CN103852448A - 一种物体微质量变化的在线测量装置 - Google Patents

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本发明提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的物体微质量变化在线测量方法，将放置待测试样的托盘作为迈克尔逊干涉仪的动镜，物体质量发生轻微变化时动镜产生位移，从而使干涉条纹产生变化，通过变化后的干涉条纹与初始的干涉条纹对比得到条纹变化数，从而得到动镜相对位移大小，持续获得物体的质量变化量。本发明实现了一种相对较大质量物体的微质量变化在线测量，原理简单，实现容易，可靠性好，可满足激光与物质相互作用过程中，激光加载下试件质量变化的实时测量，对于分析和开展激光效应研究有积极的意义。

Description

一种物体微质量变化的在线测量装置
技术领域
本发明涉及一种质量测量装置，尤其是一种大质量物体微质量变化的在线测量装置。
背景技术
质量是物质的一种基本物理参数。在物理化学反应过程中，物体质量的变化往往能反映出物理化学反应的类型、剧烈程度等信息。
在激光与物质相互作用研究中，当强激光辐照在树脂基复合材料试样上时，由于树脂热解产生小分子和气体产物，使复合材料质量产生了持续的微小变化；当强激光辐照在金属试样上时，温度上升使金属表面与空气反应，生成氧化物薄膜，材料总质量也持续微量增加。测量材料质量的变化对于分析激光辐射效应意义重大，但由于这种情况下试样质量为克量级，而质量变化量为毫克甚至微克量级，对直接测量物体质量的仪器而言，需要能实时测量物体质量的量，且其动态范围需达到106，这些都对质量测量仪器设计提出了严苛的要求。
现有测量微质量变化的设备有石英晶振微天平，其测量原理是石英晶振上吸附微质量物体而引起晶振谐振频率的变化，但是受到自身谐振器的限制，只能对总质量为毫克的物体进行测量，难以满足在相对大质量条件下的微质量实时变化测量要求。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种物体微质量变化的在线测量装置，实现对相对大质量条件下的微质量实时变化测量。
本发明的技术解决方案为：
一种物体微质量变化的在线测量装置，包括托盘、支撑弹簧、支撑框架、激光干涉仪、聚焦透镜和CCD相机，托盘由多只支撑弹簧支撑在支撑框架的顶端，待测试样放置在托盘上，激光干涉仪用于实时测量因待测试样质量变化而引起的托盘底部的垂直位移，激光干涉仪所产生的干涉条纹经聚焦透镜汇聚至CCD相机。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，激光干涉仪包括入射激光、分束镜、全反镜和精密位移调节螺钉，分束镜与水平方向呈45°设置在支撑框架的中部，激光器和全反镜分别设置在支撑框架的两侧与分束镜垂直高度一致的位置，反射镜由精密位移调节螺钉固定在支撑框架上，CCD和聚焦透镜设置在托盘的正下方，所述的托盘底部镀有反射膜；所述托盘到分束镜的距离等于全反镜与分束镜之间的距离；入射激光水平入射至分束镜后，透射光经过全反镜反射后再经分束镜反射至CCD内，反射光经过托盘底部反射后经分束镜透射至CCD内，反射光和透射光在CCD内形成干涉条纹，并由CCD实时记录。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，CCD前的光路上设置有衰减片。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，支撑框架的六个面均由不透光的薄板密封，其中在激光入射位置处、CCD入射位置处和托盘入射位置处开有透光光窗。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，待测试样放置在托盘中央部位。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，CCD上入射光斑直径不小于CCD器件长度的2/3。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，入射激光为单模激光。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，托盘底部镀有高反射银膜。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，激光干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
上述物体微质量变化的在线测量装置中，分束镜的透过率和反射率之比为1∶1。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了一种相对较大质量物体的微质量变化在线测量，原理简单，实现容易，可靠性好。
2、本发明可满足激光与物质相互作用过程中，激光加载下试件质量变化的实时测量，对于分析和开展激光效应研究有积极的意义。
3、本发明通过调整激光波长、弹簧刚度系数，可实现微克级至毫克级微质量的变化测量。
4、本发明在支撑框架除了透光窗外的四周均由不透明材料密封，可以防止在激光实验中产生的辐射光对测量结果的影响，同时防止外界气流等干扰。
附图说明
图1为本发明物体微质量变化的在线测量装置的原理框图。
其中1－入射激光；2－待测试样；3－托盘；4－支撑弹簧；5－支撑框架；6－精密位移调节螺钉；7－全反镜；8－分束镜；9－聚焦透镜；10－CCD相机；11－衰减片。
具体实施方式
如图1所示，本发明的物体微质量变化的在线测量装置包括托盘3、支撑弹簧4、支撑框架5、激光干涉仪、聚焦透镜9和CCD相机10，托盘3由多只支撑弹簧4支撑在支撑框架5的顶端，待测试样2放置在托盘3上，支撑架5底面中心放置一块聚焦透镜9，在其成像平面上放置可见光CCD相机10，相机10连接至数据采集系统，相机10前放置合适的衰减片11，使相机10成像时CCD不达到饱和状态；激光干涉仪用于实时测量因待测试样2质量变化而引起的托盘3底部的垂直位移，并将干涉条纹经聚焦透镜9汇聚至CCD相机10。激光干涉仪用于实时测量托盘3位移形成的干涉条纹以推导出待测试样2的质量变化量。
图1中激光干涉仪为迈克尔逊干涉仪，包括入射激光1、分束镜8、全反镜7和精密位移调节螺钉6。其中，分束镜8与水平方向呈45°设置在支撑框架5的中部，分束镜8的透反比为1：1，激光器和全反镜7分别设置在支撑框架5的两侧与分束镜8垂直高度一致的位置，反射镜7由精密位移调节螺钉6固定在支撑框架5上，CCD相机10和聚焦透镜9设置在托盘3的正下方，所述的托盘底部镀有反射膜；托盘3到分束镜8的距离等于全反镜7与分束镜8之间的距离；入射激光1水平入射至分束镜8后，透射光经过全反镜7反射后再经分束镜8反射至CCD10内，反射光经过托盘3底部反射后经分束镜8透射至CCD10内，反射光和透射光在CCD10内形成干涉条纹，并由CCD10实时记录。
本发明物体微质量变化的在线测量装置的工作原理如下：
首先将待测试样2放置在托盘3中央位置，由于重力作用，支撑托盘3的弹簧4产生一定量的位移h0。调节精密位移调节螺钉6，使波长为λ的单模激光1在经过分束镜8、托盘3、分束镜8到达聚焦透镜9的光程和激光1经过分束镜8、全反镜7、分束镜8到达聚焦透镜9的光程相当。此时，激光经过衰减片11衰减至合适强度，再经聚焦透镜9在CCD相机10上成像。该成像为圆环形的等倾干涉条纹。当物体质量发生轻微变化时，弹簧4产生相应调整，位移量相对于初始位移h0变化了Δh。根据迈克尔逊干涉仪原理，当2Δhcosθ=λ时，两路激光的位相差变化了2π，干涉条纹经历一次明暗变化。由于CCD采集的干涉条纹图像通过数据采集系统记录，在待测试样2质量变化的整个过程中，根据CCD的采样频率得到了一系列干涉条纹图像帧。其中第一帧为物体2质量无变化时的初始位置。
其次，选取图像中心线，对图像帧系列进行处理，提取出条纹在中心线上的强度分布。根据迈克尔逊干涉仪原理，当托盘3向下移动时，Δh变大，干涉条纹向外扩散，成像的干涉条纹级数增大。由于不同干涉级的干涉条纹具有不同的条纹宽度，不会出现因Δh为λ/2的整数倍而使干涉条纹完全重合的现象。因此，可以依据条纹强度曲线判断干涉条纹相对于初始位置的移动数ΔN，得到2Δhcosθ=λΔN，由于θ≈0，有Δh≈λΔN/2，进而得到Δm=kΔh/g=kλΔN/2g，从而实现物体微质量变化的在线测量。
为了提供干涉条纹的分辨力，对入射的激光光斑尺寸有一定的要求，即光斑经聚焦透镜9之后在CCD相机10上的成像应尽量多占据CCD幅面。由于干涉条纹为圆环形状，在提取条纹强度信息时不需要圆环保持完整，因而，可以使成像尺寸超出CCD器件宽度，只须不超过CCD器件长度即可，但也应不小于长度的2/3。

Claims (10)

1.一种物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：包括托盘（3）、支撑弹簧（4）、支撑框架（5）、激光干涉仪、聚焦透镜（9）和CCD相机（10），所述的托盘（3）由多只支撑弹簧（4）支撑在支撑框架（5）的顶端，所述的待测试样（2）放置在托盘（3）上，所述激光干涉仪用于实时测量因待测试样（2）质量变化而引起的托盘（3）底部的垂直位移，所述激光干涉仪所产生的干涉条纹经聚焦透镜（9）汇聚至CCD相机（10）。
2.根据权利要求1所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述的激光干涉仪包括入射激光（1）、分束镜（8）、全反镜（7）和精密位移调节螺钉（6），所述的分束镜（8）与水平方向呈45°设置在支撑框架（5）的中部，所述入射激光（1）和全反镜（7）分别设置在支撑框架（5）的两侧、并与分束镜（8）高度一致的位置，所述的全反镜（7）由精密位移调节螺钉（6）固定在支撑框架（5）上，所述的CCD相机（10）和聚焦透镜（9）设置在托盘（3）的正下方，所述的托盘（3）底部镀有反射膜；所述托盘（3）到分束镜（8）的距离等于全反镜（7）与分束镜（8）之间的距离；所述的入射激光（1）水平入射至分束镜（8）后，透射光经过全反镜（7）反射后再经分束镜（8）反射至CCD相机（10）内，所述的反射光经过托盘（3）底部反射后经分束镜（8）透射至CCD相机（10）内，所述的反射光和透射光形成干涉条纹，并由CCD相机（10）实时记录。
3.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述的CCD相机（10）前的光路上设置有衰减片（11）。
4.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述支撑框架（5）的六个面均由不透光的薄板密封，其中在激光入射位置处、CCD入射位置处和托盘入射位置处开有透光光窗。
5.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述的待测试样（2）放置在托盘中央部位。
6.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述CCD相机（10）上入射光斑直径不小于CCD器件长度的2/3。
7.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述入射激光（1）为单模激光。
8.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述托盘底部镀有高反射银膜。
9.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述的激光干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
10.根据权利要求1或2所述的物体微质量变化的在线测量装置，其特征在于：所述分束镜（8）的透过率和反射率比为1∶1。
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