專利名稱：多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量方法，具體涉及到材料的磁滯伸縮系數(shù)的測量方法。
背景技術(shù)：
鐵磁質(zhì)的磁疇在外磁場作用下會(huì)定向排列，從而引起介質(zhì)中晶格間距的改變，致使鐵磁體發(fā)生長度的變化的現(xiàn)象被稱為磁致伸縮效應(yīng)，由于這一現(xiàn)象首先由焦耳于1842 年發(fā)現(xiàn)，因而也被稱為焦耳效應(yīng)。磁致伸縮不但對材料的磁性有重要的影響，特別是對起始磁導(dǎo)率，矯頑力等，而且效應(yīng)本身在實(shí)際中的應(yīng)用也很廣泛，如磁致伸縮技術(shù)可以用于機(jī)械振動(dòng)和超聲波換能器上，在激光雷達(dá)等方面也有重要的應(yīng)用。利用材料在交變磁場作用下長度的變化，可制成超聲波發(fā)生器和接收器通過一些特別的轉(zhuǎn)換裝置，可以制成力、速度、加速度等傳感器以及延遲線、濾波器等。在相同外磁場的條件下，不同的磁性物質(zhì)磁致伸縮的長度變化是不同的，通常用磁致伸縮系數(shù)α (α = Δ 1/1)表征它形變的大小。因此，準(zhǔn)確測量材料的磁致伸縮系數(shù)α 是非常重要的。由于磁致伸縮效應(yīng)引起的材料長度相對變化很微小，一般鐵磁材料的磁致伸縮系數(shù)只有10_5 10_6數(shù)量級，因此需采用一些高精度的方法加以測量。磁致伸縮系數(shù)的測定歸結(jié)為微長度(位移)變化的測量。目前測量磁致伸縮系數(shù)的方法主要有非平衡電橋測量法、差動(dòng)變電容測法、光杠桿法、應(yīng)變電阻片測量法，光學(xué)干涉法等。但是這些方法都存在各自的缺點(diǎn)，因此測量精度無法在提高。而在光學(xué)測量法中，激光外差測量技術(shù)備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前超高精度測量方法之一。該方法具有高的空間和時(shí)間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代超精密檢測及測量儀器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測量、檢測、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的外差干涉均為雙光束干涉，外差信號頻譜只含單一頻率信息，解調(diào)后得到單一的待測參數(shù)值。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有測量磁致伸縮系數(shù)的方法的精度低的問題，本發(fā)明提供了一種基于激光外差測量技術(shù)的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法。本發(fā)明所述的多光束激光外差測量磁滯伸縮系數(shù)的方法是基于下述裝置實(shí)現(xiàn)的， 所述裝置參見

圖1所示，該裝置包括兩根形狀相同的固定棒、激勵(lì)線圈、直流穩(wěn)壓電源、平面反射鏡、薄玻璃板、偏振分束鏡PBS、H0固體激光器、四分之一波片、振鏡、會(huì)聚透鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)，直流穩(wěn)壓電源用于給激勵(lì)線圈提供工作電源，使得該激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場，待測試件居中放置在激勵(lì)線圈形成的筒形空間內(nèi)，待測試件的一端固定連接一根固定棒的一端， 該根固定棒的另一端固定設(shè)置，待測試件的另一端固定另一根固定棒的一端，該根固定棒的另一端粘接固定在平面反射鏡的非反射面，平面反射鏡的反射面與待測試件的軸線垂直；并且兩根固定棒、待測試件和激勵(lì)線圈同軸設(shè)置；在平面反射鏡的反射面一側(cè)距離處， 與該平面反射鏡平行設(shè)置有薄玻璃板；H0固體激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS反射后入射至四分之一波片，經(jīng)該四分之一波片透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS透射后的光束入射至薄玻璃板， 經(jīng)該薄玻璃板透射之后的光束入射至平面反射鏡，該光束在相互平行的薄玻璃板的后表面和平面反射鏡之間反復(fù)反射多次，多束經(jīng)平面反射鏡反射的光束經(jīng)薄玻璃板透射之后獲得多束透射光束，該多束透射光束和薄玻璃板的前表面的反射光束一起通過會(huì)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(tǒng)；基于上述裝置的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法為首先，將待測試件進(jìn)行交流退磁，然后固定在兩根固定棒之間；然后，打開Htl固體激光器，并驅(qū)動(dòng)振鏡開始工作；最后，打開直流穩(wěn)壓電源，并調(diào)整該直流穩(wěn)壓電源輸出單調(diào)上升的直流電流，在該過程中，采用信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并根據(jù)所述電信號獲得待測試件的長度變化量Δ1，根據(jù)所述長度變化量獲得待測試件的磁置伸縮系數(shù)α = Δ 1/1, 1為待測試件的原始長度。所述振鏡用于對不同時(shí)刻入射到振鏡表面的激光進(jìn)行頻率調(diào)制，其振動(dòng)方程為 x(t) =a(t2/2)，其速度方程為v(t) = at，其中a為振動(dòng)加速度，c為光速。所述信號處理系統(tǒng)由帶通濾波器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和數(shù)字信號處理器DSP組成，所述帶通濾波器對接收到的光電探測器輸出的電信號進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器，經(jīng)前置放大器放大之后的信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器DSP。所述兩根固定棒是采用非導(dǎo)磁材料制作的。所述兩根固定棒中的每根固定棒的兩端還可以涂覆有非導(dǎo)磁材料層。所述反射鏡和薄玻璃板之間的距離d為20mm。信號處理系統(tǒng)根據(jù)光電探測器輸出的電信號獲得待測試件的長度變化量△ 1的過程為信號處理系統(tǒng)接收到的光電探測器發(fā)出的光電流信號為I，該光電流信號I的表達(dá)式為

權(quán)利要求
1.多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，該方法是基于下述裝置實(shí)現(xiàn)的，所述裝置包括兩根形狀相同的固定棒(1-1、1_2)、激勵(lì)線圈O)、直流穩(wěn)壓電源G)、平面反射鏡 (5)、薄玻璃板(6)、偏振分束鏡PBS (7)、H。固體激光器(8)、四分之一波片(9)、振鏡(10)、 會(huì)聚透鏡(11)、光電探測器(12)和信號處理系統(tǒng)(13)，直流穩(wěn)壓電源(4)用于給激勵(lì)線圈(2)提供工作電源，使得該激勵(lì)線圈(2)產(chǎn)生磁場， 待測試件(3)居中放置在激勵(lì)線圈(2)形成的筒形空間內(nèi)，待測試件(3)的一端固定連接一根固定棒(1-1)的一端，該根固定棒(1-1)的另一端固定設(shè)置，待測試件(3)的另一端固定另一根固定棒(1-2)的一端，該根固定棒(1-2)的另一端粘接固定在平面反射鏡(5) 的非反射面，平面反射鏡(5)的反射面與待測試件(3)的軸線垂直；并且兩根固定棒(1-1、 1-2)、待測試件(3)和激勵(lì)線圈O)同軸設(shè)置；在平面反射鏡(5)的反射面一側(cè)距離d處， 與該平面反射鏡( 平行設(shè)置有薄玻璃板(6)；Htl固體激光器(8)發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS(7)反射后入射至四分之一波片(9)，經(jīng)該四分之一波片(9)透射后的光束入射至振鏡(10)的光接收面，經(jīng)該振鏡(10) 反射的光束再次經(jīng)四分之一波片(9)透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS(7)，經(jīng)該偏振分束鏡 PBS (7)透射后的光束入射至薄玻璃板(6)，經(jīng)該薄玻璃板(6)透射之后的光束入射至平面反射鏡(5)，該光束在相互平行的薄玻璃板(6)的后表面和平面反射鏡(5)之間反復(fù)反射多次，多束經(jīng)平面反射鏡( 反射的光束經(jīng)薄玻璃板(6)透射之后獲得多束透射光束，該多束透射光束和薄玻璃板(6)的前表面的反射光束一起通過會(huì)聚透鏡(10)匯聚至光電探測器 (12)的光敏面上，所述光電探測器(1 輸出電信號給信號處理系統(tǒng)(13)；其特征在于，基于上述裝置的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法為首先，將待測試件(3)進(jìn)行交流退磁，然后固定在兩根固定棒(1-1、1_2)之間；然后，打開Htl固體激光器(8)，并驅(qū)動(dòng)振鏡(10)開始工作；最后，打開直流穩(wěn)壓電源G)，并調(diào)整該直流穩(wěn)壓電源(4)輸出單調(diào)上升的直流電流， 在該過程中，采用信號處理系統(tǒng)(1 連續(xù)采集光電探測器(1 輸出的電信號，并根據(jù)所述電信號獲得待測試件C3)的長度變化量Δ1，根據(jù)所述長度變化量獲得待測試件C3)的磁置伸縮系數(shù)α = Δ 1/1，1為待測試件(3)的原始長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，所述兩根固定棒(1-1、1_2)是采用非導(dǎo)磁材料制作的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，所述兩根固定棒(1-1、1-幻中的每根固定棒的兩端均涂覆有非導(dǎo)磁材料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，所述平面反射鏡(5)和薄玻璃板(6)之間的距離d為20mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于， 振鏡(10)用于對不同時(shí)刻入射到振鏡表面的激光進(jìn)行頻率調(diào)制，其振動(dòng)方程為X(t)= a(t2/2)，其速度方程為v(t) = at，其中a為振動(dòng)加速度，c為光速。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(13)根據(jù)光電探測器(12)輸出的電信號獲得待測試件(3)的長度變化量Δ1 的過程為信號處理系統(tǒng)(13)接收到的光電探測器(12)發(fā)出的光電流信號為I，該光電流信號I的表達(dá)式為媽[五1⑷+五2⑷+ + &⑷収1⑷+五2⑷+ + &⑷]、⑷j-je ι - - m -iIf [σα2 (ο+ Σ m+; (οm+p ⑷腫Z j=yp=y j=y其中，h為普朗克常數(shù)，ν為激光頻率，e為電子電量，η為量子效率，S為探測器光敏面的面積，Z為探測器表面介質(zhì)的本征阻抗，E1 (t)為t-L/c時(shí)刻到達(dá)薄玻璃板表面的反射光的光場a{t-L! c)2Ex(t) = (X1E0 ^χρ{ [ω0(1+α^~1/^) + ω0 ——^——]}(1)CC為振幅常數(shù)，L為振鏡(10)到薄玻璃板(6)的光程，COci為激光角頻率，ω0 = (1+at/ ο)/ω, ω是薄玻璃板(6)的入射光的角頻率，i表示虛數(shù)，Ci1 = r，r為光從周圍介質(zhì)射入薄玻璃板(6)時(shí)的反射率；E2 (t)、……、Effl(t)分別為經(jīng)薄玻璃板(6)透射的光在不同時(shí)刻被平面反射鏡(5)多次反射至薄玻璃板(6)、并經(jīng)該薄玻璃板(6)透射之后獲得m束透射光的光場，具體表達(dá)式分別為( L Indcose^ t_L_2Mc )_ + 2ndcose)E2(J) = a2EQ exp{/|>y0(1+ a------) + ω0---]}cc； (2)L 2(m-Y)nd cos θ t----Em(0 = ^Λ exp{/H(l+ α~^---)tc( L 2(m-l)ndcose^(a ------— + 2(m - \)nd cos Θ)+^o---]}C其中，CI2 = β β，r’，……，αω = β β，r’(2m_3)，β為光束入射到薄玻璃板(6)前表面時(shí)的透射率，r’為平面反射鏡(5)的反射率，β，為薄玻璃板(6)和平面反射鏡(5)之間反射光射出薄玻璃板(6)時(shí)的透射率，d為薄玻璃板(6)和平面反射鏡(5)之間的距離，n 為薄玻璃板(6)和平面反射鏡( 之間介質(zhì)的折射率，θ為入射光透射出薄玻璃板(6)后的折射角；上述光電流信號I中的中頻電流為If = ^!!ΣΣ (E1 {t)E]+； {t)+E； {t)E]+p {t)ysS i7 -1 J 一 1將式(1)、2和(4)代入式(5)，通過軟件計(jì)算積分結(jié)果為 j ψ πψγ α (χ 2 4w0anpdcose_2alanpdcose) t lf hvZj^ 1 ]+p 0c2c3(5)3
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，激光以入射角θ ^斜入射至薄玻璃板(6)，入射光的光場為E (t) =E0exp(i 0t)o
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(1 由帶通濾波器(13-1)、前置放大器(13-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字信號處理器(DSP)組成，所述帶通濾波器(13-1)對接收到的光電探測器(1 輸出的電信號進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器(13-2)，經(jīng)前置放大器(13- 放大之后的信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器(DSP)。
全文摘要
多光束激光外差測量磁致伸縮系數(shù)的方法，涉及到材料的磁滯伸縮系數(shù)的測量方法。該方法解決了現(xiàn)有測量磁致伸縮系數(shù)的方法的精度低的問題。本發(fā)明的測量方法是將待測試件進(jìn)行交流退磁后，固定在兩根固定棒之間；然后，打開H0固體激光器，并驅(qū)動(dòng)振鏡開始工作；最后，在待測試件上施加單調(diào)上升的直流電流，在該過程中，采用信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并獲得待測試件的長度變化量Δl，根據(jù)Δl獲得待測試件的磁置伸縮系數(shù)α＝Δl/l。本發(fā)明采用基于激光外差技術(shù)和多普勒效應(yīng)，把待測的長度信息加載到外差信號的頻率差中，經(jīng)信號解調(diào)后可以同時(shí)得到多個(gè)待測長度值，經(jīng)加權(quán)平均處理可以提高待測長度值的測量精度，進(jìn)而提高磁致伸縮系數(shù)的測量精度。
文檔編號G01B11/02GK102323555SQ20111014515
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)