专利名称：多光束激光外差测量距离的装置及采用该装置测量杨氏模量的方法
技术领域：
本发明涉及测试技术领域，具体涉及到距离和材料的杨氏弹性模量的测量方法。
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。而在光学测量法中，激光外差测量技术备受国内外学者关注，激光外差测量技术继承了激光外差技术和多普勒技术的诸多优点，是目前超高精度测量方法之一，其测量的相对误差可达1%。该方法具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、精度高、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，已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一，广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。但，传统的外差干涉均为双光束干涉，外差信号频谱只含单一频率信息，解调后只能够得到单一的待测参数值。

发明内容
为了解决现有传统的外差干涉法存在的只能够得到单一的待测参数值的问题，本发明提出一种多光束激光外差测量距离的装置及采用该装置测量杨氏模量的方法。多光束激光外差测量距离的装置由Htl固体激光器、平面反射镜、四分之一波片、振镜、振镜驱动电源、偏振分束镜、会聚透镜、薄玻璃板、光电探测器和信号处理系统组成，振镜驱动电源用于驱动振镜振动；薄玻璃板位置固定，该薄玻璃板的一侧距离d处设置一块平面反射镜，所述薄玻璃板与平面反射镜的反射面相对、且相互平行，H0固体激光器、四分之一波片、振镜、偏振分束镜、会聚透镜、光电探测器均位于薄玻璃板的下方，所述Htl固体激光器发射激光束至偏振分束镜的前表面，经该偏振分束镜的反射光束经四分之一波片透射之后发射到振镜的入射面，经振镜反射后的反射光束再次经四分之一波片透射之后发射至偏振分束镜，经该偏振分束镜透射之后入射至薄玻璃板，该透射光束在该薄玻璃板的入射面的入射角θ。小于90且大于等于0度；该透射光经该薄玻璃板形成反射光束和透射光束， 所述透光束经平面反射镜折射的折射光束再次经薄玻璃板透射之后入射至会聚透镜，所述反射光束也入射至会聚透镜，会聚透镜将入射光束聚焦至光电探测器的光敏面上，光电探测器输出电信号给信号处理系统。采用上述多光束激光外差测量距离的装置实现测量杨氏模量的方法的过程为步骤一、把一根长L，平均直径为r的待测金属丝悬挂于固定支架上，下端与砝码固定连接，在该砝码其自身重力作用下，该砝码对待测钢丝施加拉力F以使该钢丝产生内部应力；所述砝码的底部与平面反射镜的底面固定连接，然后打开激光器；步骤二、信号处理系统采集光电探测器输出的信号，并获得距离参数，当平面反射镜处于静止状态时，记录该距离参数；步骤三、增加砝码的质量m，信号处理系统再次采集光电探测器输出的信号，并获得距离参数，当平面反射镜处于静止状态时，记录该距离参数，步骤四、根据步骤二和三获得的两个距离参数，获得薄玻璃板和平面反射镜之间距离的变化量Δ(1，该距离变化量Ad即为待测金属丝在质量m的作用下的相对形变AL;根据胡克定律，获得待测金属丝的杨氏模量为
权利要求
1.多光束激光外差测量距离的装置，其特征在于，它由HO固体激光器(3)、平面反射镜 (12)、四分之一波片(5)、振镜(6)、振镜驱动电源、偏振分束镜0)、会聚透镜(10)、薄玻璃板(11)、光电探测器(7)和信号处理系统组成，振镜驱动电源用于驱动振镜(6)振动；薄玻璃板(11)位置固定，该薄玻璃板(11)的一侧距离d处设置一块平面反射镜(12)，所述薄玻璃板(11)与平面反射镜(1 的反射面相对、且相互平行，HO固体激光器(3)、四分之一波片(5)、振镜(6)、偏振分束镜0)、会聚透镜(10)、光电探测器(7)均位于薄玻璃板(11) 的下方，所述HO固体激光器C3)发射激光束至偏振分束镜的前表面，经该偏振分束镜 (4)的反射光束经四分之一波片( 透射之后发射到振镜(6)的入射面，经振镜(6)反射后的反射光束再次经四分之一波片( 透射之后发射至偏振分束镜G)，经该偏振分束镜(4) 透射之后入射至薄玻璃板(11)，该透射光束在该薄玻璃板(11)的入射面的入射角Qtl小于 90且大于等于0度；该透射光经该薄玻璃板(11)形成反射光束和透射光束，所述透光束经平面反射镜(1 折射的折射光束再次经薄玻璃板(11)透射之后入射至会聚透镜(10)，所述反射光束也入射至会聚透镜(10)，会聚透镜(10)将入射光束聚焦至光电探测器(7)的光敏面上，光电探测器(7)输出电信号给信号处理系统。
2.根据权利要求1所述的多光束激光外差测量距离的装置，其特征在于，所述的距离 d ^ 20mmo
3.根据权利要求1所述的多光束激光外差测量距离的装置，其特征在于，所述信号处理系统由滤波器(9)、前置放大器(8)、A/D转换器和DSP控制器组成，滤波器(9)将光电探测器(7)输出的信号进行滤波之后发送给前置放大器(8)，该前置放大器(8)将接收到的信号放大之后发送给A/D转换器，A/D转换器将接收到的模拟信号转换成数字信号发送给DSP 控制器，该DSP控制器中固化有FFT算法，DSP控制器根据接收到的信号解调后获得平面反射镜(12)和薄玻璃板(11)之间的距离。
4.根据权利要求1所述的多光束激光外差测量距离的装置，其特征在于，所述HO固体激光器C3)发射出的激光束的光场为E(t) = E0exp (i ω0 ),参数i表示虚数表示常数；Qci表示激光的初始角频率。
5.根据权利要求1所述的多光束激光外差测量距离的装置，其特征在于，所述振镜(6) 为多普勒振镜(6)，该振镜(6)的振动方程为x(t) = a(t2/2),t e ^)，0.5]，取值间隔为0.0018^(0表示振镜(6)的振动幅度；参数a表示振镜的振动加速度，通常取值范围是IO6 107m/s2 ；该振镜(6)的速度方程ν (t) = at ο
6.采用多光束激光外差测量距离的装置实现测量杨氏模量的方法，其特征在于，该方法的过程为步骤一、把一根长L，平均直径为r的待测金属丝悬挂于固定支架上，下端与砝码固定连接，在该砝码其自身重力作用下，该砝码对待测钢丝施加拉力F以使该钢丝产生内部应力；所述砝码的底部与平面反射镜(1 的底面固定连接，然后打开激光器；步骤二、信号处理系统采集光电探测器(7)输出的信号，并获得距离参数，当平面反射镜(12)处于静止状态时，记录该距离参数；步骤三、增加砝码的质量m，信号处理系统再次采集光电探测器(7)输出的信号，并获得距离参数，当平面反射镜(12)处于静止状态时，记录该距离参数，步骤四、根据步骤二和三获得的两个距离参数，获得薄玻璃板(11)和平面反射镜(12) 之间距离的变化量Ad，该距离变化量Ad即为待测金属丝在质量m的作用下的相对形变 AL；根据胡克定律，获得待测金属丝的杨氏模量为
7.根据权利要求6所述的测量杨氏模量的方法，其特征在于，步骤二和步骤三中所述的获得距离参数的过程为在振镜(6)的运动作用下，经振镜(6)反射的反射光束的频率变为
8.根据权利要求6所述的测量杨氏模量的方法，其特征在于，nmg在待测金属丝的弹性限度内。
9.根据权利要求6所述的测量杨氏模量的方法，其特征在于，在所述步骤二和三中，每次测量均是同时获得的多个参数，然后将同时获得的多个参数经加权平均处理后获得的距离参数作为本次的测量结果。
10.根据权利要求6所述的测量杨氏模量的方法，其特征在于，薄玻璃板(11)和平面反射镜(1 之间的距离d选择20mm。
全文摘要
多光束激光外差测量距离的装置及采用该装置测量杨氏模量的方法，涉及测试技术领域。本发明解决现有传统的外差干涉法存在的只能够得到单一的待测参数值的问题。本发明是基于激光外差技术和多普勒效应实现的，所述装置通过在光路中引入振镜，使不同时刻入射的光信号附加了一个光频，这样经过薄玻璃板的反射光和平面反射镜多次反射的光在满足干涉的条件下，产生多光束外差干涉信号，从而将待测信息成功地调制在中频外差信号的频率差中。所述方法在频域同时得到了包含金属长度变化量的信息的多个频率值，信号解调后得到多个长度变化量，通过加权平均可以得到精确的样品长度随温度的变化量。以碳钢丝为例进行仿真实验，杨氏模量测量的相对误差仅为0.3％。
文档编号G01N3/14GK102176022SQ20111002998
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者曲杨, 李彦超, 王春晖, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学