CN103954504B - 基于线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法 - Google Patents

Abstract

基于线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，属于光学领域。解决了现有的测量杨氏模量的方法存在误差大、测量精度低的问题。线性调频激光器发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板，经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第一平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得多束光，经薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射之后的光束与薄玻璃板前表面的反射光一起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；信号处理系统用于处理数据从而获取金属线长度变化前后薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离。它适用于测量杨氏模量。

Description

基于线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法

技术领域

本发明涉及属于光学领域。

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。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的测量杨氏模量的方法存在误差大、测量精度低的问题，提供了基于线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，它包括线性调频激光器、薄玻璃板、第一平面反射镜、待测金属线、砝码、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；

第一平面反射镜的非反射面贴在砝码的底部，且第一平面反射镜的中心与砝码的中心同轴；

待测金属线的一端固定，待测金属线的另一端与砝码的顶端固定连接；

薄玻璃板与第一平面反射镜平行；薄玻璃板位于第一平面反射镜的下方，且薄玻璃板与第一平面反射镜之间的距离d为30mm；

线性调频激光器发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板，经该薄玻璃板透射之后的光束入射至第一平面反射镜，该光束在相互平行的薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射多次，获得多束光，经薄玻璃板和第一平面反射镜之间反复反射和透射之后的光束与薄玻璃板前表面的反射光一起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；信号处理系统用于处理数据从而获取金属线长度变化前后薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离d。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，它还包括第二平面反射镜；线性调频激光器发出的线性偏振光经第二平面反射镜反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，信号处理系统包括滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器；

滤波器的输入端与光电探测器的电信号输出端相连；滤波器的输出端与前置放大器的输入端相连；前置放大器的输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端相连；A/D转换电路的数字信号输出端与DSP微处理器的输入端相连。

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属丝的一端固定，另一端固定在底端贴有第一平面反射镜的砝码上，使金属线处于铅直方向；

步骤二、打开线性调频激光器，由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离d；

薄玻璃板和第一平面反射镜之间的距离的变化量△d等于金属线的伸长量△l；

步骤三、逐渐增加砝码的质量m，记录砝码的质量m和金属线的伸长量△l；

步骤四、根据公式获取金属线的伸长量△l；

其中，△l为金属线在长度方向受砝码的拉力F作用时金属线的伸长量；F等于下端悬挂的砝码重量mg，S＝πr²/4，金属线的长度和平均直径分别为l和r。

本发明适用于测量杨氏模量。

本发明通过线性调频技术将待测信息成功地调制在中频外差二次谐波信号的频率差中。在测量样品线膨胀系数过程中，此方法在频域同时得到了包含金属长度变化量的信息的频率值，信号解调后得到长度变化量，通过多次测量加权平均可以得到精确的样品长度随砝码质量的变化量。以碳钢丝为例进行实验，杨氏模量测量的相对误差仅为0.06％，显著提高了测量精度。

与其他测量方法相比，线性调频多光束激光外差法测杨氏模量具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、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；实验装置结构简单、功耗小、操作方便；实验结果误差小、精度高等多方面优势。同时，由于该方法实验现象明显，实验数据可靠，所以可以在相干激光测风雷达等工程设计领域中广泛使用。

附图说明

图1是本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置的结构示意图；

图2是多光束激光干涉原理示意图；

图3是线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱图；

图4是不同砝码质量情况下，碳钢丝长度变化量测量对应的频谱。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置及方法，它包括线性调频激光器1、薄玻璃板3、第一平面反射镜4、待测金属线5、砝码6、会聚透镜7、光电探测器8和信号处理系统；

第一平面反射镜4的非反射面贴在砝码6的底部，且第一平面反射镜4的中心与砝码6的中心同轴；

待测金属线5的一端固定，待测金属线5的另一端与砝码5的顶端固定连接；

薄玻璃板3与第一平面反射镜4平行；薄玻璃板3位于第一平面反射镜4的下方，且薄玻璃板3与第一平面反射镜4之间的距离d为30mm；

线性调频激光器1发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板3，经该薄玻璃板3透射之后的光束入射至第一平面反射镜4，该光束在相互平行的薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间反复反射和透射多次，获得多束光，经薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间反复反射和透射之后的光束与薄玻璃板3前表面的反射光一起通过会聚透镜7汇聚至光电探测器8的光敏面上，所述光电探测器8输出电信号给信号处理系统；信号处理系统处理数据从而获取金属线5长度变化前后薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离d。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置的进一步说明，它还包括第二平面反射镜2；线性调频激光器1发出的线性偏振光经第二平面反射镜2反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板3。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二所述的线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置作进一步说明，它还包括温控仪7和温度采集装置，信号处理系统包括滤波器9、前置放大器10、A/D转换电路11和DSP微处理器12；

滤波器9的输入端与光电探测器8的电信号输出端相连；滤波器9的输出端与前置放大器10的输入端相连；前置放大器10的输出端与A/D转换电路11的模拟信号输入端相连；A/D转换电路11的数字信号输出端与DSP微处理器12的输入端相连。

具体实施方式四：根据具体实施方式一所述线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属丝5的一端固定，另一端固定在底端贴有第一平面反射镜4的砝码6上，使金属线5处于铅直方向；

步骤二、打开线性调频激光器1，由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离d；

薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离的变化量△d等于金属线5的伸长量△l；

步骤三、逐渐增加砝码6的质量m，记录砝码的质量m和金属线5的伸长量△l；

步骤四、根据公式获取金属线5的伸长量△l；

其中，△l为金属线5在长度方向受砝码6的拉力F作用时金属线5的伸长量；F等于下端悬挂的砝码重量mg，S＝πr²/4，金属线5的长度和平均直径分别为l和r。在光学测量法中，激光外差测量技术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、激光雷达系统等。

为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，本实施方式基于激光外差技术，提出了一种高精度多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法，即利用线性调频技术将待测参数信息调制到外差信号二次谐波中，通过对激光外差二次谐波的解调可以精确获得待测参数信息。

具体实施方式五：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的方法的进一步说明，步骤二中所述的由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离d的获取方法包括以下步骤：

步骤1、线性调频激光器1发出线性调频线偏振光以θ₀角入射至薄玻璃板3，该光束在相互平行的薄玻璃板3和第一平面反射镜4汇聚至光电探测器8的光敏面上；

步骤2、获取入射至光电探测器8的光束的总光场E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)+...；

其中：E₁(t)为光束经薄玻璃板3前表面反射后的反射光场，且按公式 $E_1\left(t\right)={\mathrm{\α}}_1{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L}{c})+k{(t-\frac{L}{c})}^2\]\}$ 获取；

上式中：α₁为系数，α₁＝γ，γ为薄玻璃板3的反射率；E₀为入射光场振幅；ω₀为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且T′为调频周期，△F为调频带宽；c为光速；

E₂(t),...,E_m(t)为在薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间多次反射后获得多束反射光的反射光场：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)={\mathrm{\α}}_2{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ E_3\left(t\right)={\mathrm{\α}}_3{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{4{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ ...\\ E_m\left(t\right)={\mathrm{\α}}_m{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2(m-1){\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\end{array}\right.$

其中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝β²γ'，α₃＝β²(γ')²γ，α_m＝β²(γ')^m-1γ^m-2；式中的β为薄玻璃板3的透射率，γ'为第一平面反射镜4的反射率，θ为入射光透射出薄玻璃板3后的折射角，n为薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间介质的折射率，n＝1，L为第二平面反射镜2到达薄玻璃板3的光程，m为大于等于2的正整数；

步骤3、光电探测器8的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：

$I=\frac{\mathrm{\η}e}{h\mathrm{\ν}}\frac{1}{Z}\∫\underset{D}{\∫}\frac{1}{2}\[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+...+E_m\left(t\right)+...\]{\[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+...+E_m\left(t\right)+...\]}^{*}ds$

其中：e为电子电量，Z为光电探测器8表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器8光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器1发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；

步骤4、光电探测器8输出的光电流由滤波器9滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器10和A/D转换电路11后送入DSP微处理器12进行处理；

步骤5、采用DSP微处理器12对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间多次反射并从薄玻璃板3透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与薄玻璃板3直接反射的光进行混频，则中频电流I_IF处理为：

$I_{IF}=\frac{\mathrm{\η}e}{h\mathrm{\ν}}\frac{\mathrm{\π}}{Z}{E}_0^2\underset{p=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{p+2}{\mathrm{\α}}_p\cos (\frac{8knd\cos \mathrm{\θ}}{c}t-\frac{8knd\cos \mathrm{\θ}(L+nd\cos \mathrm{\θ})}{c^2});$

其中，p＝2,3,...,m-2；

步骤6、对步骤五获取的中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；

根据中频电流I_IF公式可以获知，外差信号的频率f记为：

则可获取薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离d；

线性调频多光束激光外差二次谐波信号的频率与薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离d成正比，比例系数为

如图2所示，由于光束在薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间会不断地反射和折射，而这种反射和折射对于反射光和透射光在无穷远处或会聚透镜7焦平面上的干涉都有贡献，所以在讨论干涉现象时，必须考虑多次反射和折射效应，即应讨论多光束激光干涉。

但是，由于激光在薄玻璃板3前表面的反射光与薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间反射相邻两次透射出薄玻璃板3的光混频，产生的两个差频信号的幅度相差2～3个数量级，经过傅里叶变换后，为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，所以在这里我们仅考虑所检测的后表面第p-1次反射的E_p-1(t)与后表面第p+1次反射后的E_p+1(t)光混频所产生的二次谐频差。本实施方式采用的是线性调频多光束外差二次谐波测量法。

在不考虑薄玻璃板3自身厚度的情况下，假设线性调频激光以入射角θ₀斜入射时，入射光场的数学表达式为：

E(t)＝E₀exp{i(ω₀t+kt²)}；

若到达薄玻璃板3的光程为l，则t-l/c时刻到达薄玻璃板3后的直接反射的反射光场为：

$E_1\left(t\right)={\mathrm{\α}}_1{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L}{c})+k{(t-\frac{L}{c})}^2\]\};$

在薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间多次反射后获得多束反射光的反射光场分别为E₂(t),...,E_m(t)；

$\left\{\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)={\mathrm{\α}}_2{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ E_3\left(t\right)={\mathrm{\α}}_3{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{4{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ ...\\ E_m\left(t\right)={\mathrm{\α}}_m{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2(m-1){\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\end{array}\right.$

其中只取第p-1次反射的E_p-1(t)与后表面第p+1次反射后的E_p+1(t)。

光电探测器8的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流(电信号)，滤波直流项，保留交流项，获取的中频电流I_IF处理为：

$I_{IF}=\frac{\mathrm{\η}e}{h\mathrm{\ν}}\frac{\mathrm{\π}}{Z}{E}_0^2\underset{p=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{p+2}{\mathrm{\α}}_p\cos (\frac{8knd\cos \mathrm{\θ}}{c}t-\frac{8knd\cos \mathrm{\θ}(L+nd\cos \mathrm{\θ})}{c^2});$

从该式即可得知，线性调频多光束激光外差二次谐波测量法获得的中频项频率差以及相位差中都有薄玻璃板和第一平面反射镜之间距离d的信息，且变量t前面的为角速度，则线性调频多光束激光外差二次谐波信号的频率f记为：

$f=\frac{8kndcos\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}c}=\frac{4kndcos\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}c}=Kd$

线性调频多光束激光外差二次谐波信号的频率与薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间距离d成正比，比例系数为：

$K=\frac{4kncos\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}c},$

与折射角θ、折射率n、调频带宽的变化率k及光速c有关。

同时，进行傅里叶变换很容易实现频率测量，则根据上述等式即可获取薄玻璃镜3与第一平面反射镜4之间的距离d。

由于金属线5的伸长量△l等于玻璃镜3与第一平面反射镜4之间的距离△d，因此得到△d后，再根据公式即可获得杨氏模量。

下面给出一个具体实施例，基于图1所搭建的线性调频多光束激光外差二次谐波测量系统，利用MATLAB软件模拟测量了待测金属线5的长度l为800.3±0.5mm，用螺旋测微计测量直径为0.732mm的碳钢丝的杨氏模量，并验证线性调频多光束激光外差二次谐波测量方法的可行性。重力加速度g＝9.8m/s²；通常情况下平面反射镜和薄玻璃板之间介质的折射率取n＝1；线性调频激光器波长为1.55μm，调频周期T′＝1ms，调频带宽△F＝5GHz。在实验过程中，要求在弹性限度内，所加砝码质量按照一定的步长由0逐渐增加到约2kg，同时记录不同时刻长度变化量的数值Δl和对应砝码的质量m。

通过仿真可以看到，经信号处理得到的线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱如图3所示，其中实线为激光斜入射情况下，测量碳钢丝长度变化量Δl时对应线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱；虚线为激光正入射情况下，测量碳钢丝长度变化量Δl时对应线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱。从图3中可以看到，实验中给出了正入射的情况下的理论曲线，目的是：在线性调频多光束激光外差二次谐波信号频谱图中，可以同时得到斜入射时线性调频多光束激光外差二次谐波信号频谱第一个主峰的中心频率和正入射时理论曲线的中心频率的数值，这样，很容易得到的两个中心频率的比值：

ζ＝cosθ；

在得到中心频率的情况下，通过该式可以算出激光经薄玻璃板3后折射角θ的大小，由于薄玻璃板的厚度可以忽略，因此根据折射定律可以获得入射角θ₀的大小为：

通过公式求得的K的数值，最终获得薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间距离变化量Δd的值，由于Δd＝Δl，从而根据公式可以计算出任意入射角情况下碳钢丝的杨氏模量。

同时，仿真得到了不同砝码质量情况下，线性调频多光束激光外差二次谐波测量碳钢丝长度变化量时对应的线性调频多光束激光外差二次谐波信号傅里叶变换频谱如图4所示，从图4中可以看出，随着砝码质量的增加，频谱的相对位置向低频方向移动即随着质量的增加频率减小。原因在于：在碳钢丝杨氏模量不变的情况下，砝码质量和碳钢丝长度变化量是成正比关系的，当砝码质量增加时，碳钢丝长度随之增加，即薄玻璃板3和第一平面反射镜4之间的距离随之减小，由于频率f与第一平面反射镜4和薄玻璃板3之间的距离d的关系为f＝Kd，K不变的情况下，频率f和d呈线性光系，因此，第一平面反射镜4和薄玻璃板3之间的距离d减小时频率也随之减小，即随着质量的增加，频谱的相对位置向低频方向移动，图4很好地验证了前面理论分析的正确性。需要说明的是由于外差探测是一种近衍射极限的探测方式，探测灵敏度极高，因此图3和图4的线性调频多光束激光外差二次谐波信号的信噪比非常高。

在理论推导过程中，忽略了薄玻璃板3的厚度，即不考虑器后表面的反射光对线性调频多光束激光外差二次谐波信号的影响，但实际上薄玻璃3的厚度是存在的一般小于1mm，为克服这种影响，在实验光路中加入了滤波器，从而滤除了低频线性调频多光束激光外差二次谐波信号的干扰。利用上述线性调频多光束激光外差二次谐波测量法，连续测量八组数据，得到了不同砝码质量情况下待测碳钢丝长度变化量的仿真测量结果，如表1所示。

表1不同砝码质量情况下，杨氏模量的仿真测量结果

由于碳钢丝杨氏模量的理论值E₀＝2×10¹¹N/m²，则相对误差：

$\mathrm{\η}=\frac{\left|E_0-\stackrel{\‾}{E}\right|}{\stackrel{\‾}{E}}\×100\%=\frac{\left|1.998871-2\right|\×{10}^{11}}{2\×{10}^{11}}\×100\%=0.06\%$

从测量结果看，该实验方法误差的数量级为10^-4，而光杠杆法测量的精确度仅有1mm；同时，从实验数据看，实验结果的相对误差为0.06％左右，符合实际结论，该方法较光杠杆法间接测量量少2个，减少了偶然误差，提高了测量精度。由此可见，利用多光束外差二次谐波法测杨氏模量的方法是可行的。

Claims (2)

1.基于线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，

线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置，它包括线性调频激光器(1)、薄玻璃板(3)、第一平面反射镜(4)、待测金属线(5)、砝码(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)和信号处理系统；

第一平面反射镜(4)的非反射面贴在砝码(6)的底部，且第一平面反射镜(4)的中心与砝码(6)的中心同轴；

待测金属线(5)的一端固定，待测金属线(5)的另一端与砝码(5)的顶端固定连接；

薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)平行；薄玻璃板(3)位于第一平面反射镜(4)的下方，且薄玻璃板(3)与第一平面反射镜(4)之间的距离d为30mm；

线性调频激光器(1)发出的线性偏振光以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)，经该薄玻璃板(3)透射之后的光束入射至第一平面反射镜(4)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间反复反射和透射多次，获得多束光，经薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间反复反射和透射之后的光束与薄玻璃板(3)前表面的反射光一起通过会聚透镜(7)汇聚至光电探测器(8)的光敏面上，所述光电探测器(8)输出电信号给信号处理系统；信号处理系统用于处理数据从而获取金属线(5)长度变化前后薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d；

它还包括第二平面反射镜(2)；线性调频激光器(1)发出的线性偏振光经第二平面反射镜(2)反射后，再以入射角θ₀斜入射至薄玻璃板(3)；

图像处理系统包括滤波器(9)、前置放大器(10)、A/D转换电路(11)和DSP微处理器(12)；

滤波器(9)的输入端与光电探测器(8)的电信号输出端相连；滤波器(9)的输出端与前置放大器(10)的输入端相连；前置放大器(10)的输出端与A/D转换电路(11)的模拟信号输入端相连；A/D转换电路(11)的数字信号输出端与DSP微处理器(12)的输入端相连；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属丝(5)的一端固定，另一端固定在底端贴有第一平面反射镜(4)的砝码(6)上，使金属线(5)处于铅直方向；

步骤二、打开线性调频激光器(1)，由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d；

薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离的变化量△d等于金属线(5)的伸长量△l；

步骤三、逐渐增加砝码(6)的质量m，记录砝码的质量m和金属线(5)的伸长量△l；

步骤四、根据公式获取金属线(5)的伸长量△l；

其中，△l为金属线(5)在长度方向受砝码(6)的拉力F作用时金属线(5)的伸长量；F等于下端悬挂的砝码重量mg，S＝πr²/4，金属线(5)的长度和平均直径分别为l和r。

2.根据权利要求1所述的基于线性调频多光束激光外差二次谐波测量杨氏模量的装置测量杨氏模量的方法，其特征在于，步骤二中所述的由信号处理系统处理相关数据并得到薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d的获取方法包括以下步骤：

步骤1、线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光以θ₀角入射至薄玻璃板(3)，该光束在相互平行的薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)汇聚至光电探测器(8)的光敏面上；

步骤2、获取入射至光电探测器(8)的光束的总光场E_Σ(t)：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)+...；

其中：E₁(t)为光束经薄玻璃板(3)前表面反射后的反射光场，且按公式

$E_1\left(t\right)={\mathrm{\α}}_1{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L}{c})+k{(t-\frac{L}{c})}^2\]\}$ 获取；

上式中：α₁为系数，α₁＝γ，γ为薄玻璃板(3)的反射率；E₀为入射光场振幅；ω₀为入射光场角频率；t为时间；k为调频带宽的变化率，且T′为调频周期，△F为调频带宽；c为光速；

E₂(t),...,E_m(t)为在薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间多次反射后获得多束反射光的反射光场：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)={\mathrm{\α}}_2{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ E_3\left(t\right)={\mathrm{\α}}_3{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{4{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ \mathrm{...}\\ E_m\left(t\right)={\mathrm{\α}}_m{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{L+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{L+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2(m-1){\mathrm{\ω}}_{0}ndcos\mathrm{\θ}}{c}\]\}\end{array}\right.$

其中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝β²γ'，α₃＝β²(γ')²γ，α_m＝β²(γ')^m-1γ^m-2；式中的β为薄玻璃板(3)的透射率，γ'为第一平面反射镜(4)的反射率，θ为入射光透射出薄玻璃板(3)后的折射角，n为薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间介质的折射率，n＝1，L为第二平面反射镜(2)到达薄玻璃板(3)的光程，m为大于等于2的正整数；

步骤3、光电探测器(8)的光敏面接受光信号，并将其转化为光电流，所述光电流的表达式为：

$I=\frac{\mathrm{\η}e}{hv}\frac{1}{Z}\underset{D}{\∫\∫}\frac{1}{2}\[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+\mathrm{...}+E_m\left(t\right)+\mathrm{...}\]{\[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+\mathrm{...}+E_m\left(t\right)+\mathrm{...}\]}^{*}ds$

其中：e为电子电量，Z为光电探测器(8)表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为光电探测器(8)光敏面的面积，h为普朗克常数，v为线性调频激光器(1)发出线性调频线偏振光的频率，*号表示复数共轭；

步骤4、光电探测器(8)输出的光电流由滤波器(9)滤波，去掉直流项，只保留了交流项的光电流称为中频电流，所述中频电流经前置放大器(10)和A/D转换电路(11)后送入DSP微处理器(12)进行处理；

步骤5、采用DSP微处理器(12)对中频电流采用线性调频多光束外差二次谐波测量法进行处理，在薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间多次反射并从薄玻璃板(3)透射出来的光束中，只取第p-1次和第p+1次透射出的光与薄玻璃板(3)直接反射的光进行混频，则中频电流I_IF处理为：

$I_{IF}=\frac{\mathrm{\η}e}{hv}\frac{\mathrm{\π}}{Z}{E}_0^2\underset{p=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{p+2}{\mathrm{\α}}_{p}cos(\frac{8kndcos\mathrm{\θ}}{c}t-\frac{8kndcos\mathrm{\θ}(L+ndcos\mathrm{\θ})}{c^2});$

其中，p＝2,3,...,m-2；

步骤6、对步骤五获取的中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f；

根据中频电流I_IF公式可以获知，外差信号的频率f记为：

则可获取薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d；

线性调频多光束激光外差二次谐波信号的频率与薄玻璃板(3)和第一平面反射镜(4)之间的距离d成正比，比例系数为