一種物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于邁克爾遜干涉儀的物體微質(zhì)量變化在線測量方法，將放置待測試樣的托盤作為邁克爾遜干涉儀的動鏡，物體質(zhì)量發(fā)生輕微變化時動鏡產(chǎn)生位移，從而使干涉條紋產(chǎn)生變化，通過變化后的干涉條紋與初始的干涉條紋對比得到條紋變化數(shù)，從而得到動鏡相對位移大小，持續(xù)獲得物體的質(zhì)量變化量。本發(fā)明實現(xiàn)了一種相對較大質(zhì)量物體的微質(zhì)量變化在線測量，原理簡單，實現(xiàn)容易，可靠性好，可滿足激光與物質(zhì)相互作用過程中，激光加載下試件質(zhì)量變化的實時測量，對于分析和開展激光效應(yīng)研究有積極的意義。
【專利說明】一種物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種質(zhì)量測量裝置，尤其是一種大質(zhì)量物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)量是物質(zhì)的一種基本物理參數(shù)。在物理化學(xué)反應(yīng)過程中，物體質(zhì)量的變化往往能反映出物理化學(xué)反應(yīng)的類型、劇烈程度等信息。
[0003]在激光與物質(zhì)相互作用研究中，當(dāng)強激光輻照在樹脂基復(fù)合材料試樣上時，由于樹脂熱解產(chǎn)生小分子和氣體產(chǎn)物，使復(fù)合材料質(zhì)量產(chǎn)生了持續(xù)的微小變化；當(dāng)強激光輻照在金屬試樣上時，溫度上升使金屬表面與空氣反應(yīng)，生成氧化物薄膜，材料總質(zhì)量也持續(xù)微量增加。測量材料質(zhì)量的變化對于分析激光輻射效應(yīng)意義重大，但由于這種情況下試樣質(zhì)量為克量級，而質(zhì)量變化量為毫克甚至微克量級，對直接測量物體質(zhì)量的儀器而言，需要能實時測量物體質(zhì)量的量，且其動態(tài)范圍需達(dá)到106，這些都對質(zhì)量測量儀器設(shè)計提出了嚴(yán)苛的要求。
[0004]現(xiàn)有測量微質(zhì)量變化的設(shè)備有石英晶振微天平，其測量原理是石英晶振上吸附微質(zhì)量物體而引起晶振諧振頻率的變化，但是受到自身諧振器的限制，只能對總質(zhì)量為毫克的物體進(jìn)行測量，難以滿足在相對大質(zhì)量條件下的微質(zhì)量實時變化測量要求。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，實現(xiàn)對相對大質(zhì)量條件下的微質(zhì)量實時變化測量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:
[0007]—種物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，包括托盤、支撐彈簧、支撐框架、激光干涉儀、聚焦透鏡和CXD相機，托盤由多只支撐彈簧支撐在支撐框架的頂端，待測試樣放置在托盤上，激光干涉儀用于實時測量因待測試樣質(zhì)量變化而引起的托盤底部的垂直位移，激光干涉儀所產(chǎn)生的干涉條紋經(jīng)聚焦透鏡匯聚至CCD相機。
[0008]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，激光干涉儀包括入射激光、分束鏡、全反鏡和精密位移調(diào)節(jié)螺釘，分束鏡與水平方向呈45°設(shè)置在支撐框架的中部，激光器和全反鏡分別設(shè)置在支撐框架的兩側(cè)與分束鏡垂直高度一致的位置，反射鏡由精密位移調(diào)節(jié)螺釘固定在支撐框架上，CCD和聚焦透鏡設(shè)置在托盤的正下方，所述的托盤底部鍍有反射膜；所述托盤到分束鏡的距離等于全反鏡與分束鏡之間的距離；入射激光水平入射至分束鏡后，透射光經(jīng)過全反鏡反射后再經(jīng)分束鏡反射至CCD內(nèi)，反射光經(jīng)過托盤底部反射后經(jīng)分束鏡透射至CXD內(nèi)，反射光和透射光在CXD內(nèi)形成干涉條紋，并由CXD實時記錄。
[0009]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，CXD前的光路上設(shè)置有衰減片。
[0010]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，支撐框架的六個面均由不透光的薄板密封，其中在激光入射位置處、CXD入射位置處和托盤入射位置處開有透光光窗。[0011]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，待測試樣放置在托盤中央部位。
[0012]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，CXD上入射光斑直徑不小于CXD器件長度的2/3。
[0013]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，入射激光為單模激光。
[0014]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，托盤底部鍍有高反射銀膜。
[0015]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，激光干涉儀為邁克爾遜干涉儀。
[0016]上述物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置中，分束鏡的透過率和反射率之比為1:1。
[0017]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1、本發(fā)明實現(xiàn)了一種相對較大質(zhì)量物體的微質(zhì)量變化在線測量，原理簡單，實現(xiàn)容易，可靠性好。
[0019]2、本發(fā)明可滿足激光與物質(zhì)相互作用過程中，激光加載下試件質(zhì)量變化的實時測量，對于分析和開展激光效應(yīng)研究有積極的意義。
[0020]3、本發(fā)明通過調(diào)整激光波長、彈簧剛度系數(shù)，可實現(xiàn)微克級至毫克級微質(zhì)量的變化測量。
[0021]4、本發(fā)明在支撐框架除了透光窗外的四周均由不透明材料密封，可以防止在激光實驗中產(chǎn)生的輻射光對測量結(jié)果的影響，同時防止外界氣流等干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置的原理框圖。
[0023]其中I 一入射激光；2 —待測試樣；3 —托盤；4 一支撐彈簧；5 —支撐框架；6 —精密位移調(diào)節(jié)螺釘；7 —全反鏡；8 —分束鏡；9 一聚焦透鏡；10 - CXD相機；11 一衰減片。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置包括托盤3、支撐彈簧4、支撐框架5、激光干涉儀、聚焦透鏡9和CXD相機10，托盤3由多只支撐彈簧4支撐在支撐框架5的頂端，待測試樣2放置在托盤3上，支撐架5底面中心放置一塊聚焦透鏡9，在其成像平面上放置可見光CCD相機10，相機10連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，相機10前放置合適的衰減片11，使相機10成像時CCD不達(dá)到飽和狀態(tài)；激光干涉儀用于實時測量因待測試樣2質(zhì)量變化而引起的托盤3底部的垂直位移，并將干涉條紋經(jīng)聚焦透鏡9匯聚至CCD相機10。激光干涉儀用于實時測量托盤3位移形成的干涉條紋以推導(dǎo)出待測試樣2的質(zhì)量變化量。
[0025]圖1中激光干涉儀為邁克爾遜干涉儀，包括入射激光1、分束鏡8、全反鏡7和精密位移調(diào)節(jié)螺釘6。其中，分束鏡8與水平方向呈45°設(shè)置在支撐框架5的中部，分束鏡8的透反比為1:1，激光器和全反鏡7分別設(shè)置在支撐框架5的兩側(cè)與分束鏡8垂直高度一致的位置，反射鏡7由精密位移調(diào)節(jié)螺釘6固定在支撐框架5上，CXD相機10和聚焦透鏡9設(shè)置在托盤3的正下方，所述的托盤底部鍍有反射膜；托盤3到分束鏡8的距離等于全反鏡7與分束鏡8之間的距離；入射激光I水平入射至分束鏡8后，透射光經(jīng)過全反鏡7反射后再經(jīng)分束鏡8反射至CXDlO內(nèi)，反射光經(jīng)過托盤3底部反射后經(jīng)分束鏡8透射至CXDlO內(nèi)，反射光和透射光在CXDlO內(nèi)形成干涉條紋，并由CXDlO實時記錄。
[0026]本發(fā)明物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置的工作原理如下:[0027]首先將待測試樣2放置在托盤3中央位置，由于重力作用，支撐托盤3的彈簧4產(chǎn)生一定量的位移h0。調(diào)節(jié)精密位移調(diào)節(jié)螺釘6，使波長為λ的單模激光I在經(jīng)過分束鏡8、托盤3、分束鏡8到達(dá)聚焦透鏡9的光程和激光I經(jīng)過分束鏡8、全反鏡7、分束鏡8到達(dá)聚焦透鏡9的光程相當(dāng)。此時，激光經(jīng)過衰減片11衰減至合適強度，再經(jīng)聚焦透鏡9在CCD相機10上成像。該成像為圓環(huán)形的等傾干涉條紋。當(dāng)物體質(zhì)量發(fā)生輕微變化時，彈簧4產(chǎn)生相應(yīng)調(diào)整，位移量相對于初始位移h0變化了 Ah。根據(jù)邁克爾遜干涉儀原理，當(dāng)2 Ahcos θ = λ時，兩路激光的位相差變化了 2 π，干涉條紋經(jīng)歷一次明暗變化。由于CCD采集的干涉條紋圖像通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，在待測試樣2質(zhì)量變化的整個過程中，根據(jù)CCD的采樣頻率得到了一系列干涉條紋圖像幀。其中第一幀為物體2質(zhì)量無變化時的初始位置。
[0028]其次，選取圖像中心線，對圖像幀系列進(jìn)行處理，提取出條紋在中心線上的強度分布。根據(jù)邁克爾遜干涉儀原理，當(dāng)托盤3向下移動時，Ah變大，干涉條紋向外擴散，成像的干涉條紋級數(shù)增大。由于不同干涉級的干涉條紋具有不同的條紋寬度，不會出現(xiàn)因Ah為λ/2的整數(shù)倍而使干涉條紋完全重合的現(xiàn)象。因此，可以依據(jù)條紋強度曲線判斷干涉條紋相對于初始位置的移動數(shù)Λ N，得到2 Ahcos θ =λ ΛΝ，由于Θ ^ 0，有Ah ^ λ ΛΝ/2，進(jìn)而得到Am=kAh/g=kX Δ N/2g,從而實現(xiàn)物體微質(zhì)量變化的在線測量。
[0029]為了提供干涉條紋的分辨力，對入射的激光光斑尺寸有一定的要求，即光斑經(jīng)聚焦透鏡9之后在CXD相機10上的成像應(yīng)盡量多占據(jù)CXD幅面。由于干涉條紋為圓環(huán)形狀，在提取條紋強度信息時不需要圓環(huán)保持完整，因而，可以使成像尺寸超出CCD器件寬度，只須不超過CCD器件長度即可，但`也應(yīng)不小于長度的2/3。
【權(quán)利要求】
1.一種物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:包括托盤(3)、支撐彈簧(4)、支撐框架(5)、激光干涉儀、聚焦透鏡(9)和C⑶相機(10)，所述的托盤(3)由多只支撐彈簧(4)支撐在支撐框架(5)的頂端，所述的待測試樣(2)放置在托盤(3)上，所述激光干涉儀用于實時測量因待測試樣(2)質(zhì)量變化而引起的托盤(3)底部的垂直位移，所述激光干涉儀所產(chǎn)生的干涉條紋經(jīng)聚焦透鏡(9)匯聚至CXD相機(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述的激光干涉儀包括入射激光(I)、分束鏡(8)、全反鏡(7)和精密位移調(diào)節(jié)螺釘(6)，所述的分束鏡(8)與水平方向呈45°設(shè)置在支撐框架(5)的中部，所述入射激光(I)和全反鏡(7)分別設(shè)置在支撐框架(5)的兩側(cè)、并與分束鏡(8)高度一致的位置，所述的全反鏡(7)由精密位移調(diào)節(jié)螺釘(6)固定在支撐框架(5)上，所述的C⑶相機(10)和聚焦透鏡(9)設(shè)置在托盤(3)的正下方，所述的托盤(3)底部鍍有反射膜；所述托盤(3)到分束鏡(8)的距離等于全反鏡(7)與分束鏡(8)之間的距離；所述的入射激光(I)水平入射至分束鏡(8)后，透射光經(jīng)過全反鏡(7)反射后再經(jīng)分束鏡(8)反射至C⑶相機(10)內(nèi)，所述的反射光經(jīng)過托盤(3)底部反射后經(jīng)分束鏡(8)透射至C⑶相機(10)內(nèi)，所述的反射光和透射光形成干涉條紋，并由C⑶相機(10)實時記錄。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述的CXD相機(10 )前的光路上設(shè)置有衰減片(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述支撐框架(5)的六個面均由不透光的薄板密封，其中在激光入射位置處、CXD入射位置處和托盤入射位置處開有透光光窗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述的待測試樣(2)放置在托盤中央部位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述CCD相機(10)上入射光斑直徑不小于CCD器件長度的2/3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述入射激光(I)為單模激光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述托盤底部鍍有高反射銀膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述的激光干涉儀為邁克爾遜干涉儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體微質(zhì)量變化的在線測量裝置，其特征在于:所述分束鏡(8)的透過率和反射率比為1:1。
【文檔編號】G01N21/45GK103852448SQ201410077361
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】劉衛(wèi)平, 馬志亮, 韋成華, 張檢民 申請人:西北核技術(shù)研究所