[發明專利]線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410206015.3
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103954646A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 李彥超;韓雪冰;楊九如;冉玲苓;高揚;楊瑞海;杜軍;丁群;王春暉;馬立峰;于偉波
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 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事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數的裝置及方法，屬于光學領域。

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?？紤]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，用光杠桿法測金屬膨脹系數時，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，實現了金屬膨脹系數的精確測量，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。

發明內容

本發明目的是為了解決采用直接測量法來測量金屬膨脹系數，存在誤差大、測量精度低的問題，提供了一種線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數的裝置及方法。

本發明所述線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數的裝置及方法，它包括線性調頻激光器、薄玻璃板、第一平面反射鏡、待測金屬線、電熱爐、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統；

第一平面反射鏡的非反射面中心與待測金屬線的一端固定連接，待測金屬線與第一平面反射鏡垂直，待測金屬線的整體位于電熱爐內；

薄玻璃板與第一平面反射鏡平行、等高；薄玻璃板與第一平面反射鏡之間的距離d為20mm～30mm；

線性調頻激光器發出的線性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板，經該薄玻璃板透射之后的光束入射至第一平面反射鏡，該光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射鏡之間反復反射和透射多次，獲得多束經薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起通過會聚透鏡匯聚至光電探測器的光敏面上，所述光電探測器輸出電信號給信號處理系統；信號處理系統處理數據獲取金屬線溫度變化前后薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離變化量ΔD，進而獲取待測金屬線(5)的膨脹系數α。

基于所述線性調頻多光束激光外差二次諧波法測量金屬線膨脹系數的裝置的方法包括以下步驟：

步驟一、溫控儀控制電熱爐將待測金屬線加熱至溫度T₁，保持5～10分鐘，打開線性調頻激光器，由信號處理系統處理相關數據測量出薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離D₁；

步驟二、溫控儀控制電熱爐將待測金屬線加熱至溫度T₂，保持5～10分鐘，在溫度改變的過程中，待測金屬線伸縮同步帶動第一平面反射鏡移動，由信號處理系統處理相關數據測量出在溫度T₂時薄玻璃板和第一平面反射鏡之間的距離D₂；

步驟三、根據公式獲取待測金屬線的膨脹系數α；

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

l₀為待測金屬線的在溫度T₁的長度；

ΔT為溫度變化量，且ΔT＝|T₁-T₂|。

本發明的優點：本發明通過線性調頻技術將待測信息成功地調制在中頻外差二次諧波信號的頻率差中。在測量樣品線膨脹系數過程中，此方法在頻域同時得到了包含金屬長度變化量的信息的頻率值，信號解調后得到長度變化量，通過多次測量加權平均可以得到精確的樣品長度隨溫度的變化量。以黃銅為例進行實驗，線膨脹系數測量的相對誤差僅為0.28％，顯著提高了測量精度。