[发明专利]线性调频多光束激光外差测量杨氏模量的装置及测量方法

权利要求书

1.线性调频多光束激光外差测量杨氏模量的装置，其特征在于：它包括线性调频激光器(1)、第一平面反射镜(2)、薄玻璃板(3)、第二平面反射镜(4)、砝码(5)、金属丝(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)、滤波器(9)、放大器(10)、A/D转换电路(11)和DSP(12)；

金属丝(6)的一端固定在支架上，金属丝(6)的另一端固定连接砝码(5)，所述砝码(5)的底部贴有第二平面反射镜(4)，所述第二平面反射镜(4)下方平行放置有薄玻璃板(3)且有间距；

线性调频激光器(1)发射出的激光经第一平面反射镜(2)反射至薄玻璃板(3)的下表面，经薄玻璃板(3)分成一号反射光和透射光，所述透射光入射至第二平面反射镜(4)的下表面，该第二平面反射镜(4)的下表面与薄玻璃板(3)将该透射光多次反射后获得多束二号反射光，该多束二号反射光经薄玻璃板(3)透射后，与一号反射光先后入射至会聚透镜(7)，并所述会聚透镜(7)会聚至光电探测器(8)的光敏面上，所述光电探测器(8)的电信号输出端连接滤波器(9)的电信号输入端，所述滤波器(9)的电信号输出端连接放大器(10)的电信号输入端，所述放大器(10)的电信号输出端连接A/D转换电路(11)的电信号输入端，所述A/D转换电路(11)的电信号输出端连接DSP(12)的电信号输入端。

2.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差测量杨氏模量的装置，其特征在于：第二平面反射镜(4)与薄玻璃板(3)的平行间距为30mm。

3.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差测量杨氏模量的装置，其特征在于：金属丝(6)的长度为1m，直径大于0.25mm且小于1mm。

4.基于权利要求1的线性调频多光束激光外差测量杨氏模量的装置的杨氏模量测量方法，其特征在于：该测量方法的具体过程为：

步骤一、将金属丝(6)的上端固定在支架上，下端固定砝码(5)，将第二平面反射镜(4)的上表面贴固在砝码(5)的下表面上；

步骤二、当贴有第二平面反射镜(4)的砝码(5)稳定且使金属丝(6)处于铅直方向时，将薄玻璃板(3)置于第二平面反射镜(4)前30mm处，利用二维调整架调节薄玻璃板(3)，使薄玻璃板(3)与第二平面反射镜(4)平行；

步骤三、打开线性调频激光器(1)，使线性调频激光器(1)发出的激光以θ₀角为入射角入射至薄玻璃板(3)；

步骤四、获取入射至光电探测器(8)的激光束的总光场E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+…+E_m(t)+…；

其中：E₁(t)为激光束经薄玻璃板(3)下表面反射后的反射光场，且按公式

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

其中：α₁为系数，α₁＝γ，γ为薄玻璃板(3)的反射率，E₀为入射光场振幅，ω₀为入射光场角频率，t为时间，k为调频带宽的变化率，且T为调频周期，△F为调频带宽，c为光速，L为到达薄玻璃板(3)下表面的光程；

E₂(t)至E_m(t)为激光束经薄玻璃板(3)上表面多次反射后并透射出薄玻璃板(3)下表面的光场，且按公式

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+2(m-1)ω0ndcosθc]}]]>

获取；

其中：α₂为系数，且α₂＝β²γ′，…，α_m＝β²γ′^m-1γ^m-2，式中的β薄为玻璃板(3)的透射率，γ′为第二平面反射镜(4)的反射率，d为玻璃板(3)和第二平面反射镜(4)的间距距离，θ为入射光透射出薄玻璃板(3)后的折射角，n为薄玻璃板(3)和第二平面反射镜(4)之间介质的折射率，m的取值为2,3…；

步骤五、光电探测器(8)的光敏面接收光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：

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

其中：e为电子电量，Z为光电探测器(8)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器(8)光敏面的面积，h为普朗克常数，v为激光频率，*号表示复数共轭；

步骤六、光电探测器(8)输出的光电流由滤波器(9)滤波，去掉直流项，保留了交流项的光电流，即线性调频多光束激光外差二次谐波信号的中频电流，所述中频电流经放大器(10)和A/D转换电路(11)后送入DSP(12)进行处理；

所述线性调频激光外差信号的中频电流为：

IIF=ηe2hv1Z∫∫DΣp=1m-1Σj=1m-p(Ej(t)Ej+p*(t)+Ej*(t)Ej+p(t))ds;]]>

经整理后获得：

IIF=ηehvπZE02Σp=1m-1Σj=1m-pαj+pαjcos(4pkndcosθct-4pkndcosθ(L+ndcosθ)c2);]]>

其中：p和j均为正整数；

步骤七、对步骤六获取的线性调频多光束激光外差二次谐波信号的中频电流进行傅里叶变换，获取线性调频多光束激光外差信号的频率f_p：

fp=2pkndcosθπc=Kpd;]]>

其中：K_p为比例系数，且

根据线性调频多光束激光外差信号的频率f_p获取薄玻璃板(3)和第二平面反射镜(4)的距离d；

步骤八、改变砝码(5)的质量m，薄玻璃板(3)和第二平面反射镜(4)的距离d随之改变，获取距离变化量Δd，根据距离变化量Δd获取金属丝(6)的伸长量Δl，Δl的大小与Δd的大小相等；

步骤九、获取金属丝(6)的杨氏弹性模量E：

E=FlSΔl=4mglπr2Δl;]]>

其中：F为金属丝(6)在伸长方向上的拉力，l表示金属丝(6)的原长度，S表示金属丝(6)的截面积，r表示金属丝(6)的平均直径。