專利名稱：多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法，屬于微位移檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鐵磁質(zhì)的磁疇在外磁場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)材料的磁性有重要的影響，特別是對(duì)起始磁導(dǎo)率，矯頑力等，而且所述磁致伸縮效應(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)等方面有重要的應(yīng)用。利用材料在交變磁場(chǎng)作用下長(zhǎng)度的變化，可制成超聲波發(fā)生器和接收器通過(guò)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(chǎng)的條件下，不同的磁性物質(zhì)磁致伸縮的長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)度相對(duì)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(jí)，因此需采用一些高精度的方法加以測(cè)量。磁致伸縮系數(shù)的測(cè)定歸結(jié)為微長(zhǎng)度(位移)變化的測(cè)量。目前測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的方法主要有非平衡電橋測(cè)量法、差動(dòng)變電容測(cè)法、光杠桿、應(yīng)變電阻片測(cè)量法和光學(xué)干涉法等。但是這些方法都存在各自的缺點(diǎn)，因此測(cè)量精度無(wú)法在提高。而在光學(xué)測(cè)量法中，激光外差測(cè)量技術(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)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(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)而備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測(cè)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(cè)量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測(cè)及測(cè)量?jī)x器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測(cè)量、檢測(cè)、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。但是現(xiàn)有的激光外差測(cè)量技術(shù)在測(cè)量磁致伸縮系數(shù)存在的采集激光差頻信號(hào)質(zhì)量較低，信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的激光外差測(cè)量技術(shù)在測(cè)量磁致伸縮系數(shù)存在的采集激光差頻信號(hào)質(zhì)量較低，信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢的問(wèn)題，而提出的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法。一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，該裝置由第一固定棒、第二固定棒、激勵(lì)線圈、待測(cè)鐵鎳合金樣品、直流穩(wěn)壓電源、平面反射鏡、不計(jì)厚度薄玻璃板、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(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)組成，
直流穩(wěn)壓電源用于給激勵(lì)線圈提供工作電源，待測(cè)鐵鎳合金樣品居中放置在激勵(lì)線圈內(nèi)，待測(cè)鐵鎳合金樣品的一端固定連接第一固定棒的一端，該第一固定棒的另一端固定設(shè)置，待測(cè)鐵鎳合金樣品的另一端固定連接第二固定棒的一端，該第二固定棒的另一端粘接平面反射鏡的非反射面，平面反射鏡的反射面與待測(cè)鐵鎳合金樣品的軸線垂直；第一固定棒和第二固定棒大小相同，并且兩根固定棒、待測(cè)鐵鎳合金樣品和激勵(lì)線圈同軸設(shè)置； 在平面反射鏡的反射面一側(cè)距離d處，與該平面反射鏡平行設(shè)置有不計(jì)厚度薄玻璃板；Htl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不計(jì)厚度薄玻璃板，經(jīng)該不計(jì)厚度薄玻璃板透射之后的光束入射至平面反射鏡的反射面，經(jīng)該平面反射鏡反射后的光束再次經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板透射獲得透射光，該透射光與經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板的光入射面反射后的光束均通過(guò)會(huì)聚透鏡匯聚至光電探測(cè)器的光敏面上，所述光電探測(cè)器輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)。采用上述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置實(shí)現(xiàn)多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的方法，該方法的過(guò)程為首先，將鐵鎳合金樣品進(jìn)行交流退磁，利用二維調(diào)整架調(diào)節(jié)平面反射鏡和不計(jì)厚度薄玻璃板的位置，使平面反射鏡和不計(jì)厚度薄玻璃板相互平行、等高，并使不計(jì)厚度薄玻璃板與平面反射鏡的反射面之間的距離d為20mm ；然后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源，使其輸出電流最小，并打開(kāi)振鏡的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡開(kāi)始做簡(jiǎn)諧振動(dòng)；同時(shí)，打開(kāi)Htl固體激光器，最后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出電流，使其輸出電流I單調(diào)上升，在此過(guò)程中，信號(hào)處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得平面反射鏡和不計(jì)厚度薄玻璃板之間的距離變化量，根據(jù)該距離變化量獲得待測(cè)鐵鎳合金樣品的磁致伸縮系數(shù)α = Δ 1/1，式中，ΔΙ/為待測(cè)鐵鎳合金樣品在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度變化量，即為平面反射鏡和不計(jì)厚度薄玻璃板之間的距離變化量，1為待測(cè)鐵鎳合金樣品的原始長(zhǎng)度。本發(fā)明所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法不但具有激光外差測(cè)量技術(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)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(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，還具備采集激光差頻信號(hào)質(zhì)量高，信號(hào)處理的運(yùn)算速度快的突出優(yōu)點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于超精密測(cè)量、檢測(cè)、 加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。為了能夠采集到較好的激光差頻信號(hào)和提高信號(hào)處理的運(yùn)算速度，本文基于激光外差技術(shù)，提出了一種高精度精度多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的方法，即利用振鏡10的多普勒效應(yīng)對(duì)不同時(shí)刻的入射光進(jìn)行正弦調(diào)制，將待測(cè)參數(shù)信息調(diào)制到激光外差信號(hào)的二次諧波中，通過(guò)對(duì)激光外差信號(hào)二次諧波的解調(diào)可以精確獲得待測(cè)參數(shù)信肩、O本發(fā)明通過(guò)在光路中引入振鏡10，使不同時(shí)刻入射的光信號(hào)附加了一個(gè)光頻，這樣經(jīng)過(guò)不計(jì)厚度薄玻璃板6的反射光和平面反射鏡5多次反射的光在滿足干涉的條件下， 產(chǎn)生多光束外差干涉信號(hào)，從而將待測(cè)信息成功地調(diào)制在中頻外差二次諧波信號(hào)的頻率差中。在測(cè)量樣品磁致伸縮系數(shù)過(guò)程中，此方法在頻域得到了包含金屬長(zhǎng)度變化量的信息的頻率值，信號(hào)解調(diào)后得到長(zhǎng)度變化量，通過(guò)多次測(cè)量加權(quán)平均可以得到精確的樣品長(zhǎng)度隨電流的變化量。以鐵鎳合金為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，磁致伸縮系數(shù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于0. 8%，顯著提高了測(cè)量精度。


圖1為本發(fā)明所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為平面反射鏡和薄玻璃板之間的多光束激光干涉原理圖；圖3為多光束激光外差二次諧波信號(hào)的傅里葉變換頻譜圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，該裝置由第一固定棒1-1、第二固定棒1-2、激勵(lì)線圈2、待測(cè)鐵鎳合金樣品3、直流穩(wěn)壓電源4、平面反射鏡5、不計(jì)厚度薄玻璃板6、偏振分束鏡PBS7、HO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(cè)器12和信號(hào)處理系統(tǒng)13組成，直流穩(wěn)壓電源4用于給激勵(lì)線圈2提供工作電源，待測(cè)鐵鎳合金樣品3居中放置在激勵(lì)線圈2內(nèi)，待測(cè)鐵鎳合金樣品3的一端固定連接第一固定棒1-1的一端，該第一固定棒1-1的另一端固定設(shè)置，待測(cè)鐵鎳合金樣品3的另一端固定連接第二固定棒1-2的一端， 該第二固定棒1-2的另一端粘接平面反射鏡5的非反射面，平面反射鏡5的反射面與待測(cè)鐵鎳合金樣品3的軸線垂直；第一固定棒1-1和第二固定棒1-2大小相同，并且兩根固定棒、待測(cè)鐵鎳合金樣品3和激勵(lì)線圈2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5平行設(shè)置有不計(jì)厚度薄玻璃板6 ；HO固體激光器8發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS7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PBS7，經(jīng)該偏振分束鏡PBS7透射后的光束入射至不計(jì)厚度薄玻璃板6，經(jīng)該不計(jì)厚度薄玻璃板6透射之后的光束入射至平面反射鏡5 的反射面，經(jīng)該平面反射鏡5反射后的光束再次經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板6透射獲得透射光，該透射光與經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板6的光入射面反射后的光束均通過(guò)會(huì)聚透鏡11匯聚至光電探測(cè)器12的光敏面上，所述光電探測(cè)器12輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)13。本實(shí)施方式中待測(cè)鐵鎳合金樣品3在激勵(lì)線圈2的磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生軸向形變。本實(shí)施方式中的振鏡10在驅(qū)動(dòng)電源的作用下做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，采用振鏡10可以對(duì)不同時(shí)刻入射到振鏡10表面的激光頻率進(jìn)行正弦調(diào)制。第二固定棒1-2的一端與平面反射鏡5的非反射面粘接，可保證第二固定棒1-2 的自由移動(dòng)，平面反射鏡5和不計(jì)厚度薄玻璃板6可采用二維調(diào)整架進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。本實(shí)施方式中的距離d可以根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)置。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說(shuō)明，所述距離d為20mm。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步說(shuō)明，所述第一固定棒1-1和第二固定棒1-2的兩個(gè)端面均粘固有非磁性材料。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說(shuō)明，所述第一固定棒1-1的另一端固定設(shè)置為第一固定棒1-1的另一端固定在工作臺(tái)上或固定件上。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一至四的進(jìn)一步說(shuō)明，所述振鏡10為多普勒振鏡，其簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程和速度方程分別是x(t) = X0COS (ωct)和v(t) = -co。X(|Sin(co。t)，式中^為多普勒振鏡振動(dòng)的振幅，ω。為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時(shí)間。
具體實(shí)施方式
六下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一至五的進(jìn)一步說(shuō)明，所述信號(hào)處理系統(tǒng)13由帶通濾波器13-1、前置放大器13-2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D13-3和數(shù)字信號(hào)處理器DSP13-4組成，所述帶通濾波器13-1對(duì)接收到的光電探測(cè)器12輸出的電信號(hào)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13-2放大之后的信號(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D13-3，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D13-3將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP13-4。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的方法，所述方法的過(guò)程為首先，將鐵鎳合金樣品進(jìn)行交流退磁，利用二維調(diào)整架調(diào)節(jié)平面反射鏡5和不計(jì)厚度薄玻璃板6的位置，使平面反射鏡5和不計(jì)厚度薄玻璃板6相互平行、等高，并使不計(jì)厚度薄玻璃板6與平面反射鏡5的反射面之間的距離d為20mm ；然后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源4，使其輸出電流最小，并打開(kāi)振鏡10的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡 10開(kāi)始做簡(jiǎn)諧振動(dòng)；同時(shí)，打開(kāi)HO固體激光器8，最后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源4的輸出電流，使其輸出電流I單調(diào)上升，在此過(guò)程中，信號(hào)處理系統(tǒng)13連續(xù)采集光電探測(cè)器12輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得平面反射鏡5和不計(jì)厚度薄玻璃板6之間的距離變化量，根據(jù)該距離變化量獲得待測(cè)鐵鎳合金樣品3的磁致伸縮系數(shù)α = Δ 1/1，式中，Δ 1/為待測(cè)鐵鎳合金樣品3在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度變化量，即為平面反射鏡5和不計(jì)厚度薄玻璃板6之間的距離變化量，1為待測(cè)鐵鎳合金樣品3的原始長(zhǎng)度。
具體實(shí)施方式
八結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
七不同點(diǎn)在于對(duì)所述信號(hào)處理系統(tǒng)13連續(xù)采集光電探測(cè)器12輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得平面反射鏡5和不計(jì)厚度薄玻璃板6之間的距離變化量的過(guò)程為線偏振光依次經(jīng)過(guò)偏振分束鏡PBS7和四分之一波片9后照射到振鏡10前表面上，不同時(shí)刻被振鏡10調(diào)制的反射光又經(jīng)過(guò)四分之一波片9后透過(guò)偏振分束鏡PBS7斜入射到不計(jì)厚度薄玻璃板6上，經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板6透射的光被平面反射鏡5反射后與經(jīng)過(guò)不計(jì)厚度薄玻璃板6前表面反射的光一起被會(huì)聚透鏡11會(huì)聚到光電探測(cè)器12光敏面上，最后經(jīng)光電探測(cè)器12光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器13-2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D13-3 和數(shù)字信號(hào)處理器DSP13-4后得到不同時(shí)刻待測(cè)的參數(shù)信息；如圖2所示，由于光束在不計(jì)厚度薄玻璃板6和平面反射鏡5之間會(huì)不斷地反射和透射，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透射效應(yīng)，即應(yīng)討論多光束激光干涉。由于激光在不計(jì)厚度薄玻璃板6前表面的反射光與平面反射鏡5反射k次和k+1 次后的透射出不計(jì)厚度薄玻璃板6前表面的光混頻，產(chǎn)生兩個(gè)幅度相差2 3個(gè)數(shù)量級(jí)的差頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，為了能夠采集到較好的激光差頻信號(hào)和提高信號(hào)處理的運(yùn)算速度，本申請(qǐng)所述處理過(guò)程中的二次諧頻差是由所檢測(cè)的&光與平面反射鏡證+2次反射后的Ek+2光混頻所產(chǎn)生的；當(dāng)激光以入射角Qtl斜入射不計(jì)厚度薄玻璃板6前表面時(shí)的入射光場(chǎng)為E(t) =EieXp(icoQt)，振鏡10的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程和速度方程分別是x(t) = X0Cos (ω ct)和v(t) = -ωεχ08 η(ωε )；由于振鏡10的運(yùn)動(dòng)，反射光的頻率變?chǔ)?= ω0(1-2 ω cx0sin (ω ct)/c), 式中參數(shù)Qci為激光角頻率，參數(shù)為振鏡10振動(dòng)的振幅，參數(shù)ω。為振鏡10的角頻率，c 為光速；則t-L/c時(shí)刻到達(dá)平面反射鏡5前表面的反射光場(chǎng)為E0 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-L/c)) /c)公式 1(t-L/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_L/c)) /c]}式中，參數(shù)α C1 = r，r為薄玻璃板(6)的反射系數(shù)；L為振鏡10到不計(jì)厚度薄玻璃板6前表面的光程屯為振幅常數(shù)；經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板6透射的光在不同時(shí)刻被平面反射鏡5后表面多次反射并多次透射出不計(jì)厚度薄玻璃板6的前表面，其透射光的表達(dá)式分別寫成如下形式E1Ct) = α ^!exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+2nd cos θ )/c))/c)(t- (L+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2ndcos θ )/c)) /c]}E2 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+4ndcos θ ) /c)) /c)(t- (L+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+4ndcos θ )/c)) /c]}E3 (t) = α gE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+6ndcos θ ) /c)) /c)(t- (L+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+6ndcos θ )/c)) /c]} 公式
權(quán)利要求
1.一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于該裝置由第一固定棒(1-1)、第二固定棒(1-2)、激勵(lì)線圈O)、待測(cè)鐵鎳合金樣品 (3)、直流穩(wěn)壓電源(4)、平面反射鏡( 、不計(jì)厚度薄玻璃板(6)、偏振分束鏡PBS(7)、H0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(cè)器(1 和信號(hào)處理系統(tǒng)(13)組成，直流穩(wěn)壓電源⑷用于給激勵(lì)線圈(2)提供工作電源，待測(cè)鐵鎳合金樣品⑶居中放置在激勵(lì)線圈O)內(nèi)，待測(cè)鐵鎳合金樣品C3)的一端固定連接第一固定棒(1-1)的一端，該第一固定棒(1-1)的另一端固定設(shè)置，待測(cè)鐵鎳合金樣品(3)的另一端固定連接第二固定棒(1-2)的一端，該第二固定棒(1-2)的另一端粘接平面反射鏡(5)的非反射面，平面反射鏡(5)的反射面與待測(cè)鐵鎳合金樣品(3)的軸線垂直；第一固定棒(1-1)和第二固定棒 (1-2)大小相同，并且兩根固定棒、待測(cè)鐵鎳合金樣品(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(5)平行設(shè)置有不計(jì)厚度薄玻璃板 (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不計(jì)厚度薄玻璃板(6)，經(jīng)該不計(jì)厚度薄玻璃板(6)透射之后的光束入射至平面反射鏡(5)的反射面，經(jīng)該平面反射鏡(5)反射后的光束再次經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板(6)透射獲得透射光，該透射光與經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板(6)的光入射面反射后的光束均通過(guò)會(huì)聚透鏡(11)匯聚至光電探測(cè)器(1 的光敏面上，所述光電探測(cè)器(12)輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于所述距離d為20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于所述第一固定棒(1-1)和第二固定棒(1-2)的兩個(gè)端面均粘固有非磁性材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于所述第一固定棒(1-1)的另一端固定設(shè)置為第一固定棒 (1-1)的另一端固定在工作臺(tái)上或固定件上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于所述振鏡(10)為多普勒振鏡，其簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程和速度方程分別是X (t) = X0COS (ω。t)禾π V (t) = - ω cx0sin (ω。t)，式中 為多普勒振鏡振動(dòng)的振幅， ω。為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)(13)由帶通濾波器(13-1)、前置放大器 (13-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D (13-3)和數(shù)字信號(hào)處理器DSP (13_4)組成，所述帶通濾波器(13-1)對(duì)接收到的光電探測(cè)器(1 輸出的電信號(hào)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(hào)輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/ D (13-3)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D (13-3)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP (13-4)。
7.采用權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置實(shí)現(xiàn)多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于該方法的過(guò)程為首先，將鐵鎳合金樣品進(jìn)行交流退磁，利用二維調(diào)整架調(diào)節(jié)平面反射鏡( 和不計(jì)厚度薄玻璃板(6)的位置，使平面反射鏡( 和不計(jì)厚度薄玻璃板(6)相互平行、等高，并使不計(jì)厚度薄玻璃板(6)與平面反射鏡(5)的反射面之間的距離d為20mm ；然后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源G)，使其輸出電流最小，并打開(kāi)振鏡(10)的驅(qū)動(dòng)電源使振鏡 (10)開(kāi)始做簡(jiǎn)諧振動(dòng)；同時(shí)，打開(kāi)Htl固體激光器(8)，最后，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源(4)的輸出電流，使其輸出電流I單調(diào)上升，在此過(guò)程中，信號(hào)處理系統(tǒng)(1 連續(xù)采集光電探測(cè)器(1 輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得平面反射鏡( 和不計(jì)厚度薄玻璃板(6)之間的距離變化量，根據(jù)該距離變化量獲得待測(cè)鐵鎳合金樣品( 的磁致伸縮系數(shù) α = Δ 1/1，式中，ΔΙ/為待測(cè)鐵鎳合金樣品( 在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度變化量，即為平面反射鏡(5)和不計(jì)厚度薄玻璃板(6)之間的距離變化量，1為待測(cè)鐵鎳合金樣品( 的原始長(zhǎng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的方法，其特征在于對(duì)所述信號(hào)處理系統(tǒng)(13)連續(xù)采集光電探測(cè)器(12)輸出的電信號(hào)，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得平面反射鏡( 和不計(jì)厚度薄玻璃板(6)之間的距離變化量的過(guò)程為線偏振光依次經(jīng)過(guò)偏振分束鏡PBS (7)和四分之一波片(9)后照射到振鏡(10)前表面上，不同時(shí)刻被振鏡(10)調(diào)制的反射光又經(jīng)過(guò)四分之一波片(9)后透過(guò)偏振分束鏡PBS(7) 斜入射到不計(jì)厚度薄玻璃板(6)上，經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板(6)透射的光被平面反射鏡(5) 反射后與經(jīng)過(guò)不計(jì)厚度薄玻璃板(6)前表面反射的光一起被會(huì)聚透鏡(11)會(huì)聚到光電探測(cè)器(1 光敏面上，最后經(jīng)光電探測(cè)器(1 光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器(13-2)、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D (13- 和數(shù)字信號(hào)處理器DSP (13-4)后得到不同時(shí)刻待測(cè)的參數(shù)信息；由于激光在不計(jì)厚度薄玻璃板(6)前表面的反射光與平面反射鏡(5)反射k次和k+Ι次后的透射出不計(jì)厚度薄玻璃板(6)前表面的光混頻，產(chǎn)生兩個(gè)幅度相差2 3個(gè)數(shù)量級(jí)的差頻信號(hào)，所述處理過(guò)程中的二次諧頻差是由所檢測(cè)的&光與平面反射鏡(5)k+2次反射后的 Ek+2光混頻所產(chǎn)生的；當(dāng)激光以入射角θ ^斜入射不計(jì)厚度薄玻璃板(6)前表面時(shí)的入射光場(chǎng)為E(t)= lexp (i ω”，振鏡(10)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程和速度方程分別是x(t) = X0Cos (ωct)和v(t) =-ωεχ08 η(ωε )；由于振鏡(10)的運(yùn)動(dòng)，反射光的頻率變?chǔ)?= ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω ct) / c)，式中參數(shù)Qci為激光角頻率，參數(shù)為振鏡(10)振動(dòng)的振幅，參數(shù)ω。為振鏡(10)的角頻率，c為光速；則t-L/c時(shí)刻到達(dá)平面反射鏡(5)前表面的反射光場(chǎng)為 E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-L/c)) /c)公式1(t-L/c) + ω 0x0cos (ω c (t_L/c)) /c]}式中，參數(shù)= r，r為薄玻璃板(6)的反射系數(shù)；L為振鏡(10)到不計(jì)厚度薄玻璃板(6)前表面的光程屯為振幅常數(shù)；經(jīng)不計(jì)厚度薄玻璃板(6)透射的光在不同時(shí)刻被平面反射鏡( 后表面多次反射并多次透射出不計(jì)厚度薄玻璃板(6)的前表面，其透射光的表達(dá)式分別寫成如下形式
全文摘要
多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法，它涉及一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測(cè)量磁致伸縮系數(shù)的裝置及方法。它為了解決現(xiàn)有的激光外差測(cè)量技術(shù)在測(cè)量磁致伸縮系數(shù)存在的采集激光差頻信號(hào)質(zhì)量較差，信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢的問(wèn)題而提出。將待測(cè)樣品退磁，設(shè)置平面反射鏡和薄玻璃的位置，打開(kāi)H0固體激光器，信號(hào)處理系統(tǒng)連續(xù)采集所檢測(cè)的二次諧波信號(hào)并處理光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，得到平面反射鏡和不計(jì)厚度薄玻璃板之間的距離變化量，并獲得待測(cè)樣品的磁致伸縮系數(shù)它具有采集激光差頻信號(hào)質(zhì)量高，信號(hào)處理的運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于超精密測(cè)量、檢測(cè)、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102253001SQ20111014479
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)