專利名稱：多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量楊氏模量的方法。
背景技術：
楊氏彈性模量反映了材料形變與內應力的關系，材料受外力作用時必須發生形變，其內部脅強和脅變(即相對形變)的比值稱為楊氏彈性模量，它是表征固體材料性質的一個重要物理量，是工程技術中機械構件選材時的重要參數。近幾年來，在工程測量技術中，多采用光杠杠法、光纖傳感器法、CCD法、干涉法、拉伸法和衍射法等，但這些方法間接測量量較多，偶然誤差較大，且需進行大量的數據處理，因此，這些方法的測量精度較低，無法滿足目前高精度測量的要求。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和多普勒技術的諸多優點，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。但，現有采用多光束激光外差測量楊氏模量的方法由于激光信號差頻信號采集效果差、信號處理的運算速度慢導致測量精度較低。
發明內容
為了解決現有采用多光束激光外差測量楊氏模量的方法由于激光差頻信號采集效果差、信號處理的運算速度慢導致的測量精度較低的問題，從而提供一種多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法。多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它是基于多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現的，所述系統包括多光束激光外差測量距離的裝置，它由Htl固體激光器、平面反射鏡、四分之一波片、振鏡、振鏡驅動電源、偏振分束鏡、會聚透鏡、薄玻璃板、光電探測器和信號處理系統組成，振鏡驅動電源用于驅動振鏡振動；薄玻璃板水平固定，該薄玻璃板的正上方距離d處設置一塊平面反射鏡，所述薄玻璃板與平面反射鏡的反射面相對、且相互平行，H0固體激光器、四分之一波片、振鏡、偏振分束鏡、會聚透鏡、光電探測器均位于薄玻璃板的下方，所述Htl固體激光器發射激光束至偏振分束鏡的前表面，經該偏振分束鏡反射的光束經四分之一波片透射之后發射到振鏡的入射面，經振鏡反射后的反射光束再次經四分之一波片透射至偏振分束鏡，經所述偏振分束鏡透射之后入射至薄玻璃板，該透射光束在該薄玻璃板的入射面的入射角θ ^小于90且大于等于0度；該透射光經該薄玻璃板形成反射光束和透射光束，所述透光束經平面反射鏡反射的反射光束再次經薄玻璃板透射之后入射至會聚透鏡，經該薄玻璃板前表面反射形成的反射光束也入射至會聚透鏡，會聚透鏡將入射光束聚焦至光電探測器的探測面上，光電探測器的電信號輸出端與濾波器的信號輸入端連接，濾波器的信號輸出端與前置放大器的信號輸入端連接，前置放大器的信號輸出端與A/D轉換器的信號輸入端連接，所述A/D轉換器的信號輸出端與DSP 數字信號處理器的信號輸入端連接，所述DSP數字信號處理器中固化有FFT算法，DSP數字信號處理器根據接收到的信號解調后獲得平面反射鏡和薄玻璃板之間的距離，此距離等于待測金屬絲的長度變化量；多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它由以下步驟實現步驟一、把一根長L，平均直徑為r的待測金屬絲懸掛于固定支架上，所述待測金屬絲的下端與砝碼固定連接，所述砝碼在重力作用下，對待測金屬絲施加拉力F以使所述待測金屬絲產生內部應力；所述砝碼的底部與平面反射鏡的非反射面固定連接，使得待測金屬絲垂直于平面反射鏡的反射面，然后打開激光器，并同時控制振鏡驅動電源驅動振鏡開始振動；步驟二、信號處理系統采集光電探測器輸出的信號，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數，當平面反射鏡處于靜止狀態時，記錄該距離參數；步驟三、增加砝碼的質量m，步驟四、信號處理系統再次采集光電探測器輸出的信號，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間的距離參數，當平面反射鏡處于靜止狀態時，記錄該距離參數，步驟五、根據步驟二和四獲得的兩個距離參數，獲得薄玻璃板和平面反射鏡之間距離的變化量Δ d，該距離變化量Ad即為待測金屬絲在質量m的作用下的伸長量AL;根據胡克定律，獲得待測金屬絲的楊氏模量為
權利要求
1.多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它是基于多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的裝置實現的，所述系統包括多光束激光外差測量距離的裝置，它由Htl固體激光器(1)、平面反射鏡(6)、四分之一波片(3)、振鏡O)、振鏡驅動電源、偏振分束鏡G)、 會聚透鏡(9)、薄玻璃板(5)、光電探測器(10)和信號處理系統組成，振鏡驅動電源用于驅動振鏡( 振動；薄玻璃板( 水平固定，該薄玻璃板( 的正上方距離d處設置一塊平面反射鏡(6)，所述薄玻璃板( 與平面反射鏡(6)的反射面相對、且相互平行，Htl固體激光器(1)、四分之一波片(3)、振鏡O)、偏振分束鏡G)、會聚透鏡(9)、光電探測器(10)均位于薄玻璃板(5)的下方，所述H。固體激光器(1)發射激光束至偏振分束鏡的前表面， 經該偏振分束鏡(4)反射的光束經四分之一波片( 透射之后發射到振鏡O)的入射面， 經振鏡( 反射后的反射光束再次經四分之一波片( 透射至偏振分束鏡G)，經所述偏振分束鏡(4)透射之后入射至薄玻璃板(5)，該透射光束在該薄玻璃板(5)的入射面的入射角θ ^小于90且大于等于0度；該透射光經該薄玻璃板(5)形成反射光束和透射光束， 所述透光束經平面反射鏡(6)反射的反射光束再次經薄玻璃板( 透射之后入射至會聚透鏡(9)，經該薄玻璃板( 前表面反射形成的反射光束也入射至會聚透鏡(9)，會聚透鏡(9) 將入射光束聚焦至光電探測器(10)的探測面上，光電探測器(10)的電信號輸出端與濾波器(11)的信號輸入端連接，濾波器(11)的信號輸出端與前置放大器(1 的信號輸入端連接，前置放大器(1 的信號輸出端與A/D轉換器(1 的信號輸入端連接，所述A/D轉換器 (13)的信號輸出端與DSP數字信號處理器(14)的信號輸入端連接，所述DSP數字信號處理器(14)中固化有FFT算法，DSP數字信號處理器(14)根據接收到的信號解調后獲得平面反射鏡(6)和薄玻璃板(5)之間的距離；其特征是多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，它由以下步驟實現 步驟一、把一根長L，平均直徑為r的待測金屬絲(8)懸掛于固定支架上，所述待測金屬絲(8)的下端與砝碼(7)固定連接，所述砝碼(7)在重力作用下，對待測金屬絲(8)施加拉力F以使所述待測金屬絲(8)產生內部應力；所述砝碼(7)的底部與平面反射鏡(6)的非反射面固定連接，使得待測金屬絲(8)垂直于平面反射鏡(6)的反射面，然后打開激光器 (1)，并同時控制振鏡驅動電源驅動振鏡O)開始振動；步驟二、信號處理系統采集光電探測器(10)輸出的信號，獲得薄玻璃板( 和平面反射鏡(6)之間的距離參數，當平面反射鏡(6)處于靜止狀態時，記錄該距離參數； 步驟三、增加砝碼的質量m，步驟四、信號處理系統再次采集光電探測器(10)輸出的信號，獲得薄玻璃板( 和平面反射鏡(6)之間的距離參數，當平面反射鏡(6)處于靜止狀態時，記錄該距離參數，步驟五、根據步驟二和四獲得的兩個距離參數，獲得薄玻璃板( 和平面反射鏡(6)之間距離的變化量Ad，該距離變化量Ad即為待測金屬絲(8)在質量m的作用下的伸長量 AL；根據胡克定律，獲得待測金屬絲的楊氏模量為E = I SAL式中，S為待測金屬絲的截面積，S = η T2/4 ；F為在伸長方向上的拉力，即為砝碼重量mg;參數g為重力加速度；則，力F對應的楊氏模量為
2.根據權利要求1所述的多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特征在于 xmg在待測金屬絲的彈性限度內。
3.根據權利要求1所述的多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特征在于待測金屬絲(8)為鋼絲。
4.根據權利要求1所述的多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特征在于待測金屬絲(8)的長度為lm，截面直徑為0. 25mm至1mm。
5.根據權利要求1所述的多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特征在于基于多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的系統中，距離d ^ 20mm。
6.根據權利要求1所述的多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特征在于基于多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的系統中，H0固體激光器03)發射出的激光束的光場為E(t) = E0exp (i ω0 ),參數i表示虛數表示常數；Qci表示激光的初始角頻率。
7.根據權利要求1所述的多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，其特征在于基于多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的系統中，所述振鏡(6)為多普勒振鏡(6)，該振鏡(6)的振動方程為x(t) = a(t2/2),t e
，取值間隔為1 μ s ；x(t)表示振鏡(6)的振動幅度；參數a表示振鏡的振動加速度，通常取值范圍是IO2 104m/s2 ； 該振鏡(6)的速度方程為 ν (t) = at ο
全文摘要
多光束激光外差二次諧波測量楊氏模量的方法，涉及一種測量楊氏模量的方法。它解決了現有采用多光束激光外差測量楊氏模量的方法存在的由于激光外差拍頻信號采集效果差、信號處理速度慢導致的測量精度較低的問題。它通過在光路中引入振鏡，根據多普勒效應使不同時刻入射的光信號附加了一個光頻，因此經過平面反射鏡k次反射的光和k+2次反射光透過薄玻璃板后在滿足干涉的條件下，產生多光束外差二次諧波信號，從而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。在測量樣品楊氏模量的過程中，在頻域得到了包含金屬長度變化量的頻率值，經信號解調后得到樣品長度隨砝碼質量的變化量，計算可以獲得樣品的楊氏模量。本發明適用于測量楊氏模量。
文檔編號G01N3/08GK102221502SQ20111014517
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者張峰, 曲楊, 李彥超, 王春暉, 高龍 申請人:哈爾濱工業大學