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)本身在實際中的應(yīng)用也很廣泛，如磁致伸縮技術(shù)可以用于機械振動和超聲波換能器上，在激光雷達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，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，是目前超高精度測量方法之一。該方法具有高的空間和時間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強、動態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測量范圍大等優(yōu)點，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)壓電源用于給激勵線圈提供工作電源，使得該激勵線圈產(chǎn)生磁場，待測試件居中放置在激勵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刻入射到振鏡表面的激光進行頻率調(diào)制，其振動方程為 x(t) =a(t2/2)，其速度方程為v(t) = at，其中a為振動加速度，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)用于給激勵線圈(2)提供工作電源，使得該激勵線圈(2)產(chǎn)生磁場， 待測試件(3)居中放置在激勵線圈(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)用于對不同時刻入射到振鏡表面的激光進行頻率調(diào)制，其振動方程為X(t)= a(t2/2)，其速度方程為v(t) = at，其中a為振動加速度，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時刻到達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)后可以同時得到多個待測長度值，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)