[發(fā)明專利]線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410205956.5
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103954645A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李彥超;楊九如;冉玲苓;高揚(yáng);柳春郁;楊瑞海;杜軍;丁群;王春暉;馬立峰
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 岳泉清

1.線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它包括線性調(diào)頻激光器(1)、第一平面反射鏡(2)、會(huì)聚透鏡(5)、薄玻璃板(3)、第二平面反射鏡(4)、光電探測器(6)、信號處理系統(tǒng)(7)和電熱爐(8)，

線性調(diào)頻激光器(1)發(fā)出的線偏振光經(jīng)過第一平面反射鏡(2)反射之后斜入射到薄玻璃板(3)上，經(jīng)薄玻璃板(3)透射后入射至第二平面反射鏡(4)，該入射光經(jīng)該薄玻璃板(3)與第二平面反射鏡(4)多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)薄玻璃板(3)的透射之后匯聚至光電探測器(6)的光敏面上；

光電探測器(6)的電信號輸出端與信號處理系統(tǒng)(7)的電信號輸入端連接，薄玻璃板(3)與第二平面反射鏡(4)之間的距離為正實(shí)數(shù)d，

第二平面反射鏡(4)的非反射面中心與待測金屬桿(9)的一端固定連接，所述電熱爐(8)用于給待測金屬桿(9)加熱。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它還包括數(shù)顯溫控儀(10)和測溫探頭，

所述電熱爐(8)的溫控信號輸入端與數(shù)顯溫控儀(10)的溫控信號輸出端連接，測溫探頭采集待測金屬桿(9)的溫度，所述測溫探頭的溫度信號輸出端與數(shù)顯溫控儀(10)的溫度信號輸入端連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，測溫探頭為鉑熱電阻。

4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(7)包括濾波器(7-1)、前置放大器(7-2)、A/D轉(zhuǎn)換器(7-3)和數(shù)字信號處理器DSP(7-4)，

所述濾波器(7-1)對接收到的光電探測器(6)輸出的電信號進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器(7-2)，經(jīng)前置放大器(7-2)放大之后的信號輸出給A/D轉(zhuǎn)換器(7-3)，A/D轉(zhuǎn)換器(7-3)將轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器DSP(7-4)。

5.采用權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)電熱爐(8)的位置，使得與待測金屬桿(9)固定連接的第二平面反射鏡(4)的反射面與薄玻璃板(3)相互平行并等高，并使第二平面反射鏡(4)的反射面與薄玻璃板(3)之間的距離d為20mm～30mm，采用電熱爐(8)對待測金屬桿(9)均勻加熱，利用數(shù)顯溫控儀(10)監(jiān)測電熱爐(8)內(nèi)部的溫度，讀取并記錄溫度顯示值，獲得溫度變化量為ΔT，同時(shí)，線性調(diào)頻激光器(1)連續(xù)采集光電探測器(6)輸出的電信號，并對電信號進(jìn)行處理，獲得薄玻璃板和第二平面反射鏡之間距離的變化量Δd，該變化量Δd等于待測金屬桿的伸長量Δl，根據(jù)金屬線膨脹系數(shù)公式：

α=Δll0ΔT]]>????(公式11)

獲得金屬線膨脹系數(shù)α，

式中，l₀為待測金屬桿(9)的原長。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用線性調(diào)頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置實(shí)現(xiàn)的方法，其特征在于，線性調(diào)頻激光器(1)連續(xù)采集光電探測器(6)輸出的電信號，并對電信號進(jìn)行處理，獲得薄玻璃板和第二平面反射鏡之間距離的變化量Δd的過程為：

經(jīng)線性調(diào)頻后的激光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板上時(shí)，入射光場為：

E(t)＝E₀exp{i(ω₀t+kt²)}????(公式1)

其中，為調(diào)頻帶寬的變化率，T為調(diào)頻周期，ΔF為調(diào)頻帶寬，E₀為入射光場振幅，t為時(shí)間，ω₀為光場角頻率，i表示虛數(shù)，

到達(dá)薄玻璃板前表面的光程為L，則t-L/c時(shí)刻到達(dá)薄玻璃板前表面的反射光場為：

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(t-Lc)+k(t-Lc)2]}]]>????(公式2)

其中，α₁＝r，r為薄玻璃板的反射率，c為光速，

同一時(shí)刻經(jīng)過薄玻璃板后表面反射后透射出前表面的光場為：

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(t-L+2ndcosθc)+k(t-L+2ndcosθc)2+2ω0ndcosθc]}]]>????(公式3)

其中，α₂＝β²r′，β為薄玻璃板的透射率，r′為平面反射鏡的反射率，d為薄玻璃板和第二平面反射鏡之間的距離，θ為入射光折射角，n為平板玻璃折射率，

光電探測器接收到的總光場為：

E′(t)＝E₁(t)+E₂(t)????(公式4)

則光電探測器輸出的光電流為：

I=ηehv1Z∫∫D12[E1(t)+E2(t)][E1(t)+E2(t)]*ds=ηe2hv1Z∫∫D[E12(t)+E22(t)+(E1(t)E2*(t)+E1*(t)E2(t))]ds]]>????(公式5)

其中，e為電子電量，Z為探測器表面介質(zhì)的本征阻抗，η為量子效率，D為探測器光敏面的面積，h為普朗克常數(shù)，v為激光頻率，

差頻信號直流項(xiàng)經(jīng)過低通濾波器濾除后，交流項(xiàng)為中頻電流，整理后得到中頻電流為：

IIF=ηe2hv1Z∫∫D[(E1(t)E2*(t)+E1*(t)E2(t))]ds]]>????(公式6)

將(公式2)和(公式3)帶入(公式6)，得到：

IIF=ηehvπZE02α1α2cos{[ω0(t-Lc)+k(t-Lc)2]-[ω0(t-L+2ndcosθc)+k(t-L+2ndcosθc)2+2ω0ndcosθc]}=ηehvπZE02α1α2cos(4kndcosθct-4kndcosθ(L+ndcosθ)c2)]]>????(公式7)

中頻電流經(jīng)過傅里葉變換后獲得外差信號的頻率為：

fIF=2kndcosθπc=Kd]]>????(公式8)

光電探測器(6)輸出的光電流表達(dá)式經(jīng)過傅里葉變換之后獲得線性調(diào)頻雙光束激光外差信號頻譜，從頻譜中得到斜入射時(shí)線性調(diào)頻雙光束激光外差信號頻譜第一個(gè)主峰的中心頻率和正入射時(shí)理論曲線的中心頻率數(shù)值，根據(jù)兩個(gè)中心頻率的比值：

ζ＝cosθ????(公式10)

獲得激光經(jīng)薄玻璃板后折射角θ，根據(jù)折射定律獲得入射角θ₀，再根據(jù)比例系數(shù)公式：

K=2kncosθπc]]>????(公式9)

獲得K的值，

當(dāng)d改變時(shí)，根據(jù)公式8測出對應(yīng)d的薄玻璃板和第二平面反射鏡之間距離的變化量Δd。