[發明專利]線性調頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410205956.5
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103954645A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 李彥超;楊九如;冉玲苓;高揚;柳春郁;楊瑞海;杜軍;丁群;王春暉;馬立峰
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 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事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

技術領域

本發明涉及一種采用激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法。

背景技術

物體的熱膨脹性質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度的變化稱為線膨脹。測量材料的線膨脹系數，不僅對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之一。在工程結構設計、機械和儀表的制造、材料的加工等過程中都必須考慮材料的熱膨脹特性。否則，將影響結構的穩定性和儀表的精度。考慮失當，甚至會造成工程的損毀，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。目前，對金屬線膨脹系數的測定有光杠桿法、讀數顯微鏡法、電熱法和激光干涉法等測量方法。

在用這些方法測量的過程中，由于需要直接測量的參數過多，操作較復雜，以至于實驗的系統誤差與偶然誤差偏大，例如，用光杠桿法測金屬線脹系數時，由于近似公式的采用與復雜的操作使其系統誤差偏大，同時，由于讀數裝置配備不合理引入的偶然誤差也較大，以至于其相對誤差達4.4％；讀數顯微鏡法由于視覺引起的偶然誤差和電熱法實際溫度與傳感器的延遲引起的系統誤差等都極大的限制了其測量精度；激光干涉法由于該裝置的干涉條紋銳細、分辨率高，同時實驗操作簡單，從而大大減小了實驗誤差，實現了金屬線脹系數的精確測量，測量的相對誤差可為2％，但是這種方法在讀取干涉條紋數時存在視覺引起的偶然誤差，導致精度無法再提高，也不能滿足目前超高精度測量的要求。

而在光學測量法中，激光外差測量技術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、動態響應快、重復性好和測量范圍大等優點而備受國內外學者關注，激光外差測量技術繼承了激光外差技術的諸多優點，是目前超高精度測量方法之一。該方法已成為現代超精密檢測及測量儀器的標志性技術之一，廣泛應用于超精密測量、檢測、加工設備、激光雷達系統等。

本文基于線性調頻技術和激光外差技術，提出了一種高精度線性調頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數的方法，即利用線性調頻技術將待測參數信息調制到外差信號中，通過對激光外差信號的解調可以精確獲得待測參數信息。

發明內容

本發明是為了解決現有的測量方法的測量誤差大、測量精度低的問題。現提供線性調頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置及方法。

線性調頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置，它包括線性調頻激光器、第一平面反射鏡、會聚透鏡、薄玻璃板、第二平面反射鏡、光電探測器、信號處理系統和電熱爐，

線性調頻激光器發出的線偏振光經過第一平面反射鏡反射之后斜入射到薄玻璃板上，經薄玻璃板透射后入射至第二平面反射鏡，該入射光經該薄玻璃板與第二平面反射鏡多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經薄玻璃板的透射之后匯聚至光電探測器的光敏面上；

光電探測器的電信號輸出端與信號處理系統的電信號輸入端連接，薄玻璃板與第二平面反射鏡之間的距離為正實數d，

第二平面反射鏡的非反射面中心與待測金屬桿的一端固定連接，所述電熱爐用于給待測金屬桿加熱。

采用線性調頻雙光束激光外差測量金屬線膨脹系數的裝置實現的方法，

調節電熱爐的位置，使得與待測金屬桿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等高，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20mm～30mm，采用電熱爐對待測金屬桿均勻加熱，利用數顯溫控儀監測電熱爐內部的溫度，讀取并記錄溫度顯示值，獲得溫度變化量為ΔT，同時，線性調頻激光器連續采集光電探測器輸出的電信號，并對電信號進行處理，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，根據金屬線膨脹系數公式：

α=Δll0ΔT]]>????(公式11)

獲得金屬線膨脹系數α，

式中，l₀為待測金屬桿的原長。

線性調頻激光器連續采集光電探測器輸出的電信號，并對電信號進行處理，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：

經線性調頻后的激光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板上時，入射光場為：