专利名称：多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置及方法，属于微位移检测技术领域。
背景技术：
铁磁体的磁畴在外磁场作用下定向排列，引起介质中晶格间距的改变，致使铁磁体发生长度的变化的现象被称为磁致伸缩效应。由于这一现象由英国的物理学家焦耳于 1842年首先发现，因而也被称为焦耳效应。磁致伸缩效应不但对材料的磁性，特别是对材料的起始磁导率和矫顽力等有重要的影响，而且其效应本身在实际中的应用也很广泛，如磁致伸缩技术可以用于机械振动和超声波换能器上，在激光雷达等方面有重要的应用。利用铁磁体材料在交变磁场作用下长度的变化，可制成超声波发生器和接收器， 通过一些特别的转换装置，可以制成力、速度和加速度等传感器以及延迟线、滤波器等。在相同外磁场的条件下，不同的磁性物质磁致伸缩的长度变化是不同的，通常用磁致伸缩系数α (α = Δ 1/1)表征它形变的大小，其中Δ 1为磁性物质的长度变化量，1为磁性物质的原始长度。因此，准确测量磁性物材料的磁致伸缩系数α是非常重要的。由于磁致伸缩效应引起的材料长度相对变化很微小，一般铁磁材料的磁致伸缩系数只有10_5 10_6数量级，因此需采用一些高精度的方法加以测量。磁致伸缩系数的测定可以归结为微长度即微位移变化的测量。目前测量磁致伸缩系数的方法主要有非平衡电桥测量法、差动变电容测法、光杠杆、应变电阻片测量法和光学干涉法等。这些方法均由于各自存在的缺陷，而无法进一步提高测量的精度。在光学测量法中，激光外差测量技术由于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而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。该方法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、加工设备及激光雷达系统等。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，解调后得到单一的待测参数值。
发明内容
本发明的目的是解决现有磁致伸缩系数的测量方法的测量精度不能够满足超精密测量要求的问题，提供一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置及方法。本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，该装置由第一固定棒、第二固定棒、激励线圈、待测铁镍合金样品、直流稳压电源、平面反射镜、 不计厚度薄玻璃板、偏振分束镜PBSjtl固体激光器、四分之一波片、振镜、会聚透镜、光电探
5测器和信号处理系统组成，直流稳压电源用于给激励线圈提供工作电源，待测铁镍合金样品居中放置在激励线圈内，待测铁镍合金样品的一端固定连接第一固定棒的一端，该第一固定棒的另一端固定设置，待测铁镍合金样品的另一端固定连接第二固定棒的一端，该第二固定棒的另一端粘接平面反射镜的非反射面，平面反射镜的反射面与待测铁镍合金样品的轴线垂直；第一固定棒和第二固定棒大小相同，并且两根固定棒、待测铁镍合金样品和激励线圈同轴设置； 在平面反射镜的反射面一侧距离d处，与该平面反射镜平行设置有不计厚度薄玻璃板；Htl固体激光器发出的线偏振光经偏振分束镜PBS反射后入射至四分之一波片，经该四分之一波片透射后的光束入射至振镜的光接收面，经该振镜反射的光束再次经四分之一波片透射后发送至偏振分束镜PBS，经该偏振分束镜PBS透射后的光束入射至不计厚度薄玻璃板，经该不计厚度薄玻璃板透射之后的光束入射至平面反射镜的反射面，经该平面反射镜反射后的光束再次经不计厚度薄玻璃板透射获得透射光，该透射光与经不计厚度薄玻璃板的光入射面反射后的光束均通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上，所述光电探测器输出电信号给信号处理系统。本发明所述基于上述装置的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法，该方法的过程为首先，将待测铁镍合金样品进行交流退磁；利用二维调整架调节平面反射镜和不计厚度薄玻璃板的位置，使平面反射镜和不计厚度薄玻璃板相互平行、等高，并使不计厚度薄玻璃板与平面反射镜的反射面之间的距离d为mm ；然后，调整直流稳压电源，使其输出电流最小，并打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动；同时，打开Htl固体激光器，最后，调整直流稳压电源的输出电流，使其输出电流I单调上升，在此过程中，信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量，根据该距离变化量获得待测铁镍合金样品的磁致伸缩系数α = Δ 1/1，式中，ΔΙ/为待测铁镍合金样品在磁场中的长度变化量，即为平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量，1为待测铁镍合金样品的原始长度。对所述信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量的过程为经偏振分束镜PBS透射后的光束入射至不计厚度薄玻璃板的入射角为θ…此时的入射光场为E(t) = EpxpCi co0t)，式中E1为常数，i表示虚数，Oci为激光角频率；不计厚度薄玻璃板的反射光的频率为ω = co0(l-2cocx0sin(coct)/c)；则在tL/c时刻到达不计厚度薄玻璃板表面并被该表面反射的反射光的光场为E0(t) = α EpxpU [ω0(1-2 cocX(|Sin(ωc(t_L/c))/c)(t-L/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_L/c)) /c]}
式中α为不计厚度薄玻璃板和平面反射镜的反射系数，L为振镜到不计厚度薄玻璃板之间的距离；经不计厚度薄玻璃板透射的光在不同时刻被平面反射镜连续反射m次，获得透过不计厚度薄玻璃板的m束透射光的光场分别为E1 (t) = Oca^El exp{ [ω0 (1 - 2ωεχ0 sin(iyc (t-(L + 2nd cos Θ) / c)) / c)(t-(L + 2nd cos Θ)Ι c) + ω0χ0 cos(< c (t-(L + 2nd cos Θ) / c)) / c]},E2 (t) = OciO^El exp{/'[iy0 (1 - 2cocx0 sin(iyc (t-(L + And cos Θ) / c)) / c)
(t-(L + And cos Θ)Ι c) + ω0χ0 cos(< c(i -(L + And cos Θ) / c)) / c]},E3(t) = OC5^E1 exp{/'[iy0(l-2iycx0 sin(iyc (t-(L + 6nd cos Θ) / c)) / c)
(t-(L + 6nd cos Θ)/ c) + ω0χ0 cos(< c (t-(L + 6nd cos Θ) / c)) / c]},Em(t) = Olm^alEl exp{/'[iy0(1 -2ωεχ0 sin(iyc(t-(L + ImndcosΘ) / c))/ c)(t-(L + 2mnd cos Θ)Ι c) + ω0χ0 cos(< c (t-(L + 2mnd cos Θ) / c)) / c]},其中，Ci1为不计厚度薄玻璃板的透射系数，d为直流稳压电源在供电过程中，平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离，θ为光束透过不计厚度薄玻璃板时的折射角，m 为正整数，η为平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间介质的折射率；光电探测器接收到的总光场为
权利要求
1.一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于 该装置由第一固定棒(1-1)、第二固定棒(1-2)、激励线圈O)、待测铁镍合金样品(3)、直流稳压电源(4)、平面反射镜( 、不计厚度薄玻璃板(6)、偏振分束镜PBS(7)、H0固体激光器 (8)、四分之一波片(9)、振镜(10)、会聚透镜(11)、光电探测器(12)和信号处理系统(13) 组成，直流稳压电源(4)用于给激励线圈(2)提供工作电源，待测铁镍合金样品(3)居中放置在激励线圈O)内，待测铁镍合金样品C3)的一端固定连接第一固定棒(1-1)的一端，该第一固定棒(1-1)的另一端固定设置，待测铁镍合金样品(3)的另一端固定连接第二固定棒(1-2)的一端，该第二固定棒(1-2)的另一端粘接平面反射镜(5)的非反射面，平面反射镜(5)的反射面与待测铁镍合金样品(3)的轴线垂直；第一固定棒(1-1)和第二固定棒 (1-2)大小相同，并且两根固定棒、待测铁镍合金样品(3)和激励线圈O)同轴设置；在平面反射镜(5)的反射面一侧距离d处，与该平面反射镜(5)平行设置有不计厚度薄玻璃板 (6)；Htl固体激光器(8)发出的线偏振光经偏振分束镜PBS(7)反射后入射至四分之一波片(9)，经该四分之一波片(9)透射后的光束入射至振镜(10)的光接收面，经该振镜(10) 反射的光束再次经四分之一波片(9)透射后发送至偏振分束镜PBS(7)，经该偏振分束镜 PBS (7)透射后的光束入射至不计厚度薄玻璃板(6)，经该不计厚度薄玻璃板(6)透射之后的光束入射至平面反射镜(5)的反射面，经该平面反射镜(5)反射后的光束再次经不计厚度薄玻璃板(6)透射获得透射光，该透射光与经不计厚度薄玻璃板(6)的光入射面反射后的光束均通过会聚透镜(11)汇聚至光电探测器(1 的光敏面上，所述光电探测器(12)输出电信号给信号处理系统(13)。
2.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述距离d为20mm。
3.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述第一固定棒(1-1)和第二固定棒(1-2)的两个端面均粘固有非磁性材料。
4.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述第一固定棒(1-1)的另一端固定设置为第一固定棒(1-1)的另一端固定在工作台上或固定件上。
5.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述振镜(10)为多普勒振镜，其振动方程和速度方程分别是X(t)= X0Cos (ωct)和v(t) =- 。X(lSin(co。t)，式中&为多普勒振镜振动的振幅，ω。为多普勒振镜的角频率，c为光速，t为时间。
6.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置，其特征在于所述信号处理系统(1 由带通滤波器(13-1)、前置放大器(13-2)、模数转换器A/D(13-3)和数字信号处理器DSP (13-4)组成，所述带通滤波器(13-1)对接收到的光电探测器(1 输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器(13-2)，经前置放大器(13- 放大之后的信号输出给模数转换器A/ D (13-3)，所述模数转换器A/D (13-3)将转换后的信号发送给数字信号处理器DSP (13-4)。
7.采用权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法，其特征在于该方法的过程为首先，将待测铁镍合金样品(3)进行交流退磁；利用二维调整架调节平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)的位置，使平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)相互平行、等高，并使不计厚度薄玻璃板(6)与平面反射镜(5)的反射面之间的距离d为20mm ；然后，调整直流稳压电源(4)，使其输出电流最小，并打开振镜(10)的驱动电源使振镜 (10)开始做简谐振动；同时，打开Htl固体激光器(8)，最后，调整直流稳压电源(4)的输出电流，使其输出电流I单调上升，在此过程中，信号处理系统(13)连续采集光电探测器(12)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离变化量，根据该距离变化量获得待测铁镍合金样品(3)的磁致伸缩系数 α = Δ 1/1，式中，ΔΙ/为待测铁镍合金样品(3)在磁场中的长度变化量，即为平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离变化量，1为待测铁镍合金样品(3)的原始长度。
8.根据权利要求7所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法，其特征在于对所述信号处理系统(13)连续采集光电探测器(12)输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离变化量的过程为经偏振分束镜PBS(7)透射后的光束入射至不计厚度薄玻璃板(6)的入射角为θ ^，此时的入射光场为E (t) = Exexp (i ω0 ),式中E1为常数，i表示虚数，Oci为激光角频率； 不计厚度薄玻璃板(6)的反射光的频率为 ω = co0(l-2cocx0sin(coct)/c)；则在t-L/c时刻到达不计厚度薄玻璃板(6)表面并被该表面反射的反射光的光场为 E0 ⑴=α Exexp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t~L/c)) /c) (t-L/c) + ω 0x0cos (ω c (t_L/c)) /c]}式中α为不计厚度薄玻璃板(6)和平面反射镜(5)的反射系数，L为振镜(10)到不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离；经不计厚度薄玻璃板(6)透射的光在不同时刻被平面反射镜(5)连续反射m次，获得透过不计厚度薄玻璃板(6)的m束透射光的光场分别为E1 (t) = CCC^E1 exp{ [ω0 (1 - 2ωεχ sin(iyc (t-(L + 2nd cos Θ) / c)) / c) (t-(L + 2nd cos Θ)Ι c) + ω0χ0 cos(< c (t-(L + 2nd cos Θ) / c)) / c]}, E2 (t) = OiO^El exp { [ω0 (1 — 2cocx0 sin(iyc (t-(L + And cos Θ) / c)) / c) (t-(L + And cos Θ)Ι c) + ω0χ0 cos(< c (t-(L + And cos Θ) / c)) / c]}, E3 (t) = O5^E1 exp{/'[iy0 (1 - 2cocx0 sin(iyc (t-(L + 6nd cos Θ) / c)) / c) (t-(L + 6nd cos Θ)/ c) + ω0χ0 cos(< c (t - (L + 6nd cos Θ) / c)) / c]},EJt) = Olm^alEl exp{/'[iy0 (1 - 2^ycX0 sin(iyc (t-(L + 2mnd cos θ) / c)) / c) (t-(L + Imnd cos θ) I c) + ω0χ0 cos(ft)c (t-(L + Imnd cos θ) / c)) / c]},其中，Ci1为不计厚度薄玻璃板(6)的透射系数，d为直流稳压电源(4)在供电过程中， 平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离，θ为光束透过不计厚度薄玻璃板 (6)时的折射角，m为正整数，η为平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间介质的折射率；光电探测器(12)接收到的总光场为 E (t) = E0 (t) +E1 (t) +E2 (t) +··· +Em (t)， 则光电探测器(12)输出的光电流为/ =盖I妈[五。⑷+五1⑷+五2⑷+ .·· + &⑷][￡°⑷+五1⑷+五2⑷+ .·· + &⑷]、ηβ 1w—1 ；1[收2 (ο+Σ Σ m+;⑴+五/ m” ⑴肿2加 Z j=[p=y j=y其中，e为电子电量，η为量子效率，h为普朗克常数，ν为激光频率，Z为光电探测器 (12)表面介质的本征阻抗，S为光电探测器(12)光敏面的面积； 对上式进行整理获得中频电流为ΠΡ 1 产产 W-I m-pI1F =Σ(t) + E； (t)Ej+p (t))ds，s P=I将所有光场的公式代入上式，获得计算结果为jn-\ m-pΠ0 1 jri-\ m-pΣ ； {t) + E;{t)Ej+p{t))ds,AnV 乙 s P=I j=P+2忽略1/c3的小项之后上式简化为j π 跨 m〒 ^, 2ω0χ0 2 pnd ω0 cos θ Λ1IF — Zu Zu aj+paj C0SL-2-τ +---Jhv Z Pq Pq J y JCCC，式中P和j为正整数；根据上式，将干涉信号的频率记为fp 二 A pnd cos θω0ω^χ0 / {Inc1 )-2 pnd cos Θω ω1 χ / {πο2) — K pd， 式中足ρ = 2pncosθω ω]χ /(πο1),则平面反射镜(5)和不计厚度薄玻璃板(6)之间的距离d为 d = fp/Kp，当d改变时，根据d = fp/Kp计算获得对应d的待测铁镍合金样品(3)的长度变化量 Ad，然后对Ad加权平均，获得最终的距离变化量Ad，该Ad即为Δ1。
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量磁致伸缩系数的装置及方法，属于微位移检测技术领域。它解决了现有磁致伸缩系数的测量方法的测量精度不能够满足超精密测量要求的问题。本发明使平面反射镜和不计厚度薄玻璃板相互平行、等高，并使不计厚度薄玻璃板与平面反射镜的反射面之间的距离d为mm，打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动；通过信号处理系统采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的信号进行处理，获得平面反射镜和不计厚度薄玻璃板之间的距离变化量，根据该距离变化量获得待测铁镍合金样品的磁致伸缩系数。本发明适用于测量铁磁体的磁致伸缩系数。
文档编号G01R33/18GK102353915SQ201110145089
公开日2012年2月15日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者丛海芳, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 邵文冕, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学