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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量楊氏模量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量楊氏模量的方法。
背景技術(shù)：
楊氏彈性模量反映了材料形變與內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系，材料受外力作用時必須發(fā)生形變，其內(nèi)部脅強(qiáng)和脅變(即相對形變)的比值稱為楊氏彈性模量，它是表征固體材料性質(zhì)的一個重要物理量，是工程技術(shù)中機(jī)械構(gòu)件選材時的重要參數(shù)。近幾年來，在工程測量技術(shù)中，多采用光杠杠法、光纖傳感器法、CCD法、干涉法、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(jìn)行大量的數(shù)據(jù)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。激光外差測量技術(shù)在光學(xué)測量法中具有高的空間和時間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測量范圍大等優(yōu)點而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)的諸多優(yōu)點，是目前超高精度測量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測及測量儀器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測量、檢測、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。但是現(xiàn)有的激光外差測量法在測量楊氏模量時存在采集的激光差頻信號和信號處理的運算速度均不理想的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有激光外差測量法在測量楊氏模量時存在采集的激光差頻信號和信號處理的運算速度均不理想的問題，而提出的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法。多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它是基于多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現(xiàn)的，所述裝置包括多光束激光外差測量距離的裝置，它由Htl固體激光器、平面反射鏡、四分之一波片、振鏡、振鏡驅(qū)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(tǒng)組成，振鏡驅(qū)動電源用于驅(qū)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(shè)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固體激光器、四分之一波片、振鏡、偏振分束鏡、會聚透鏡、光電探測器均位于薄玻璃板的下方，所述Htl固體激光器發(fā)射激光束至偏振分束鏡的前表面，經(jīng)該偏振分束鏡反射的光束經(jīng)四分之一波片透射之后發(fā)射到振鏡的入射面，經(jīng)振鏡反射后的反射光束再次經(jīng)四分之一波片透射至偏振分束鏡， 經(jīng)所述偏振分束鏡透射之后入射至薄玻璃板，該透射光束在該薄玻璃板的入射面的入射角 θ ^小于90且大于等于0度；該透射光經(jīng)該薄玻璃板形成反射光束和透射光束，所述透光束經(jīng)平面反射鏡反射的反射光束再次經(jīng)薄玻璃板透射之后入射至?xí)弁哥R，經(jīng)該薄玻璃板前表面反射形成的反射光束也入射至?xí)弁哥R，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(zhuǎn)換器的信號輸入端連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸出端與DSP數(shù)字信號處理器的信號輸入端連接，所述DSP數(shù)字信號處理器中固化有FFT算法，DSP數(shù)字信號處理器根據(jù)接收到的信號解調(diào)后獲得平面反射鏡和薄玻璃板之間的距離；所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它由以下步驟實現(xiàn)步驟一、把一根長L，平均直徑為r的待測金屬絲懸掛于固定支架上，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(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)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于平面反射鏡的反射面，然后打開激光器，并同時控制振鏡驅(qū)動電源驅(qū)動振鏡開始振動；步驟二、信號處理系統(tǒng)采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(shù)，當(dāng)平面反射鏡處于靜止?fàn)顟B(tài)時，記錄該距離參數(shù)；步驟三、增加砝碼的質(zhì)量M，步驟四、信號處理系統(tǒng)再次采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(shù)，當(dāng)平面反射鏡處于靜止?fàn)顟B(tài)時，記錄該距離參數(shù)，步驟五、根據(jù)步驟二和四獲得的兩個距離參數(shù)，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(zhì)量M的作用下的伸長量AL;根據(jù)胡克定律，獲得待測金屬絲的楊氏模量為
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量楊氏模量的方法，它是基于多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現(xiàn)的，所述裝置包括多光束激光外差測量距離的裝置，它由Htl固體激光器(1)、平面反射鏡(6)、四分之一波片(3)、 振鏡(2)、振鏡驅(qū)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(tǒng)組成，振鏡驅(qū)動電源用于驅(qū)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(shè)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固體激光器(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)均位于薄玻璃板(5)的下方，所述Htl固體激光器⑴ 發(fā)射激光束至偏振分束鏡(4)的前表面，經(jīng)該偏振分束鏡(4)反射的光束經(jīng)四分之一波片 (3)透射之后發(fā)射到振鏡(2)的入射面，經(jīng)振鏡(2)反射后的反射光束再次經(jīng)四分之一波片 (3)透射至偏振分束鏡(4)，經(jīng)所述偏振分束鏡(4)透射之后入射至薄玻璃板(5)，該透射光束在該薄玻璃板(5)的入射面的入射角θ ^小于90且大于等于0度；該透射光經(jīng)該薄玻璃板(5)形成反射光束和透射光束，所述透光束經(jīng)平面反射鏡(6)反射的反射光束再次經(jīng)薄玻璃板(5)透射之后入射至?xí)弁哥R(9)，經(jīng)該薄玻璃板(5)前表面反射形成的反射光束也入射至?xí)弁哥R(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(zhuǎn)換器(13)的信號輸入端連接，所述A/D轉(zhuǎn)換器(13)的信號輸出端與DSP數(shù)字信號處理器(14)的信號輸入端連接，所述DSP數(shù)字信號處理器(14)中固化有FFT算法，DSP數(shù)字信號處理器(14) 根據(jù)接收到的信號解調(diào)后獲得平面反射鏡(6)和薄玻璃板(5)之間的距離；其特征在于多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它由以下步驟實現(xiàn)步驟一、把一根長L，平均直徑為r的待測金屬絲(8)懸掛于固定支架上，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(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)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)垂直于平面反射鏡(6)的反射面，然后打開H0固體激光器(1)，并同時控制振鏡驅(qū)動電源驅(qū)動振鏡(2)開始振動；步驟二、信號處理系統(tǒng)采集光電探測器(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(shù)，當(dāng)平面反射鏡(6)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，記錄該距離參數(shù)；步驟三、增加砝碼的質(zhì)量M，步驟四、信號處理系統(tǒng)再次采集光電探測器(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(shù)，當(dāng)平面反射鏡(6)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，記錄該距離參數(shù)，步驟五、根據(jù)步驟二和四獲得的兩個距離參數(shù)，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(zhì)量M的作用下的伸長量 AL；根據(jù)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(shù)g為重力加速度；則，力F對應(yīng)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(nèi)，多次增加砝碼的質(zhì)量Μ，每次增加砝碼之后，執(zhí)行步驟五獲得一個距離參數(shù)，根據(jù)該距離參數(shù)和步驟二獲得的距離參數(shù)獲得相應(yīng)的距離變化量，進(jìn)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(shù)的過程為由于激光在薄玻璃板(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次后的透射出玻璃前表面的光混頻，產(chǎn)生兩個幅度相差2 3個數(shù)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)后表面k次反射的Ek與薄玻璃板(5)后表面k+2次反射后的Ek+2光混頻所產(chǎn)生的；在不考慮平面反射鏡(6)自身厚度的情況下，當(dāng)激光以入射角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)采用多普勒振鏡； 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?yōu)棣?= Q0(l-2 cx0sin( ct)/c), 上述各式中參數(shù)ω^為激光角頻率，參數(shù)X(l為振鏡(2)振動的振幅，參數(shù)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(dá)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(shù)= r，r為光從周圍介質(zhì)入射到薄玻璃板(5)前表面時的反射系數(shù)；1為振鏡(2)到薄玻璃板(5)前表面的距離屯為振幅常數(shù)；經(jīng)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(dá)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(shù)Q1=Mr'，......, αω= β2Γ' V1—1，!·為薄玻璃板(5)的反射系數(shù)，β為薄玻璃板(5)的透射系數(shù)，r'為平面反射鏡(6)的反射系數(shù)，d為測量過程中薄玻璃板 (5)后表面到平面反射鏡(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(biāo)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(zhì)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(shù)e為電子電量，參數(shù)Z為光電探測器(10)表面介質(zhì)的本征阻抗，參數(shù)η為量子效率，參數(shù)S為光電探測器(10)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，*號表示復(fù)數(shù)共軛；整理得到激光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(jié)果為W-Iτ ηβ π r8 <icos(9iyn<^xn2ωΓ,χΓ, Andwn cos θ ;> ,、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的小項之后簡化為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(fù)整數(shù)；根據(jù)公式9把激光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(jù)公式10得知，激光外差二次諧波信號的頻率同薄玻璃板(5)后表面到平面反射鏡 (6)反射面之間的距離d成正比，比例系數(shù)為 K = An cos θω0ω^χ0 / (ttc2)公式 11根據(jù)公式9得到變化量△(!，再根據(jù)公式2計算得到待測樣品楊氏模量。
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量楊氏模量的方法，其特征在于xMg在待測金屬絲的彈性限度內(nèi)。
3.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量楊氏模量的方法，其特征在于待測金屬絲(8)為鋼絲。
4.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量楊氏模量的方法，其特征在于待測金屬絲(8)的長度為lm，截面直徑為0. 25mm至1mm。
5.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量楊氏模量的方法，其特征在于所述裝置中，距離d ^ 20mm。
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(xiàn)有激光外差測量法在測量楊氏模量時存在采集的激光差頻信號和信號處理的運算速度均不理想的問題而提出。待測金屬絲懸掛于固定支架上，使待測金屬絲垂直于平面反射鏡的反射面，打開激光器，同時振鏡開始簡諧振動；信號處理系統(tǒng)采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(shù)，增加砝碼的質(zhì)量，再次獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數(shù)，根據(jù)獲得的兩個距離參數(shù)求得伸長量；進(jìn)而獲得待測金屬絲的楊氏模量。它具有采集的激光差頻信號質(zhì)量高和信號處理的運算速度快的突出優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)