Il)、會(huì)聚透鏡(10)、薄玻璃板(9)、第二平面反射鏡(6)、待測(cè)金屬棒(15)、電熱爐(14)、光電探測(cè)器⑷和信號(hào)處理系統(tǒng)(5)；Htl固體激光器( 發(fā)出的線偏振光經(jīng)第一平面反射鏡C3)反射之后入射至偏振分束鏡 PBS (11)，經(jīng)該偏振分束鏡PBS (11)反射后的光束經(jīng)四分之一波片(1 透射后入射至振鏡 (13)的光接收面，經(jīng)該振鏡(1 反射的光束再次經(jīng)四分之一波片(1 透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS (11)，經(jīng)該偏振分束鏡PBS (11)透射后的光束入射至薄玻璃板(9)，經(jīng)該薄玻璃板(9)透射之后的光束入射至第二平面反射鏡(6)，該光束在相互平行的薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射鏡(6)之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板(9)透射之后的光束和薄玻璃板(9)前表面的反射光一起通過(guò)會(huì)聚透鏡(10)匯聚至光電探測(cè)器(4)的光敏面上，所述光電探測(cè)器(4)輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)(5)；薄玻璃板(9)后表面和第二平面反射鏡(6)之間的距離為實(shí)數(shù)d ；所述第二平面反射鏡(6)的非反射面中心與待測(cè)金屬棒(15)的一端固定連接，并且所述待測(cè)金屬棒(15)的中心軸線垂直于所述第二平面反射鏡(6)，所述待測(cè)金屬棒(15)的整體位于電熱爐(14)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于它還包括溫控儀(16)和溫度采集裝置，所述電熱爐(14)的溫控信號(hào)輸入端與數(shù)顯溫控儀(16)的溫控信號(hào)輸出端連接；溫度采集裝置采集待測(cè)金屬棒(15)的溫度，所述溫度采集裝置的溫度信號(hào)輸出端與溫控儀(16)的溫度信號(hào)輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于溫控儀(16)為數(shù)顯溫控儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于溫度采集裝置為鉬電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于信號(hào)處理系統(tǒng)(5)由濾波電路(5-1)、前置放大電路(5-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)和數(shù)字信號(hào)處理器DSP組成，所述濾波電路(5-1)對(duì)接收到的光電探測(cè)器(4)輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大電路(5-2)，經(jīng)所述前置放大電路(5- 放大之后的信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP。
6.基于權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于首先，調(diào)制電熱爐(14)的位置，使與待測(cè)金屬棒(15)固定連接的第二平面反射鏡(6) 的反射面與薄玻璃板(9)相互平行，并使第二平面反射鏡(6)的反射面與薄玻璃板(9)之間的距離d為15mm 20mm ；然后，采用電熱爐(14)對(duì)待測(cè)金屬棒(15)進(jìn)行均勻加熱，并打開(kāi)振鏡(13)的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡(13)開(kāi)始振動(dòng)；同時(shí)，打開(kāi)Htl固體激光器O)；在均勻加熱的過(guò)程中，采集電熱爐(14)內(nèi)部的溫度，讀取并記錄溫度值，獲得溫度變化量ΔΤ，同時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)( 連續(xù)采集光電探測(cè)器(4)輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得第二平面反射鏡(6)和薄玻璃板(9)后表面之間的距離變化量，該距離變化量△(!即為待測(cè)金屬棒(1 的長(zhǎng)度變化量Δ1 ；根據(jù)待測(cè)金屬棒(1 的長(zhǎng)度變化量Δ 1和電熱爐(14)內(nèi)部的溫度值的變化量ΔΤ獲得金屬線膨脹系數(shù)α Ala =-/0ΔΤ式中，I0為待測(cè)金屬棒(1 的初始長(zhǎng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于信號(hào)處理系統(tǒng)( 連續(xù)采集光電探測(cè)器(4)輸出的電信號(hào)， 并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得第二平面反射鏡(6)和薄玻璃板(9)后表面之間的距離變化量的過(guò)程為由于激光在薄玻璃板(9)前表面的反射光與第二平面反射鏡(6)反射k次和k+Ι次后的透射出薄玻璃板(9)前表面的光混頻，產(chǎn)生兩個(gè)幅度相差2 3個(gè)數(shù)量級(jí)的差頻信號(hào)，所述測(cè)量方法中的二次諧頻差為薄玻璃板(9)后表面第k次反射的&與薄玻璃板(9)后表面k+2次反射后的Ek+2光混頻所產(chǎn)生的；在不考慮薄玻璃板(9)自身厚度的情況下，當(dāng)激光以入射角θ ^斜入射薄玻璃板(9)前表面時(shí)的入射光場(chǎng)為E (t) = E1 exp(io0t)；振鏡(13)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程為x(t) = x0 cos( ct)； 振鏡(13)的速度方程為 ν(t) =_ω。Χ(1 sin(co。t)， 由于振鏡(13)的運(yùn)動(dòng)，反射光的頻率變?yōu)棣?= ω(1(1-2ω。Χ(1 sin(co。t)/c)， 上述各式中參數(shù)Qci為激光角頻率，參數(shù)為振鏡(1 振動(dòng)的振幅，參數(shù)ω。為振鏡 (13)的角頻率，c為光速，t為時(shí)間；則t-L/c時(shí)刻到達(dá)薄玻璃板(9)前表面的反射光場(chǎng)為E0(t) = Ct0E1 θχρ{ [ω0(1-2ωεχ0 sin(ωc(t_L/c))/c)公式 3(t_L/c) + co0x0 cos(coc(t_L/c))/c]}式中，參數(shù)= r，r為薄玻璃板(9)的反射系數(shù)；L為振鏡(13)到不計(jì)厚度薄玻璃板(9)前表面的光程屯為振幅常數(shù)；經(jīng)薄玻璃板(9)透射的光在不同時(shí)刻被第二平面反射鏡(6)后表面多次反射并多次透射出薄玻璃板(9)的前表面，獲得的多束透射光的光場(chǎng)分別為E1 (t) = α AexpU [ω0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(L+2nd cos θ ) /c)) /c)(t- (L+2nd cos θ ) /c) + ω 0χ0 cos ( ω c (t_ (L+2nd cos θ )/c)) /c]}E2 (t) = Ct2E1 exp{i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(L+4nd cos θ ) /c)) /c)(t- (L+4nd cos θ ) /c) + ω 0χ0 cos ( ω c (t_ (L+4nd cos θ )/c)) /c]}E3 (t) = Ct3E1 exp{i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(L+6nd cos θ ) /c)) /c)(t- (L+6nd cos θ ) /c) + ω 0χ0 cos ( ω c (t_ (L+6nd cos θ )/c)) /c]}公式 4Em(t) = CtmE1 exp{i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(L+2mnd cos θ )/c))/c)(t_(L+2mnd cos θ )/ο) + ω0χ0 cos (ω c (t_ (L+2mnd cos θ ) /c)) /c]}其中，下標(biāo)m的取值為0，1，2，......，η為薄玻璃板(9)和第二平面反射鏡(6)之間介質(zhì)的折射率，Q1 = β2Γ'，......, αω= β2Γ' V-1, β為薄玻璃板(9)的透射系數(shù)，r'為第二平面反射鏡(6)的反射系數(shù)，參數(shù)d為薄玻璃板(9)到第二平面反射鏡(6)的距離， θ為入射光透過(guò)薄玻璃板(9)后的折射角， 光電探測(cè)器(4)接收到的總光場(chǎng)表示為 E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t)公式 5則光電探測(cè)器(4)輸出的光電流表示為/ =蓋去媽[五。⑷+ ^⑷+…城⑷+…収。⑴+五1⑷+ .·· + &⑷+ .··]*論公式6其中，參數(shù)e為電子電量，參數(shù)Z為光電探測(cè)器(4)表面介質(zhì)的本征阻抗，參數(shù)η為量子效率，參數(shù)S為光電探測(cè)器(4)光敏面的面積，參數(shù)h為普朗克常數(shù)，參數(shù)ν為激光頻率 *號(hào)表示復(fù)數(shù)共軛；整理得到二次諧波信號(hào)的中頻電流為=^jat t 五/(,)+<(狀⑴玲公式 7ZnV 乙 s P=O J=P+2將公式3和公式4代入公式7中，最終結(jié)果為τ ηβ π ^2^ r8 i/cos(9iyn< ^n2ωΓ,χΓ, Andwn cos θ ;> ,、1IF=jT-KY, TjOC^ai --+ --^——公式 8hv Z Pi T^o cc cSnd cos θW0W2c X0 (1 + 2pnd cos θ)c3-]忽略1/c3的小項(xiàng)之后簡(jiǎn)化為τ ηβ π ^2^,Sndcosθωηω^xn 2<axn -Andwn cos(9N ;> ,、Iif = T--^oZ Σ aj+Paj cos(-2 o, + ^^-9——)公式 9hv Z Picc其中，參數(shù)P和j均為非負(fù)整數(shù)；根據(jù)公式9把激光外差二次諧波信號(hào)的頻率記為/ = %nd cos θω{)(&cx{) / (Inc1) = And cos Θω0ω1χ0 / (πε2 ) =10根據(jù)公式10得到，激光外差二次諧波信號(hào)的頻率與薄玻璃板(9)與第二平面反射鏡 (6)之間的距離d成正比，比例系數(shù)為 K = An cos Θω0ω1χ0 / (πε2)公式 11 根據(jù)公式9得到變化量Ad。
全文摘要
多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置及方法，它涉及一種測(cè)量金屬線脹系數(shù)的測(cè)量裝置及方法；它為了解決現(xiàn)有激光外差測(cè)量法在測(cè)量金屬線脹系數(shù)時(shí)存在采集到的激光差頻信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)處理的運(yùn)算速度均不理想的問(wèn)題而提出。第二平面反射鏡的反射面與薄玻璃板相互平行；對(duì)待測(cè)金屬棒均勻加熱，同時(shí)，打開(kāi)H0固體激光器；采集電熱爐內(nèi)部的溫度，獲得溫度變化量，同時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，獲得第二平面反射鏡和薄玻璃板后表面之間的距離變化量，通過(guò)該溫度變化量和距離變化量獲得金屬線膨脹系數(shù)，它具有采集的激光差頻信號(hào)質(zhì)量高和信號(hào)處理的運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N25/16GK102253074SQ20111014478
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)