[發明專利]多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法

無效

• 申請號: 201110145176.2
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102221502A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 李彥超;王春暉;高龍;曲楊;張峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

1.多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它是基于多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現的，所述系統包括多光束激光外差測量距離的裝置，它由H₀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，振鏡驅動電源用于驅動振鏡(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H₀固體激光器(1)發射激光束至偏振分束鏡(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)透射之后發射到振鏡(2)的入射面，經振鏡(2)反射后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θ₀小于90且大于等于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)透射之后入射至會聚透鏡(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數字信號處理器(14)的信號輸入端連接，所述DSP數字信號處理器(14)中固化有FFT算法，DSP數字信號處理器(14)根據接收到的信號解調后獲得平面反射鏡(6)和薄玻璃板(5)之間的距離；

其特征是：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：

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)垂直于平面反射鏡(6)的反射面，然后打開激光器(1)，并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，當平面反射鏡(6)處于靜止狀態時，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，當平面反射鏡(6)處于靜止狀態時，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Δd，該距離變化量Δd即為待測金屬絲(8)在質量m的作用下的伸長量ΔL；

根據胡克定律，獲得待測金屬絲的楊氏模量為：

E=FLSΔL]]>

式中，S為待測金屬絲的截面積，S＝πr²/4；

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：

E=4mgLπr2ΔL]]>

步驟六、在待測金屬絲的彈性限度內，多次增加砝碼的質量m，每次增加砝碼之后，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x＝1、2、3……；

步驟二和步驟四中所述的獲得距離參數的過程為：

在振鏡(2)的運動作用下，經振鏡(2)反射的反射光的頻率變為：

ω＝ω₀(1+at/c)，

式中：ω₀為激光角頻率，a為振動加速度，c為光速；則t-l/c時刻到達薄玻璃板(5)前表面并被該薄玻璃板(5)前表面反射的反射光的光場為：

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(1+a(t-l/c)c)t+ω0a(t-l/c)22c]}]]>

參數l表示振鏡(2)到薄玻璃板(5)前表面的距離；經薄玻璃板(5)前表面透射的光在不同時刻被平面反射鏡(6)多次反射，其反射光的表達式分別為：

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(1+at-lc-2ndcosθcc)t+ω0(a(t-lc-2ndcosθc)22+2ndcosθ)c]}]]>

.

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.

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Ej(t)=αjE0exp{i[ω0(1+at-lc-2(j-1)ndcosθcc)t+ω0(a(t-lc-2(j-1)ndcosθc)22+2(j-1)ndcosθ)c]}]]>

其中，α₁＝r，α₂＝ββ’r’，...，α_j＝ββ’r’^(2j-3)，r為光從周圍介質射入薄玻璃板(5)時的反射率，透射率為β，r’為平面反射鏡(6)的反射率，薄玻璃板(5)和平面反射鏡(6)之間反射光射出薄玻璃板(5)時的透射率為β’，d為薄玻璃板(5)和平面反射鏡(6)之間的距離；j為非負整數；n為薄玻璃板和平面反射鏡間介質的折射率；θ為入射光透過薄玻璃板后折射角；

探測器接收到的總光場為：

E(t)＝E₁(t)+E₂(t)+…+E_j(t)

j表示探測器接收到的光束的個數；探測器輸出的光電流表示為：

I=ηehv1Z∫∫D12[E1(t)+E2(t)+···+Ej(t)+···][E1(t)+E2(t)+···+Ej(t)+···]*ds]]>

其中，e為電子電量，Z為探測器表面介質的本征阻抗，η為量子效率，D為光敏探測器(10)的探測面的面積，h為普朗克常數，v為激光頻率；

所述光電流信號經濾波器(11)濾波之后，濾除信號中的直流項，濾波器(11)輸出的二次諧波信號的中頻電流表示為：

Iif=ηe2hv1Z∫∫DΣp=1∞Σj=p+2∞(Ep(t)Ej*(t)+Ep*(t)Ej(t))ds]]>

把薄玻璃板(5)前表面的反射光場和平面反射鏡的反射光場的表達式帶入上式，該信號經DSP數字信號處理器內部的算法計算積分獲得電流信號：

Iif=ηehvπZΣp=1∞αp+2αpE02cos(8ω0andcosθc2t-4ω0ndcosθc-4lω0andcosθc3-8pω0an2d2cos2θc3)]]>

忽略1/c³的小項之后簡化為：

Iif=ηehvπZE02cos(8aω0ndcosθc2t-4ω0ndcosθc)Σp=1∞αp+2αp]]>

其中，p為非負整數；

將干涉信號的頻率記為：

f＝8andcosθω₀/(2πc²)＝4andcosθω₀/(πc²)＝Kd

比例系數K為：

K＝4ancosθω₀/(πc²)

光電探測器(10)輸出的光電流表達式經傅里葉變換之后在頻譜上獲得二次諧波頻率波峰，通過測量二次諧波頻率，進而測出薄玻璃板(5)和平面反射鏡(6)之間的距離d。