[發(fā)明專利]線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410206015.3
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103954646A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李彥超;韓雪冰;楊九如;冉玲苓;高揚(yáng);楊瑞海;杜軍;丁群;王春暉;馬立峰;于偉波
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16;G01B11/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 張宏威

1.線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法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)、薄玻璃板(3)、第一平面反射鏡(4)、待測金屬線(5)、電熱爐(6)、會聚透鏡(8)、光電探測器(9)和信號處理系統(tǒng)；

第一平面反射鏡(4)的非反射面中心與待測金屬線(5)的一端固定連接，待測金屬線(5)與第一平面反射鏡(4)垂直，待測金屬線(5)的整體位于電熱爐(6)內(nèi)；

薄玻璃板(3)與第一平面反射鏡(4)平行、等高；薄玻璃板(3)與第一平面反射鏡(4)之間的距離d為20mm～30mm；

線性調(diào)頻激光器(1)發(fā)出的線性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)，經(jīng)該薄玻璃板(3)透射之后的光束入射至第一平面反射鏡(4)，該光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間反復(fù)反射和透射多次，獲得多束經(jīng)薄玻璃板(3)透射之后的光束和薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通過會聚透鏡(8)匯聚至光電探測器(9)的光敏面上，所述光電探測器(9)輸出電信號給信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)獲取金屬線5溫度變化前后薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離變化量ΔD，進(jìn)而獲取待測金屬線(5)的膨脹系數(shù)α。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它還包括第二平面反射鏡(2)；線性調(diào)頻激光器(1)發(fā)出的線性偏振光經(jīng)第二平面反射鏡(2)反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，它還包括溫控儀(7)和溫度采集裝置，所述電熱爐(6)的溫控信號輸入端與溫控儀(7)的溫控信號輸出端連接；溫度采集裝置采集待測金屬線(5)的溫度，所述溫度采集裝置的溫度信號輸出端與溫控儀(7)的溫度信號輸入端連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，溫度采集裝置為鉑電阻。

5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法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)包括濾波器(10)、前置放大器(11)、A/D轉(zhuǎn)換電路(12)和DSP微處理器(13)；

濾波器(10)的輸入端與光電探測器(9)的電信號輸出端相連；濾波器(10)的輸出端與前置放大器(11)的輸入端相連；前置放大器(11)的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路(12)的模擬信號輸入端相連；A/D轉(zhuǎn)換電路(12)的數(shù)字信號輸出端與DSP微處理器(13)的輸入端相連。

6.基于權(quán)利要求5所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的裝置的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、溫控儀(7)控制電熱爐(6)將待測金屬線(5)加熱至溫度T₁，保持5～10分鐘，打開線性調(diào)頻激光器(1)，由信號處理系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)測量出薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離D₁；

步驟二、溫控儀(7)控制電熱爐(6)將待測金屬線(5)加熱至溫度T₂，保持5～10分鐘，在溫度改變的過程中，待測金屬線(5)伸縮同步帶動第一平面反射鏡(4)移動，由信號處理系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)測量出在溫度T₂時(shí)薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離D₂；

步驟三、根據(jù)公式獲取待測金屬線(5)的膨脹系數(shù)α；

公式中：Δl為待測金屬線(5)在溫度從T1變至T2的長度變化量；且Δl＝ΔD＝|D₁-D₂|；ΔD為溫度從T₁變至T₂后薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間距離變化量；

l₀為待測金屬線(5)的在溫度T₁的長度；

ΔT為溫度變化量，且ΔT＝|T₁-T₂|。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述線性調(diào)頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數(shù)的方法，其特征在于，溫度T₁時(shí)的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離D₁和溫度T₂時(shí)的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離D₂的獲取方法是相同的，以下將D₁和D₂統(tǒng)稱為d，則薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離d的獲取方法包括以下步驟：

步驟1、線性調(diào)頻激光器(1)發(fā)出線性調(diào)頻線偏振光以θ₀角入射至薄玻璃板(3)，該光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)匯聚至光電探測器(9)的光敏面上；

步驟2、獲取入射至光電探測器(9)的光束的總光場E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)，m為大于或等于2的正整數(shù)；

其中：E₁(t)為光束經(jīng)薄玻璃板(3)前表面反射后的反射光場，且按公式

E1(t)=α1E0exp{i[ω0(t-lc)+k(t-lc)2]}]]>獲取；

上式中：α₁為系數(shù)，α₁＝γ，γ為薄玻璃板(3)的反射率；E₀為入射光場振幅；ω₀為入射光場角頻率；t為時(shí)間；k為調(diào)頻帶寬的變化率，且T′為調(diào)頻周期，ΔF為調(diào)頻帶寬；c為光速；

E₂(t),...,E_m(t)為在薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間多次反射后獲得多束反射光的反射光場：

E2(t)=α2E0exp{i[ω0(t-l+2ndcosθc)+k(t-l+2ndcosθc)2+2ω0ndcosθc]}E3(t)=α3E0exp{i[ω0(t-l+4ndcosθc)+k(t-l+4ndcosθc)2+4ω0ndcosθc]}···Em(t)=αmE0exp{i[ω0(t-l+2(m-1)ndcosθc)+k(t-l+2(m-1)ndcosθc)2+2ω0(m-1)ndcosθc]}]]>

其中，α₂,α₃,...,α_m均為系數(shù)，且α₂＝β²γ'，α₃＝β²(γ')²γ，α_m＝β²(γ')^m-1γ^m-2；式中的β為薄玻璃板(3)的透射率，γ'為第一平面反射鏡(4)的反射率，θ為入射光透射出薄玻璃板(3)后的折射角，n為薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間介質(zhì)的折射率，n＝1，l為到達(dá)薄玻璃板(3)的光程；

步驟3、光電探測器(9)的光敏面接受光信號，并將其轉(zhuǎn)化為光電流，所述光電流的表達(dá)式為：

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

其中：e為電子電量，Z為光電探測器(9)表面介質(zhì)的本征阻抗，η為量子效率，D為光電探測器(9)光敏面的面積，h為普朗克常數(shù)，v為線性調(diào)頻激光器(1)發(fā)出線性調(diào)頻線偏振光的頻率，*號表示復(fù)數(shù)共軛；

步驟4、光電探測器(9)輸出的光電流由濾波器(10)濾波，去掉直流項(xiàng)，只保留了交流項(xiàng)的光電流稱為中頻電流，所述中頻電流經(jīng)前置放大器(11)和A/D轉(zhuǎn)換電路(12)后送入DSP微處理器(13)進(jìn)行處理；

步驟5、DSP微處理器(13)對中頻電流采用線性調(diào)頻多光束外差二次諧波法進(jìn)行處理，在薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間多次反射并從薄玻璃板(3)透射出來的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光與薄玻璃板(3)直接反射的光進(jìn)行混頻，則中頻電流I_IF處理為：

IIF=ηehvπZE02Σp=2m-2αp+2αpcos(8kndcosθct-8kndcosθ(l+ndcosθ)c2);]]>

其中，p＝2,3,...,m-2；

步驟6、對步驟5獲取的中頻電流I_IF進(jìn)行傅里葉變換，獲取其外差信號的頻率f；

根據(jù)中頻電流I_IF公式可以獲知，外差信號的頻率f記為：

則可獲取薄玻璃板(3)和第一平面反射鏡(4)之間的距離d。