线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法

摘要

线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的装置及方法，属于光学领域，本发明为解决采用直接测量法来测量金属线胀系数，存在误差大、测量精度低的问题。本发明包括线性调频激光器、薄玻璃板、第一平面反射镜、待测金属线、电热炉、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；线性偏振光以入射角θ0斜透射薄玻璃板后，再入射至第一平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板透射之后的光束和薄玻璃板前表面的反射光一起汇聚至光电探测器的光敏面上，信号处理系统处理数据获取金属线温度变化前后薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离变化量，进而获取待测金属线的膨胀系数。

主权项

线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的方法，它是基于线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数装置实现的，所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数装置包括线性调频激光器(1)、薄玻璃板(3)、第一平面反射镜(4)、待测金属线(5)、电热炉(6)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统；第一平面反射镜(4)的非反射面中心与待测金属线(5)的一端固定连接，待测金属线(5)与第一平面反射镜(4)垂直，待测金属线(5)的整体位于电热炉(6)内；薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)平行、等高；薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)之间的距离d为20mm～30mm；线性调频激光器(1)发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)，经该薄玻璃板(3)透射之后的光束入射至第一平面反射镜(4)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间反复反射和透射多次，获得多束经薄玻璃板(3)透射之后的光束和薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通过会聚透镜(8)汇聚至光电探测器(9)的光敏面上，所述光电探测器(9)输出电信号给信号处理系统；信号处理系统处理数据获取金属线5温度变化前后薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离变化量△D，进而获取待测金属线(5)的膨胀系数α；所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数装置还包括第二平面反射镜(2)；线性调频激光器(1)发出的线性偏振光经第二平面反射镜(2)反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)；所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数装置还包括温控仪(7)和温度采集装置，所述电热炉(6)的温控信号输入端与温控仪(7)的温控信号输出端连接；温度采集装置采集待测金属线(5)的温度，所述温度采集装置的温度信号输出端与温控仪(7)的温度信号输入端连接；所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量金属线膨胀系数的方法包括以下步骤：步骤一、温控仪(7)控制电热炉(6)将待测金属线(5)加热至温度T₁，保持5～10分钟，打开线性调频激光器(1)，由信号处理系统处理相关数据测量出薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离D₁；步骤二、温控仪(7)控制电热炉(6)将待测金属线(5)加热至温度T₂，保持5～10分钟，在温度改变的过程中，待测金属线(5)伸缩同步带动第一平面反射镜(4)移动，由信号处理系统处理相关数据测量出在温度T₂时薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离D₂；步骤三、根据公式获取待测金属线(5)的膨胀系数α；公式中：△l为待测金属线(5)在温度从T₁变至T₂的长度变化量；且△l＝△D＝|D₁‑D₂|；△D为温度从T₁变至T₂后薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间距离变化量；l₀为待测金属线(5)的在温度T₁的长度；△T为温度变化量，且△T＝|T₁‑T₂|；其特征在于，温度T₁时的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离D₁和温度T₂时的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离D₂的获取方法是相同的，以下将D₁和D₂统称为d，则薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d的获取方法包括以下步骤：步骤1、线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光以θ₀角入射至薄玻璃板(3)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)汇聚至光电探测器(9)的光敏面上；步骤2、获取入射至光电探测器(9)的光束的总光场E_Σ(t)：E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)_，m为大于或等于2的正整数；其中：E₁(t)为光束经薄玻璃板(3)前表面反射后的反射光场，且按公式$E_1\left(t\right)={\alpha }_1{E}_0\exp \left\{i\right[{\omega }_0(t-\frac{l}{c})+k{(t-\frac{l}{c})}^2\left]\right\}$获取；上式中：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；E₂(t),...,E_m(t)为在薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间多次反射后获得多束反射光的反射光场：$\left\{\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)={\alpha }_2{E}_0\exp \left\{i\right[{\omega }_0(t-\frac{l+2nd\cos \theta }{c})+k{(t-\frac{l+2nd\cos \theta }{c})}^2+\frac{2{\omega }_{0}nd\cos \theta }{c}\left]\right\}\\ E_3\left(t\right)={\alpha }_3{E}_0\exp \left\{i\right[{\omega }_0(t-\frac{l+4nd\cos \theta }{c})+k{(t-\frac{l+4nd\cos \theta }{c})}^2+\frac{4{\omega }_{0}nd\cos \theta }{c}\left]\right\}\\ \mathrm{...}\\ E_m\left(t\right)={\alpha }_m{E}_0\exp \left\{i\right[{\omega }_0(t-\frac{l+2(m-1)nd\cos \theta }{c})+k{(t-\frac{l+2(m-1)nd\cos \theta }{c})}^2+\frac{2{\omega }_0(m-1)nd\cos \theta }{c}\left]\right\}\end{array}\right.$其中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝β²γ'，α₃＝β²(γ')²γ，α_m＝β²(γ')^m‑1γ^m‑2；式中的β为薄玻璃板(3)的透射率，γ'为第一平面反射镜(4)的反射率，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)和第一平面反射镜(4)之间介质的折射率，n＝1，l为到达薄玻璃板(3)的光程；步骤3、光电探测器(9)的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：$I=\frac{\eta e}{h\nu }\frac{1}{Z}\underset{D}{\int \int }\frac{1}{2}[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+...+E_m\left(t\right)]{[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+...+E_m\left(t\right)]}^{*}ds$其中：e为电子电量，Z为光电探测器(9)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器(9)光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；步骤4、光电探测器(9)输出的光电流由滤波器(10)滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器(11)和A/D转换电路(12)后送入DSP微处理器(13)进行处理；步骤5、DSP微处理器(13)对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波法进行处理，在薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间多次反射并从薄玻璃板(3)透射出来的光束中，只取第p‑1次和第p+1次透射出的光与薄玻璃板(3)直接反射的光进行混频，则中频电流I_IF处理为：$I_{IF}=\frac{\eta e}{h\nu }\frac{\pi }{Z}{E}_0^2\underset{p=2}{\overset{m-2}{\Sigma }}{\alpha }_{p+2}{\alpha }_p\cos (\frac{8knd\cos \theta }{c}t-\frac{8knd\cos \theta (l+nd\cos \theta )}{c^2});$其中，p＝2,3,...,m‑2；步骤6、对步骤5获取的中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；根据中频电流I_IF公式可以获知，外差信号的频率f记为：则可获取薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d。