[发明专利]多光束激光外差测量距离的装置及采用该装置测量杨氏模量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体涉及到距离和材料的杨氏弹性模量的测量方法。

背景技术

杨氏弹性模量反映了材料形变与内应力的关系，材料受外力作用时必须发生形变，其内部胁强和胁变(即相对形变)的比值称为杨氏弹性模量，它是表征固体材料性质的一个重要物理量，是工程技术中机械构件选材时的重要参数。近几年来，在工程测量技术中，多采用光杠杠法、光纤传感器法、CCD法、干涉法、拉伸法和衍射法等，但这些方法间接测量量较多，偶然误差较大，且需进行大量的数据处理，因此，这些方法的测量精度较低，无法满足目前高精度测量的要求。

而在光学测量法中，激光外差测量技术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，其测量的相对误差可达1％。该方法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，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、激光雷达系统等。但，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，解调后只能够得到单一的待测参数值。

发明内容

为了解决现有传统的外差干涉法存在的只能够得到单一的待测参数值的问题，本发明提出一种多光束激光外差测量距离的装置及采用该装置测量杨氏模量的方法。

多光束激光外差测量距离的装置由H₀固体激光器、平面反射镜、四分之一波片、振镜、振镜驱动电源、偏振分束镜、会聚透镜、薄玻璃板、光电探测器和信号处理系统组成，振镜驱动电源用于驱动振镜振动；薄玻璃板位置固定，该薄玻璃板的一侧距离d处设置一块平面反射镜，所述薄玻璃板与平面反射镜的反射面相对、且相互平行，H₀固体激光器、四分之一波片、振镜、偏振分束镜、会聚透镜、光电探测器均位于薄玻璃板的下方，所述H₀固体激光器发射激光束至偏振分束镜的前表面，经该偏振分束镜的反射光束经四分之一波片透射之后发射到振镜的入射面，经振镜反射后的反射光束再次经四分之一波片透射之后发射至偏振分束镜，经该偏振分束镜透射之后入射至薄玻璃板，该透射光束在该薄玻璃板的入射面的入射角θ₀小于90且大于等于0度；该透射光经该薄玻璃板形成反射光束和透射光束，所述透光束经平面反射镜折射的折射光束再次经薄玻璃板透射之后入射至会聚透镜，所述反射光束也入射至会聚透镜，会聚透镜将入射光束聚焦至光电探测器的光敏面上，光电探测器输出电信号给信号处理系统。

采用上述多光束激光外差测量距离的装置实现测量杨氏模量的方法的过程为：

步骤一、把一根长L，平均直径为r的待测金属丝悬挂于固定支架上，下端与砝码固定连接，在该砝码其自身重力作用下，该砝码对待测钢丝施加拉力F以使该钢丝产生内部应力；所述砝码的底部与平面反射镜的底面固定连接，然后打开激光器；

步骤二、信号处理系统采集光电探测器输出的信号，并获得距离参数，当平面反射镜处于静止状态时，记录该距离参数；

步骤三、增加砝码的质量m，信号处理系统再次采集光电探测器输出的信号，并获得距离参数，当平面反射镜处于静止状态时，记录该距离参数，

步骤四、根据步骤二和三获得的两个距离参数，获得薄玻璃板和平面反射镜之间距离的变化量Δd，该距离变化量Δd即为待测金属丝在质量m的作用下的相对形变ΔL；

根据胡克定律，获得待测金属丝的杨氏模量为：

E=FLSΔL]]>

式中，S为金属丝的截面积，S＝πr²/4；

F为在伸长方向上的拉力，即为砝码重量mg；参数g为重力加速度；则，力F对应的杨氏模量为：

E=4mgLπr2ΔL.]]>