[发明专利]线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于光学领域。

背景技术

杨氏弹性模量反映了材料形变与内应力的关系，材料受外力作用时必须发生形变，其内部胁强和胁变(即相对形变)的比值称为杨氏弹性模量，它是表征固体材料性质的一个重要物理量，是工程技术中机械构件选材时的重要参数。近几年来，在工程测量技术中，多采用光杠杠法、光纤传感器法、CCD法、干涉法、拉伸法和衍射法等，但这些方法间接测量量较多，偶然误差较大，且需进行大量的数据处理，因此，这些方法的测量精度较低，无法满足目前高精度测量的要求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的测量杨氏模量的方法存在误差大、测量精度低的问题，提供了一种线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置及方法。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，它包括线性调频激光器、薄玻璃板、第一平面反射镜、待测金属线、砝码、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；

第一平面反射镜的非反射面贴在砝码的底部，且第一平面反射镜的中心与砝码的中心同轴；

待测金属线的一端固定，待测金属线的另一端与砝码的顶端固定连接；

薄玻璃板与第一平面反射镜平行；薄玻璃板位于第一平面反射镜的下方，且薄玻璃板与第一平面反射镜之间的距离d为30mm；

线性调频激光器发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板，经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第一平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得多束光，经薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射之后的光束与薄玻璃板前表面的反射光一起通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统；信号处理系统用于处理数据从而获取金属线长度变化前后薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离d。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，它还包括第二平面反射镜；线性调频激光器发出的线性偏振光经第二平面反射镜反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，信号处理系统包括滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器；

滤波器的输入端与光电探测器的电信号输出端相连；滤波器的输出端与前置放大器的输入端相连；前置放大器的输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端相连；A/D转换电路的数字信号输出端与DSP微处理器的输入端相连。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属丝的一端固定，另一端固定在底端贴有第一平面反射镜的砝码上，使金属线处于铅直方向；

步骤二、打开线性调频激光器，由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离d；

薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离的变化量Δd等于金属线的伸长量Δl；

步骤三、逐渐增加砝码的质量m，记录砝码的质量m和金属线的伸长量Δl；

步骤四、根据公式获取金属线的伸长量Δl；

其中，Δl为金属线在长度方向受砝码的拉力F作用时金属线的伸长量；F等于下端悬挂的砝码重量mg，S＝πr²/4，金属线的长度和平均直径分别为l和r。

本发明适用于测量杨氏模量。

本发明通过线性调频技术将待测信息成功地调制在中频外差二次谐波信号的频率差中。在测量样品线膨胀系数过程中，此方法在频域同时得到了包含金属长度变化量的信息的频率值，信号解调后得到长度变化量，通过多次测量加权平均可以得到精确的样品长度随砝码质量的变化量。以碳钢丝为例进行实验，杨氏模量测量的相对误差仅为0.06％，显著提高了测量精度。

与其他测量方法相比，线性调频多光束激光外差法测杨氏模量具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、线性度好、抗干扰能力强、动态响应快、重复性好和测量范围大等优点；实验装置结构简单、功耗小、操作方便；实验结果误差小、精度高等多方面优势。同时，由于该方法实验现象明显，实验数据可靠，所以可以在相干激光测风雷达等工程设计领域中广泛使用。

附图说明

图1是本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置的结构示意图；

图2是多光束激光干涉原理示意图；

图3是线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱图；