專利名稱：：一種高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法，特別是一種多光束激光外差高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法。
背景技術(shù)：
：在日常生活與實(shí)際生產(chǎn)中，通常將固體受熱后在一維方向上長(zhǎng)度的變化稱為線膨脹。在相同條件下，不同材料的固體，其線膨脹程度一般是不同的。線脹系數(shù)作為材料膨脹屬性的一種表征，其測(cè)量不僅是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容，而且在道路、橋梁、建筑、精密儀器、儀表等設(shè)計(jì)及材料的焊接、加工等各種領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。目前，對(duì)金屬線膨脹系數(shù)的測(cè)定有光杠桿法、讀數(shù)顯微鏡法、電熱法[5]和激光干涉法等測(cè)量方法。在用這些方法測(cè)量的過(guò)程中，由于需要直接測(cè)量的參數(shù)過(guò)多，操作較復(fù)雜，以至于實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差與偶然誤差偏大，例如，用光杠桿法測(cè)金屬線膨脹系數(shù)時(shí)，由于近似公式的采用與復(fù)雜的操作使其系統(tǒng)誤差偏大，同時(shí)，由于讀數(shù)裝置配備不合理引入的偶然誤差也較大，以至于其相對(duì)誤差達(dá)4.4%；讀數(shù)顯微鏡法由于視覺(jué)引起的偶然誤差和電熱法實(shí)際溫度與傳感器的延遲引起的系統(tǒng)誤差等都極大的限制了其測(cè)量精度；激光干涉法由于該裝置的干涉條紋銳細(xì)、分辨率高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，從而大大減小了實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)現(xiàn)了金屬線膨脹系數(shù)的精確測(cè)量，測(cè)量的相對(duì)誤差可為2%，但是這種方法在讀取干涉條紋數(shù)時(shí)存在視覺(jué)引起的偶然誤差，導(dǎo)致精度無(wú)法再提高。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種多光束激光外差高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬線膨脹系數(shù)進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)的在線測(cè)量。一方面，一種高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于該高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置包括干涉系統(tǒng)、高速PZT振鏡系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。所述干涉系統(tǒng)包括Htl固體激光器、平面反射鏡3、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡1、偏振分光鏡BS1、薄透鏡、平面反射鏡2。所述高速PZT振鏡系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電源、PZT晶體和平面反射鏡，其特征在于=PZT晶體與平面反射鏡沿振動(dòng)方向相互交合，且PZT晶體在驅(qū)動(dòng)電源作用下帶動(dòng)與其相互膠合的反射鏡一起做高速簡(jiǎn)諧振動(dòng)。所述H。固體激光器為線偏振激光光源，波長(zhǎng)λ=2050nm，其特征在于此激光對(duì)人眼安全。所述加熱系統(tǒng)包括數(shù)顯溫度控制儀、測(cè)溫探頭以及給待測(cè)金屬桿加熱的電熱爐組成，溫度控制儀的控溫精度為0.001°。所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括光電探測(cè)器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP。打開(kāi)的電爐加熱帶有平面反射鏡2的金屬棒到一定溫度，溫度值可以通過(guò)溫度控制儀觀察，此時(shí)金屬棒長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，2050nmH0固體激光器發(fā)射的S偏振光被平面反射鏡3反射，反射的S偏振光垂直入射到偏振分光鏡BSl上，并被偏振分光棱鏡反射，此反射S偏振光經(jīng)過(guò)四分之一波片后垂直入射到隨PZT晶體一起做高速簡(jiǎn)諧振動(dòng)的平面反射鏡1上，被平面反射鏡1反射S偏振光又經(jīng)過(guò)四分之一波片后變成P偏振光，P偏振光透過(guò)偏振分光鏡BSl后入射到薄透鏡表面，經(jīng)薄透鏡和平面反射鏡2的表面反射的P偏振光正入射到光電探測(cè)器的光敏面上，光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)被前置放大器放大，而被放大的電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)被DSP高速信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理后送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到金屬棒長(zhǎng)度的變化量等信息。在高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)裝置的基礎(chǔ)上，基于激光外差測(cè)量技術(shù)和激光多普勒技術(shù)，提出了一種非接觸式多光束激光外差測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的方法，得到了光電探測(cè)器輸出中頻電流的諧波表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>。同時(shí)得到了斜入射時(shí)多光束激光外差信號(hào)頻譜第一個(gè)主峰的中心頻率和正入射時(shí)理論曲線的中心頻率的比值ζ=cosθ，通過(guò)這個(gè)比值可以精確計(jì)算出激光入射角的大小。當(dāng)多普勒振鏡振動(dòng)方程為x(t)=k(t2/2)時(shí)，取k=4X106m/s2，模擬測(cè)量了長(zhǎng)150mm，直徑為Φ18.OOmm的黃銅金屬棒材料線膨脹系數(shù)，測(cè)量結(jié)果誤差僅為0.4%。上述高精度測(cè)量玻璃厚度的裝置中，所述薄透鏡和光電探測(cè)器之間設(shè)有會(huì)聚透鏡，用來(lái)將薄透鏡和平面反射鏡2表面反射的P偏振光會(huì)聚到位于焦點(diǎn)處的光電探測(cè)器的光敏面上。上述高精度測(cè)量玻璃厚度的裝置中，所述會(huì)聚透鏡由透明的高透過(guò)率材料制成。上述高精度測(cè)量玻璃厚度的裝置中，會(huì)聚透鏡的兩個(gè)表面都鍍有增加激光透射效率的增透膜。上述高精度測(cè)量玻璃厚度的裝置中，所述激光光源和所述偏振分光鏡BSl之間設(shè)有2050nm單模光纖準(zhǔn)直器。上述高精度測(cè)量玻璃厚度的裝置中，所述的2050nm單模光纖準(zhǔn)直器用于將所述2050nmH。固體激光器發(fā)射的激光準(zhǔn)直擴(kuò)束輸出。。本發(fā)明將PZT振鏡系統(tǒng)巧妙地引入了高精度測(cè)量玻璃厚度的裝置中，提出了一種利用激光外差技術(shù)與激光多普勒技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的思想。當(dāng)激光束斜入射到待測(cè)玻璃樣品前后表面時(shí)，經(jīng)前后表面反射的光滿足相干條件發(fā)生混頻干涉，待測(cè)玻璃樣品的厚度信息即被加載在干涉后的混合光場(chǎng)中。但由于前后表面的反射光場(chǎng)頻率未發(fā)生變化，厚度信息只調(diào)制在相位的變化上，是不宜被探測(cè)、解調(diào)的，采取上述技術(shù)方案，可以將待測(cè)參數(shù)信息不僅被調(diào)制在相位差上，而且也被調(diào)制在頻率差中，便于后期信號(hào)處理，成功地彌補(bǔ)上述缺陷，這種方法在測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)是可行和可靠的。同時(shí)，與其他測(cè)量方法相比多光束激光外差測(cè)量法測(cè)金屬線膨脹系數(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、操作方便、重復(fù)性好；實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小、精確度高等多方面優(yōu)勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，因此可以在工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛使用，在激光超精密測(cè)量領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是多光束激光干涉原理示意圖；圖2是多光束激光外差測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖3是15°C情況下多光束激光外差信號(hào)的傅里葉變換頻譜圖；圖4是不同溫度情況下金屬棒長(zhǎng)度變化量測(cè)量對(duì)應(yīng)的頻譜；圖5是2050nmH0固體激光器準(zhǔn)直輸出結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是平面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是偏振分光鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是高速PZT振鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式假設(shè)溫度為T(mén)1時(shí)金屬的長(zhǎng)度為I1,溫度為T(mén)2時(shí)金屬的長(zhǎng)度為12，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，金屬的伸長(zhǎng)量Δ1(Δ1=I2-I1)與溫度變化量ΔΤ(ΔΤ=T2-T1)及金屬的原長(zhǎng)I0成正比，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(1)式中，α即為金屬的線脹系數(shù)。于是可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>因此，只要測(cè)出T1,T2間隔內(nèi)金屬棒長(zhǎng)度的變化量Δ1即可求出金屬的線脹系數(shù)?；诙喙馐す馔獠顪y(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，由于光束在薄透鏡和平面反射鏡之間會(huì)如圖1所示不斷地反射和折射，而這種反射和折射對(duì)于反射光和透射光在無(wú)窮遠(yuǎn)處或透鏡焦平面上的干涉都有貢獻(xiàn)，所以在討論干涉現(xiàn)象時(shí)，必須考慮多次反射和折射效應(yīng)，即應(yīng)討論多光束激光干涉。在不考慮薄透鏡自身厚度的情況下，當(dāng)激光以入射角θ^斜入射時(shí)，設(shè)入射光場(chǎng)為E(t)=Eexp(i(Ocit)，多普勒振鏡的振動(dòng)方程和速度方程分別是x(t)=k(t2/2)和v(t)=kt。由于振鏡的運(yùn)動(dòng)，反射光的頻率變?yōu)棣?(^(l+kt/c)，式中Coci為激光角頻率，k為比例常數(shù)，c為光速。則t-1/c時(shí)刻到達(dá)薄透鏡表面的光場(chǎng)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>而經(jīng)薄透鏡透射的光在不同時(shí)刻被平面反射鏡2多次反射，其反射光的表達(dá)式可以分別寫(xiě)成如下形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>......<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，αι=r，α2=ββ'r'，…，Cim=ββ'r'(2m_3)，r為光從周?chē)橘|(zhì)射入薄透鏡時(shí)的反射率，透射率為β，!·'為平面反射鏡2的反射率，薄透鏡和平面反射鏡2之間反射光射出薄透鏡時(shí)的透射率為β‘，d為薄透鏡和平面反射鏡2之間的距離。這樣，探測(cè)器接收到的總光場(chǎng)可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)則探測(cè)器輸出的光電流可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，e為電子電量，Z為探測(cè)器表面介質(zhì)的本征阻抗，η為量子效率，D為探測(cè)器光敏面的面積，h為普朗克常數(shù)，ν為激光頻率。由于直流項(xiàng)經(jīng)過(guò)低通濾波器后可以濾除，因此，這里只考慮交流項(xiàng)，此交流項(xiàng)通常稱為中頻電流，整理可得中頻電流為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>忽略1/c3的小項(xiàng)之后可以簡(jiǎn)化為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>這里，ρ取自然數(shù)。通過(guò)(10)式可以看到，多光束外差測(cè)量法獲得的中頻項(xiàng)頻率差以及相位差中都有薄透鏡和平面反射鏡2之間距離d的信息。主要針對(duì)中頻項(xiàng)中頻率差進(jìn)行分析，因?yàn)椴捎酶道锶~變換很容易實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。此時(shí)，根據(jù)(11)式，可以把干涉信號(hào)的頻率記為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(13)根據(jù)(13)式可知，干涉信號(hào)的頻率與待測(cè)距離成正比，比例系數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(I4)與光源角頻率(Oci、薄透鏡和平面反射鏡之間介質(zhì)的折射率η、折射角θ以及振鏡常數(shù)k有關(guān)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，通過(guò)(10)式和(14)式可以看出，探測(cè)器輸出的光電流是由不同諧波組成的，每一項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)著頻率的自然倍數(shù)，也就是說(shuō)相鄰頻率差為固定值，經(jīng)傅里葉變換之后在頻譜上可以看到不同諧波頻率波峰，通過(guò)測(cè)量不同諧波頻率，就可以測(cè)出薄透鏡和平面反射鏡2之間的距離d，當(dāng)d改變時(shí)，就可以根據(jù)(13)式測(cè)出對(duì)應(yīng)d的變化量Ad,然后Ad對(duì)測(cè)量值加權(quán)平均，這樣處理之后就可以提高Ad的測(cè)量精度，知道了Ad就可以根據(jù)(2)式計(jì)算得到待測(cè)樣品線膨脹系數(shù)。圖2是多光束激光外差測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)裝置主要由加熱系統(tǒng)與干涉測(cè)量系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)部分主要由數(shù)顯溫控儀211、測(cè)溫探頭217以及給待測(cè)金屬桿210加熱的電熱爐209組成。數(shù)顯溫控儀211的測(cè)溫探頭217通過(guò)鉬熱電阻，取得代表溫度的信號(hào)；而溫度設(shè)定值使用“設(shè)定旋鈕”調(diào)節(jié)，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)選擇開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器215，可在數(shù)碼管上分別顯示測(cè)量溫度和設(shè)定溫度。儀器加熱接近設(shè)定溫度，通過(guò)繼電器自動(dòng)斷開(kāi)加熱電路；在測(cè)量狀態(tài)，顯示當(dāng)前探測(cè)到的溫度。干涉測(cè)量系統(tǒng)部分主要由多光束外差干涉裝置(該裝置由H。固體激光器201、平面反射鏡202、四分之一波片204、振鏡206、平面反射鏡205、偏振分束鏡203、會(huì)聚透鏡212、薄透鏡207、平面反射鏡208組成)和信號(hào)處理系統(tǒng)(該裝置由光電探測(cè)器213、前置放大器214、A/D215和DSP216組成)組成。平面反射鏡205膠合在振鏡206前表面上，振鏡在驅(qū)動(dòng)電源作用下帶動(dòng)平面反射鏡205—起做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，加入振鏡的好處是可以對(duì)不同時(shí)刻入射到平面反射鏡205表面的激光進(jìn)行頻率調(diào)制。其中，線偏振激光光源201為T(mén)m:Ho固體激光波長(zhǎng)λ=2050nm(此激光對(duì)人眼安全)，平面反射鏡202、205和208—般由玻璃制成的圓形平板結(jié)構(gòu)，其表面鍍有對(duì)紅外波長(zhǎng)高反的高反射膜，偏振分光鏡203的分光面鍍有特殊的偏振膜，這種膜可以增加特定偏振方向(例如S光)的線偏振激光的反射效率，這種膜還有增加與特定偏振方向正交(例如P光)的線偏振激光的透射效率的功能，會(huì)聚透鏡212表面鍍有增加激光透射的增透膜，其一般由K9玻璃制成的球面結(jié)構(gòu)，四分之一波片204表面鍍有增加激光透射的增透膜。當(dāng)激光201作為線偏振激光光源，經(jīng)平面反射鏡202和偏振分光鏡203反射后到達(dá)四分之一波片204，線偏振光變成了圓偏振光后垂直入射到振鏡206的反射面205上，振鏡206振動(dòng)使激光被反射后又經(jīng)過(guò)四分之一波片204后，其激光變成與激光器出射激光偏振方向正交的線偏振光，此時(shí)的線偏振光經(jīng)過(guò)偏振分光鏡203后斜入射到薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面，此時(shí)的光場(chǎng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，光頻率發(fā)生變化。又因激光到達(dá)薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面的光程不同平面反射鏡208表面反射光多經(jīng)過(guò)2nh的光程，即薄透鏡207表面t-1/c時(shí)刻反射的光將與平面反射鏡208表面t-l/c-2nh/c時(shí)刻的光發(fā)生混頻。而不同時(shí)刻激光發(fā)生的多普勒頻移是不同的，薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面反射光存在頻差，薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面的光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡212后入射到探測(cè)器213的光敏面上，光疊加后被光電探測(cè)器213進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。利用光外差測(cè)量技術(shù)，通過(guò)處理檢測(cè)到的信號(hào)，得到薄透鏡207表面和平面反射鏡208表面反射光的頻率差，根據(jù)頻率差與玻璃厚度的關(guān)系，最終計(jì)算得到待測(cè)參數(shù)信息，可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器215和利用DSP216實(shí)時(shí)采集所要的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)處理后在計(jì)算機(jī)上可以看到多光束外差信號(hào)的頻譜等信息。用該裝置進(jìn)行測(cè)量時(shí)，1.將帶有平面反射鏡208的電爐209(黃銅試件210裝在電爐209中)放在水平支架上；然后將透鏡207放在平面反射鏡208前23mm處，粗調(diào)使平面反射鏡208與薄透鏡207大致平行、等高；2.打開(kāi)激光器201，使激光依次經(jīng)過(guò)平面反射鏡202、偏振分光鏡203和四分之一波片204后照射到膠合在振鏡206前表面的平面反射鏡205上，而不同時(shí)刻被振鏡206調(diào)制的反射光又經(jīng)過(guò)四分之一波片204后透過(guò)偏振分光鏡203垂直射向薄透鏡，可在薄透鏡207上看到一些雜亂無(wú)章的光點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)薄透鏡207的底座螺釘，可以使其逐步變成一條尖筍狀的光斑，細(xì)心調(diào)節(jié)使“尖筍”縮成一個(gè)光點(diǎn)，此時(shí)，薄透鏡207與平面反射鏡208基本調(diào)節(jié)平行，干涉裝置調(diào)好；3.移動(dòng)激光器201使光線與薄透鏡207的法線方向成一角度的射向薄透鏡207；接著使平行光均勻照亮薄透鏡207；4.然后打開(kāi)溫度控制儀211，將溫控儀開(kāi)關(guān)置于“設(shè)定”位置，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定旋鈕按照式Ts=Tj+Tz+2.8對(duì)數(shù)顯溫控儀進(jìn)行溫度預(yù)設(shè)定，式中Ts為設(shè)定溫度，Ti為基礎(chǔ)溫度，Tz為升高溫度。設(shè)定初始溫度后，將選擇開(kāi)關(guān)置于“測(cè)量”位置，觀測(cè)和記錄試件初始溫度；。準(zhǔn)確觀測(cè)干涉圖樣中心的位置，按“加熱”鍵，讀取并記錄溫度顯示值T和信號(hào)處理后得到的Δ1值，連續(xù)測(cè)量多組數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，Δ1的大小在本實(shí)驗(yàn)中恰好等于薄透鏡和平面反射鏡2之間距離的變化量Δd，就可以通過(guò)記錄薄透鏡207和平面反射鏡208之間距離的變化量Ad來(lái)獲得Δ1的數(shù)值。圖3是15°C情況下多光束激光外差信號(hào)的傅里葉變換頻譜圖?；趫D2所搭建的多光束激光外差測(cè)量系統(tǒng)，利用MATLAB軟件模擬測(cè)量了長(zhǎng)150mm，直徑為Φ18.OOmm的黃銅金屬棒材料線膨脹系數(shù)，并驗(yàn)證多光束激光外差測(cè)量方法的可行性。測(cè)量中所配置的溫度控制儀器為XMT型數(shù)字顯示溫度調(diào)節(jié)儀；所使用的H。固體激光器波長(zhǎng)λ=2050nm，此激光對(duì)人眼安全；通常情況下平面反射鏡2和薄透鏡之間介質(zhì)的折射率取η=1；激光的角頻率ω。=2Jlc/λ；激光的光速c=3.0X108m/s，探測(cè)器的光敏面孔徑為D=1mm。取多普勒振鏡振動(dòng)方程為x(t)=k(t2/2)，式中取k=4X106m/s2,t=0:0.001:0.5。通過(guò)仿真可以看到，當(dāng)金屬棒處于室溫15°C時(shí)，經(jīng)信號(hào)處理得到的多光束激光外差信號(hào)的傅里葉變換頻譜如圖3所示，其中實(shí)線為室溫15°C且激光斜入射情況下，測(cè)量金屬棒長(zhǎng)度變化量Δ1時(shí)對(duì)應(yīng)多光束激光外差信號(hào)的傅里葉變換頻譜；虛線為室溫15°C且激光正入射情況下，測(cè)量金屬棒長(zhǎng)度變化量Δ1時(shí)對(duì)應(yīng)多光束激光外差信號(hào)的傅里葉變換頻譜。從圖3中實(shí)線可以看出，多光束激光外差信號(hào)的頻譜分布，其頻譜是等間隔分布的，與前面理論分析是相符的。同時(shí)，從圖3中還可以看到，實(shí)驗(yàn)中給出了正入射的情況下的理論曲線，目的是在多光束激光外差信號(hào)頻譜圖中，可以同時(shí)得到斜入射時(shí)多光束激光外差信號(hào)頻譜第一個(gè)主峰的中心頻率和正入射時(shí)理論曲線的中心頻率的數(shù)值，這樣，很容易得到的兩個(gè)中心頻率的比值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在得到中心頻率的情況下，通過(guò)(15)式可以算出激光經(jīng)薄透鏡后折射角θ的大小，進(jìn)而根據(jù)折射定律可以獲得入射角Qtl的大小，最后通過(guò)(14)式求的Kp的數(shù)值，最終獲得薄透鏡和平面反射鏡2之間距離變化量Δd的值，由于Δd=Δ1，從而根據(jù)⑵式可以計(jì)算出任意入射角情況下金屬棒的線膨脹系數(shù)。圖4是不同溫度情況下金屬棒長(zhǎng)度變化量測(cè)量對(duì)應(yīng)的頻譜，從圖4中可以看出，隨著溫度的增加，頻譜的相對(duì)位置向低頻方向移動(dòng)即隨著溫度的增加頻率減小。原因在于在金屬棒線膨脹系數(shù)不變的情況下，溫度變化量和金屬棒長(zhǎng)度變化量是成正比關(guān)系的，當(dāng)溫度增加時(shí)金屬棒長(zhǎng)度隨之增加即薄透鏡和平面反射鏡2之間的距離隨之減小，由于頻率fp與平面反射鏡2和透鏡之間的距離d的關(guān)系為fp=Kpd，Kp不變的情況下，頻率fp和d呈線性光系，因此，平面反射鏡2和透鏡之間的距離d減小時(shí)頻率也隨之減小即隨著溫度的增力口，頻譜的相對(duì)位置向低頻方向移動(dòng)，圖4很好地驗(yàn)證了前面理論分析的正確性。需要說(shuō)明的是，圖4中為了說(shuō)明頻率隨溫度變化的具體關(guān)系，只給出了多光束外差FFT變換后的單峰頻譜圖的情況，當(dāng)把圖4進(jìn)行頻譜展開(kāi)就會(huì)看到類(lèi)似于圖3多峰傅里葉變換頻譜圖。利用上述多光束激光外差測(cè)量法，得到了激光入射角時(shí)，不同溫度情況下待測(cè)金屬棒長(zhǎng)度變化量的仿真測(cè)量結(jié)果，如表1所示。表1不同溫度情況下，金屬棒長(zhǎng)度變化量的仿真測(cè)量結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>需要說(shuō)明的是表1中15°C是實(shí)驗(yàn)室的溫度。利用表1的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)(2)式可以計(jì)算出金屬棒的線膨脹系數(shù)的平均測(cè)量值為2.050216X10_5/°C，而金屬棒的線膨脹系數(shù)的理論值[14]為2.06X10_5/°C，這樣就可以得到測(cè)量誤差為0.4%，較之其它測(cè)量方法的精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。分析數(shù)據(jù)可以看出，由于實(shí)驗(yàn)采用的溫度控制儀的控溫精度為0.001°，因此，溫度控制儀帶來(lái)的相對(duì)測(cè)量誤差較之其它誤差可以忽略，仿真實(shí)驗(yàn)中的誤差主要來(lái)自于快速傅里葉變換(FFT)后的精度誤差和計(jì)算過(guò)程中的舍入誤差。圖5是Ho固體激光光源準(zhǔn)直輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光器501、單模光纖502和2050nm單模光纖準(zhǔn)直器503組成，所述的Ho固體激光器輸出波長(zhǎng)為2050nm，此激光對(duì)于人眼安全。激光光源501和平面反射鏡之間設(shè)有2050nm單模光纖準(zhǔn)直器，所述2050nm單模光纖準(zhǔn)直器503包括梯度折射率透鏡、玻璃套管、金屬套管、光纖插針和2050nm單模光纖尾纖。其中，2050nm單模光纖尾纖穿入并固定在插針中心，將插針表面進(jìn)行拋光處理后，將梯度折射率透鏡和光纖插針一起放入玻璃套管中實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)金屬套管將套在玻璃套管外面，起到保護(hù)作用。所述梯度折射率透鏡和光纖插針端面采用斜面、球形連接，接觸端的中央部分保持球面，端面的其它部分加工成斜面，使端面與光纖軸線的夾角小于90°，這樣可以增加接觸面積，使光耦合更加緊密。當(dāng)端面與光纖軸線夾角為8°時(shí)，插入損耗小于0.5dB，斜面拋光后反射損耗可達(dá)68dB，極好地隔離了后向散射光對(duì)激光器影響。同時(shí)，插針的外組件采用金屬或非金屬的材料制作，插針與梯度折射率透鏡接觸的斜面必須進(jìn)行研磨處理，另一端通常采用彎曲限制構(gòu)件來(lái)支撐光纖或光纖軟纜以釋放應(yīng)力。所使用2050nm單模光纖準(zhǔn)直器的耦合效率為80%以上，其準(zhǔn)直輸出光束直徑在5-10mm之間，所述自聚焦透鏡由透明材料制成，所述透明材料一般為氧化物玻璃等梯度折射率材料，自聚焦透鏡的入射端和輸出端都鍍有增加激光透射率的增透膜。圖6是反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。反射鏡上表面603鍍有增加激光反射率的高反射膜601，該反射鏡通常由平板形透明材料制成，所述透明材料可以為K9玻璃、融石英、硅片和透明塑料等，所述反射鏡面型一般為平面，也可以根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)成拋物面、雙曲面或者球面等。圖7是偏振分光鏡結(jié)構(gòu)示意圖。偏振分光鏡的分光部分表面705鍍有特殊的偏振膜，此偏振膜的特點(diǎn)是針對(duì)S偏振光全反，P偏振光則全透，偏振分光鏡由高透過(guò)率材料制成，所述的高透過(guò)率材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、鍺片和硅片等，其結(jié)構(gòu)通常為平板型和立方體型，可以根據(jù)具體需要任意選型。當(dāng)入射激光701入射到分光面705時(shí)，調(diào)節(jié)偏振分光鏡的分光面位置，使其絕大部分光經(jīng)過(guò)四分之一波片后被反射到振鏡的反射面上，經(jīng)過(guò)振鏡的反射面反射后的光702經(jīng)相同的四分之一波片后，由于其偏振方向發(fā)生了變化，當(dāng)入射到分光面705上時(shí)增透膜起主導(dǎo)作用，絕大部分光被透射，透射光正入射或者斜入射到透明玻璃樣品表面。圖8是高速PZT振鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該振鏡系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電源801、PZT晶體802以及膠合在PZT晶體表面的反射鏡803，反射鏡的反射部分表面鍍有增加激光反射效率的高反射膜。該反射鏡通常由平板形透明材料制成，所述透明材料可以為Κ9玻璃、融石英、硅片和透明塑料等，所述反射鏡面型一般為平面，也可以根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)成拋物面、雙曲面或者球面等。PZT晶體802通常在驅(qū)動(dòng)電源801作用下帶動(dòng)膠合在在其表面的反射鏡一起做高速簡(jiǎn)諧振動(dòng)，目的是用于對(duì)不同時(shí)刻入射到反射鏡表面的激光進(jìn)行頻率調(diào)制，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，其激光載波頻率將附加一個(gè)多普勒頻移。最后需要強(qiáng)調(diào)的是，此方法與傳統(tǒng)激光測(cè)量技術(shù)相比較，該方法具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，由于信號(hào)的差頻分量中已經(jīng)消除了頻率分量中光程距離1的影響，從而避免了傳統(tǒng)單激光測(cè)量時(shí)由于抖動(dòng)所帶來(lái)的誤差；另外系統(tǒng)不需使用雙頻激光技術(shù)來(lái)消除誤差，降低了成本。其次，它將激光外差技術(shù)和激光多普勒技術(shù)結(jié)合使用，將兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)很好的應(yīng)用到了厚度的檢測(cè)上，使得調(diào)制、檢測(cè)、處理簡(jiǎn)單易行。最后，信號(hào)處理部分采用DSP技術(shù)，達(dá)到高速處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。仿真結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差僅為0.4%，說(shuō)明利用此方法在測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)是可行和可靠的。同時(shí)，與其他測(cè)量方法相比多光束激光外差測(cè)量法測(cè)金屬線脹系數(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大；實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、操作方便、重復(fù)性好；實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小、精確度高等多方面優(yōu)勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，因此可以在工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛使用。當(dāng)然根據(jù)實(shí)際的需要，本發(fā)明的裝置和方法還可以用于其它測(cè)量的場(chǎng)合來(lái)獲得待測(cè)目標(biāo)的各參數(shù)信息。最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上各附圖中實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明多光束激光外差測(cè)量玻璃厚度的方法和技術(shù)方案，但非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。權(quán)利要求一種高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于該高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置包括干涉系統(tǒng)、高速PZT振鏡系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。所述干涉系統(tǒng)包括H0固體激光器、平面反射鏡3、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡1、偏振分光鏡BS1、薄透鏡、平面反射鏡2。所述高速PZT振鏡系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電源、PZT晶體和平面反射鏡，其特征在于PZT晶體與平面反射鏡沿振動(dòng)方向相互交合，且PZT晶體在驅(qū)動(dòng)電源作用下帶動(dòng)與其相互膠合的反射鏡一起做高速簡(jiǎn)諧振動(dòng)。所述Ho固體激光器為線偏振激光光源，波長(zhǎng)λ＝2050nm，其特征在于此激光對(duì)人眼安全。所述加熱系統(tǒng)包括數(shù)顯溫度控制儀、測(cè)溫探頭以及給待測(cè)金屬桿加熱的電熱爐組成，溫度控制儀的控溫精度為0.001°。所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括光電探測(cè)器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP。打開(kāi)的電爐加熱帶有平面反射鏡2的金屬棒到一定溫度，溫度值可以通過(guò)溫度控制儀觀察，此時(shí)金屬棒長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，2050nmHo固體激光器發(fā)射的S偏振光被平面反射鏡3反射，反射的S偏振光垂直入射到偏振分光鏡BS1上，并被偏振分光棱鏡反射，此反射S偏振光經(jīng)過(guò)四分之一波片后垂直入射到隨PZT晶體一起做高速簡(jiǎn)諧振動(dòng)的平面反射鏡1上，被平面反射鏡1反射S偏振光又經(jīng)過(guò)四分之一波片后變成P偏振光，P偏振光透過(guò)偏振分光鏡BS1后入射到薄透鏡表面，經(jīng)薄透鏡和平面反射鏡2的表面反射的P偏振光正入射到光電探測(cè)器的光敏面上，光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)被前置放大器放大，而被放大的電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)被DSP高速信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理后送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到金屬棒長(zhǎng)度的變化量等信息。在高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)裝置的基礎(chǔ)上，基于激光外差測(cè)量技術(shù)和激光多普勒技術(shù)，提出了一種非接觸式多光束激光外差測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的方法，得到了光電探測(cè)器輸出中頻電流的諧波表達(dá)式<mrow><msub><mi>I</mi><mi>if</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>ηe</mi><mi>hv</mi></mfrac><mfrac><mi>π</mi><mi>Z</mi></mfrac><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mi>p</mi></mrow></munderover><msub><mi>α</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>α</mi><mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mi>p</mi></mrow></msub><msup><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><mo>[</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mrow><mn>4</mn><mi>ω</mi></mrow><mn>0</mn></msub><mi>knpd</mi><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo>/</mo><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mi>t</mi><mo>-</mo><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>npd</mi><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>c</mi><mo>]</mo><mo>.</mo></mrow>同時(shí)得到了斜入射時(shí)多光束激光外差信號(hào)頻譜第一個(gè)主峰的中心頻率和正入射時(shí)理論曲線的中心頻率的比值ζ＝cosθ，通過(guò)這個(gè)比值可以精確計(jì)算出激光入射角的大小。當(dāng)多普勒振鏡振動(dòng)方程為x(t)＝k(t2/2)時(shí)，取k＝4×106m/s2，模擬測(cè)量了長(zhǎng)150mm，直徑為Φ18.00mm的黃銅金屬棒材料線膨脹系數(shù)，測(cè)量結(jié)果誤差僅為0.4％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，在薄透鏡和光電探測(cè)器之間設(shè)有會(huì)聚透鏡，用來(lái)將薄透鏡和平面反射鏡2表面反射的P偏振光會(huì)聚到位于焦點(diǎn)處的光電探測(cè)器的光敏面上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，所述會(huì)聚透鏡由透明的高透過(guò)率材料制成。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，會(huì)聚透鏡的兩個(gè)表面都鍍有增加激光透射效率的增透膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，在2050nmH。固體激光器和所述偏振分光鏡BS1之間設(shè)有2050nm單模光纖準(zhǔn)直器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于，所述2050nm單模光纖準(zhǔn)直器用于將所述2050nmH。固體激光器發(fā)射的激光準(zhǔn)直擴(kuò)束輸出。全文摘要一種高精度測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的裝置與方法，其方法利用PZT振鏡系統(tǒng)對(duì)不同時(shí)刻入射光進(jìn)行頻率調(diào)制，可以將待測(cè)參數(shù)信息不僅被調(diào)制在相位差上，而且也被調(diào)制在頻率差中，便于后期信號(hào)處理；其裝置是由干涉系統(tǒng)、高速PZT振鏡系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成。本發(fā)明與其他測(cè)量方法相比多光束激光外差測(cè)量法測(cè)金屬線膨脹系數(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、操作方便、重復(fù)性好；實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小、精確度高等多方面優(yōu)勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，因此可以在工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛使用，在激光超精密測(cè)量領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。文檔編號(hào)G01N25/16GK101825590SQ20091021740公開(kāi)日2010年9月8日申請(qǐng)日期2009年12月24日優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日發(fā)明者李彥超,王春暉申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)