一种高精度测量金属线膨胀系数的装置与方法，其方法利用ＰＺＴ振镜系统对不同时刻入射光进行频率调制，可以将待测参数信息不仅被调制在相位差上，而且也被调制在频率差中，便于后期信号处理；其装置是由干涉系统、高速ＰＺＴ振镜系统、加热系统和信号处理系统构成。本发明专利技术与其他测量方法相比多光束激光外差测量法测金属线膨胀系数具有高的空间和时间分辨率、测量精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大等优点，同时兼具实验装置结构简单、功耗小、操作方便、重复性好；实验结果误差小、精确度高等多方面优势。由于实验现象明显，实验数据可靠，因此可以在工程设计等领域广泛使用，在激光超精密测量领域具有很高的实用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，特别是一种多光束激光外差高精度测量金属线膨胀系数的装置与方法。
技术介绍
在日常生活与实际生产中，通常将固体受热后在一维方向上长度的变化称为线膨 胀。在相同条件下，不同材料的固体，其线膨胀程度一般是不同的。线胀系数作为材料膨胀 属性的一种表征，其测量不仅是物理实验教学的一个重要内容，而且在道路、桥梁、建筑、精 密仪器、仪表等设计及材料的焊接、加工等各种领域都有十分广泛的应用。目前，对金属线 膨胀系数的测定有光杠杆法、读数显微镜法、电热法和激光干涉法等测量方法。在用这些方法测量的过程中，由于需要直接测量的参数过多，操作较复杂，以至于 实验的系统误差与偶然误差偏大，例如，用光杠杆法测金属线膨胀系数时，由于近似公式的 采用与复杂的操作使其系统误差偏大，同时，由于读数装置配备不合理引入的偶然误差也 较大，以至于其相对误差达4. 4% ；读数显微镜法由于视觉引起的偶然误差和电热法实际温 度与传感器的延迟引起的系统误差等都极大的限制了其测量精度；激光干涉法由于该装置 的干涉条纹锐细、分辨率高，同时实验操作简单，从而大大减小了实验误差，实现了金属线 膨胀系数的精确测量，测量的相对误差可为2%，但是这种方法在读取干涉条纹数时存在视 觉引起的偶然误差，导致精度无法再提高。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务是提供一种多光束激光外差高精度测量金属线膨胀系数的装 置与方法，可以实现对金属线膨胀系数进行高精度实时的在线测量。一方面，一种高精度测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于该高精度测量金 属线膨胀系数的装置包括干涉系统、高速PZT振镜系统、加热系统和信号处理系统。所述 干涉系统包括Htl固体激光器、平面反射镜3、四分之一波片、振镜、平面反射镜1、偏振分光 镜BS1、薄透镜、平面反射镜2。所述高速PZT振镜系统包括驱动电源、PZT晶体和平面反 射镜，其特征在于=PZT晶体与平面反射镜沿振动方向相互交合，且PZT晶体在驱动电源作 用下带动与其相互胶合的反射镜一起做高速简谐振动。所述H。固体激光器为线偏振激光 光源，波长λ = 2050nm，其特征在于此激光对人眼安全。所述加热系统包括数显温度控 制仪、测温探头以及给待测金属杆加热的电热炉组成，温度控制仪的控温精度为0. 001°。 所述信号处理系统包括光电探测器、前置放大器、A/D转换器和DSP。打开的电炉加热带 有平面反射镜2的金属棒到一定温度，温度值可以通过温度控制仪观察，此时金属棒长度 会发生变化，2050nm H0固体激光器发射的S偏振光被平面反射镜3反射，反射的S偏振光 垂直入射到偏振分光镜BSl上，并被偏振分光棱镜反射，此反射S偏振光经过四分之一波 片后垂直入射到随PZT晶体一起做高速简谐振动的平面反射镜1上，被平面反射镜1反射 S偏振光又经过四分之一波片后变成P偏振光，P偏振光透过偏振分光镜BSl后入射到薄透镜表面，经薄透镜和平面反射镜2的表面反射的P偏振光正入射到光电探测器的光敏面 上，光电探测器把光信号转变成电信号，电信号被前置放大器放大，而被放大的电信号经A/ D转换器将模拟信号转换成数字信号，此数字信号被DSP高速信号处理器进行实时采集、 处理后送到计算机，经过数据处理后得到金属棒长度的变化量等信息。在高精度测量金属 线膨胀系数装置的基础上，基于激光外差测量技术和激光多普勒技术，提出了一种非接触 式多光束激光外差测量金属线膨胀系数的方法，得到了光电探测器输出中频电流的谐波表达式<formula>formula see original document page 4</formula>。同时得到了 斜入射时多光束激光外差信号频谱第一个主峰的中心频率和正入射时理论曲线的中心频率的比值ζ = cos θ，通过这个比值可以精确计算出激光入射角的大小。当多普勒振镜振动方程为x(t) =k(t2/2)时，取k = 4X106m/s2，模拟测量了长150mm，直径为Φ18. OOmm的黄铜金属棒材 料线膨胀系数，测量结果误差仅为0. 4%。上述高精度测量玻璃厚度的装置中，所述薄透镜和光电探测器之间设有会聚透 镜，用来将薄透镜和平面反射镜2表面反射的P偏振光会聚到位于焦点处的光电探测器的 光敏面上。上述高精度测量玻璃厚度的装置中，所述会聚透镜由透明的高透过率材料制成。上述高精度测量玻璃厚度的装置中，会聚透镜的两个表面都镀有增加激光透射效 率的增透膜。上述高精度测量玻璃厚度的装置中，所述激光光源和所述偏振分光镜BSl之间设 有2050nm单模光纤准直器。上述高精度测量玻璃厚度的装置中，所述的2050nm单模光纤准直器用于将所述 2050nm H。固体激光器发射的激光准直扩束输出。。本专利技术将PZT振镜系统巧妙地引入了高精度测量玻璃厚度的装置中，提出了一种 利用激光外差技术与激光多普勒技术相结合的方法来实现精确测量的思想。当激光束斜入射到待测玻璃样品前后表面时，经前后表面反射的光满足相干条件 发生混频干涉，待测玻璃样品的厚度信息即被加载在干涉后的混合光场中。但由于前后表 面的反射光场频率未发生变化，厚度信息只调制在相位的变化上，是不宜被探测、解调的， 采取上述技术方案，可以将待测参数信息不仅被调制在相位差上，而且也被调制在频率差 中，便于后期信号处理，成功地弥补上述缺陷，这种方法在测量金属线膨胀系数是可行和可 靠的。同时，与其他测量方法相比多光束激光外差测量法测金属线膨胀系数具有高的空间 和时间分辨率、测量精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大等优点，同时兼具实验装置 结构简单、功耗小、操作方便、重复性好；实验结果误差小、精确度高等多方面优势。由于实 验现象明显，实验数据可靠，因此可以在工程设计等领域广泛使用，在激光超精密测量领域 具有很高的实用价值。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施例，其中图1是多光束激光干涉原理示意图；图2是多光束激光外差测量金属线膨胀系数结构示意图3是15°C情况下多光束激光外差信号的傅里叶变换频谱图；图4是不同温度情况下金属棒长度变化量测量对应的频谱；图5是2050nm H0固体激光器准直输出结构示意图；图6是平面反射镜结构示意图；图7是偏振分光镜结构示意图；图8是高速PZT振镜系统结构示意图。具体实施例方式假设温度为T1时金属的长度为I1,温度为T2时金属的长度为12，当温度变化范围 不大时，金属的伸长量Δ1(Δ1 = I2-I1)与温度变化量ΔΤ(ΔΤ = T2-T1)及金属的原长I0 成正比，即<formula>formula see original document page 5</formula>(1)式中，α即为金属的线胀系数。于是可得<formula>formula see original document page 5</formula>因此，只要测出T1, T2间隔内金属棒长度的变化量Δ 1即可求出金属的线胀系数。基于多光束激光外差测量金属线膨胀系数的装置，由于光束在薄透镜和平面反射 镜之间会如图1所示不断地反射和折射，而这种反射和折射对于反射光和透射光在无穷远 处或透镜焦平面上的干涉都有贡献，所以在讨论干涉现象时，必须考本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高精度测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于：该高精度测量金属线膨胀系数的装置包括干涉系统、高速ＰＺＴ振镜系统、加热系统和信号处理系统。所述干涉系统包括Ｈ０固体激光器、平面反射镜３、四分之一波片、振镜、平面反射镜１、偏振分光镜ＢＳ１、薄透镜、平面反射镜２。所述高速ＰＺＴ振镜系统包括驱动电源、ＰＺＴ晶体和平面反射镜，其特征在于：ＰＺＴ晶体与平面反射镜沿振动方向相互交合，且ＰＺＴ晶体在驱动电源作用下带动与其相互胶合的反射镜一起做高速简谐振动。所述Ｈ↓［ｏ］固体激光器为线偏振激光光源，波长λ＝２０５０ｎｍ，其特征在于：此激光对人眼安全。所述加热系统包括数显温度控制仪、测温探头以及给待测金属杆加热的电热炉组成，温度控制仪的控温精度为０．００１°。所述信号处理系统包括光电探测器、前置放大器、Ａ／Ｄ转换器和ＤＳＰ。打开的电炉加热带有平面反射镜２的金属棒到一定温度，温度值可以通过温度控制仪观察，此时金属棒长度会发生变化，２０５０ｎｍＨ↓［ｏ］固体激光器发射的Ｓ偏振光被平面反射镜３反射，反射的Ｓ偏振光垂直入射到偏振分光镜ＢＳ１上，并被偏振分光棱镜反射，此反射Ｓ偏振光经过四分之一波片后垂直入射到随ＰＺＴ晶体一起做高速简谐振动的平面反射镜１上，被平面反射镜１反射Ｓ偏振光又经过四分之一波片后变成Ｐ偏振光，Ｐ偏振光透过偏振分光镜ＢＳ１后入射到薄透镜表面，经薄透镜和平面反射镜２的表面反射的Ｐ偏振光正入射到光电探测器的光敏面上，光电探测器把光信号转变成电信号，电信号被前置放大器放大，而被放大的电信号经Ａ／Ｄ转换器将模拟信号转换成数字信号，此数字信号被ＤＳＰ高速信号处理器进行实时采集、处理后送到计算机，经过数据处理后得到金属棒长度的变化量等信息。在高精度测量金属线膨胀系数装置的基础上，基于激光外差测量技术和激光多普勒技术，提出了一种非接触式多光束激光外差测量金属线膨胀系数的方法，得到了光电探测器输出中频电流的谐波表达式Ｉ↓［ｉｆ］＝ηｅ／ｈｖπ／Ｚ＊＊α↓［ｊ］α↓［ｊ＋ｐ］Ｅ↓［０］↑［２］ｃｏｓ［（４ω↓［０］ｋｎｐｄｃｏｓθ／ｃ↑［２］）ｔ－ω↓［０］（２ｎｐｄｃｏｓθ）／ｃ］。同时得到了斜入射时多光束激光外差信号频谱第一个主峰的中心频率和正入射时理论曲线的中心频率的比值ζ＝ｃｏｓθ，通过这个比值可以精确计算出激光入射角的大小。当多普勒振镜振动方程为ｘ（ｔ）＝ｋ（ｔ↑［２］／２）时，取ｋ＝４×１０↑［６］ｍ／ｓ↑［２］，模拟测量了长...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王春晖，李彦超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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