CN100425977C - 用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法 - Google Patents

Abstract

一种用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法：首先将待测材料的测量区固定在位移传感器两钳臂的端部间，并置入4.2-300K温区中；再将传感器中的相互连接成惠斯通桥的电阻应变片的连接引线与电阻应变仪连接，电阻应变仪与计算机相连；待测材料在所处的温区中随温度变化而发生变形，位移传感器两钳臂间随待测材料的变形而产生夹持力，惠斯通桥的电阻应变片将变形的位移量转换为电量，电阻应变仪将惠斯通桥的输出信号放大后传给计算机，计算机进行处理并绘制出该待测材料的应变随温度变化的曲线，由该曲线便可得出待测材料的线膨胀系数。该方法安全、可靠，适宜测量聚合物基泡沫材料在宽温区的线膨胀系数。

Description

用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法

技术领域

本发明涉及一种测量材料的热膨胀性能的方法，特别是涉及一种适用于宽温区(4.2K-300K)的用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法。

技术背景

随着低温技术在航天领域的应用和不断发展，要求材料不仅在低温条件下具有轻质高强及良好的韧性而且要求材料具有较低的热物性能参数。因而，研究与测量低温环境对材料的力学及热性能的影响，是低温装置及部件合理选材、安全运行的重要保证。

低温材料的线膨胀系数是材料和结构设计中一个十分重要的物理参数，为了确保低温材料在使用过程中的可靠性和安全性，必须准确测定其在不同温度点的变形量。

目前，传统的测量线膨胀系数的装置，如已知石英的线膨胀系数，用千分表读数仪可测量材料的线膨胀系数，但由于聚合物基泡沫材料端面柔软，尺寸不稳定，且易吸附石英管内壁而不适用于泡沫线膨胀系数的测量。还有另一种方法，即采用低温应变片来测量低温下材料的线膨胀系数，其价格便宜，操作简单，但需对应变片的灵敏系数随温度改变所发生的变化进行修正，且测量范围小，不能满足聚合物基泡沫材料的测量要求。另外，目前适用于低温环境应用的国产应变片机尺寸小，不能覆盖非均质材料的表面，因而只有当试件变形均匀的情况下，所测应变才能代表试件的整体变形，而对于复合材料、聚合物基泡沫材料和焊接材料等非均质材料的整体线膨胀系数的测量，应变片并不适用。此外，国内外还报道了许多关于某类特殊材料的测量线膨胀系数方法，如热分析法，公式推导法等，但并不通用，且都不适合于极低温度环境下的测量。

发明内容：

本发明的目的在于：克服上述的测量材料线膨胀系数方法存在的诸多缺陷，而提供一种用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，该方法可安全、可靠地测得材料尤其是聚合物基泡沫材料在宽温区(4.2K-300K)的线膨胀系数。

本发明的技术方案如下：

材料的线膨胀系数(coefficient of linear thermal expansion)定义为：

${\mathrm{\α}}_L\left(t\right)=\frac{1}{L}\frac{\mathrm{dL}\left(t\right)}{\mathrm{dT}}$

其中L为试样长度，dL(t)为试样的长度变化，dT为温度微小变化；α_L(t)是线膨胀系数(CTE)指泡沫材料在指定方向上的线膨胀系数。材料的线膨胀系数一般是温度的连续函数，逆过程即冷收缩，其大小一般与热膨胀系数相同，即

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{average}}=\frac{1}{l}\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{K_s\×\mathrm{\ΔT}}=\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_1}^{\′}}{\mathrm{\ΔT}}$

材料的线膨胀系数可以通过测量材料在某温度下的微应变得到。

本发明提供的用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，包括如下步骤：

1)将待测的聚合物基泡沫材料的测量区固定在位移传感器两钳臂的端部之间，并一起置入4.2-300K温区中；

2)将位移传感器中的相互连接成惠斯通桥的电阻应变片的连接引线分别与电阻应变仪电连接，电阻应变仪与计算机相连接；

3)待测聚合物基泡沫材料在所处的温区中随温度的变化而发生变形，位移传感器的两钳臂间随位于其间的聚合物基泡沫材料的变形而产生加持力，其惠斯通桥的电阻应变片将变形的位移机械量转换为电量，电阻应变仪将惠斯通桥的输出信号经放大后，输入给计算机，由计算机进行处理并绘制出该待测聚合物基泡沫材料的应变随温度变化的应变-温度曲线，由该曲线便可得出待测聚合物基泡沫材料的线膨胀系数。

所使用的位移传感器的结构包括：

一钳形主体100，该钳形主体100包括一金属材质的矩形本体1和沿该矩形本体1对称的两侧面向同一方向延伸的具有一厚度的金属材质的第一钳臂11和第二钳臂22；

还包括用耐低温环氧胶粘贴在第一钳臂11和第二钳臂22靠近矩形本体1根部内外两侧面上的电阻应变片R1，R2，R3和R4，所述电阻应变片R1，R2，R3和R4的电阻值相同，并相互连接成惠斯通桥；

所述相互连接成惠斯通桥的所述电阻应变片R1，R2，R3和R4的连接引线分别与应变仪电连接；该位移传感器的第一钳臂11与第二钳臂22之间间距为5-20mm。

所使用的位移传感器的电阻应变片R1，R2，R3和R4电阻值在90-350Ω之间。

所使用的位移传感器还包括用耐低温环氧胶粘贴在矩形本体1外侧面上的接线板3，4，所述相互连接成惠斯通桥的电阻应变片R1，R2，R3和R4的连接引线分别固定在接线板3，4之后，再与应变仪电连接。

本方法利用惠斯通桥式测量电路的原理如下图2所示：

$\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{DB}}=\frac{E{K}_s}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=[(1+2\mathrm{\μ})+m(1-2\mathrm{\μ})]\frac{\mathrm{\Δl}}{l}=K_s\frac{\mathrm{\Δl}}{l}$

ΔU_DB为输出电压变化，式中E为电源电压，K_s为电阻片的灵敏系数，R为电阻值，ΔR为电阻变化，l是电阻丝长度，Δ1为电阻丝长度变化，μ为电阻丝的泊桑系数，m为与材料相关的常数，ε₁、ε₂、ε₃和ε₄为代数量，一般定义拉应变为正，压应变为负。通过采集电路的输出电压并转化为相应的电信号就可计算出被测量材料的线膨胀系数。

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{average}}=\frac{1}{l}\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{K_s\×\mathrm{\ΔT}}=\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_1}^{\′}}{\mathrm{\ΔT}}$

此式为线膨胀系数的最终计算公式，其中ΔT为温度变化量，ε_i’＝ε_i/K_s。

位移传感器利用上述原理进行测量，但在使用前需经过严格标定，在室温、77K和4.2K下标定结果表明：其20mm标距的位移传感器线性范围可达3mm，检验其离散度＜1％，温度灵敏度系数(CL/RT)在1.02-1.04之间，性能符合要求，可在4.2K-300K宽温区范围使用。

采用低温位移传感器测量过程中，其位移传感器可进行微应变测量，利用数字电压表可进行温度监控。在实验过程中，当沿标距方向平行安装的位移传感器受到材料因形变而产生的夹持力时，位移传感器两臂内外的电阻应变片将位移的机械量转变为电量，电桥的输出信号经放大后由计算机采集，通过上述计算公式可得到材料的线膨胀系数。

采用标定后的位移传感器可有效的测量材料在室温至液氦温区的变形。将装卡好传感器的待测试样放置于力学测量容器中的某一高度上，并被包围在红外电炉制成的热屏中，以确保它们处于同一温度环境。试验中采用红外电炉来调节试件温度，电炉加热由DH1718电源控制，温度信号由数字电压表监控。电阻应变仪得到的微应变信号通过高精度、高灵敏的应变测量设备TRX仪器连接到计算机上控制采集。

本方法是使用适用于室温至低温下(甚至极低温)环境的高精度位移传感器，该位移传感器体积小、重量轻、造价低、性能稳定；本方法在此基础上，对其技术原理及适宜范围等进行了全面分析，建立了一套测量低温下非均质材料线胀系数的方法。此方法尤其对非均质材料的整体变形测量精度高、数据稳定可靠，且具有操作简单、对被测试件尺寸要求可适当调整等特点。采用低温位移传感器不仅实现了在极低温度条件下的变形测量，而且对于研究材料在特殊环境下的结构设计和构件安全使用都具有重要的意义。该方法可安全、可靠地测得材料尤其是聚合物基泡沫材料在宽温区(4.2K-300K)的线膨胀系数。

附图说明

图1力本发明的方法所使用的位移传感器的结构示意图；

图2为位移传感器的惠斯通桥电路的结构示意图；

图3为本发明的方法测试待测材料B的示意图；

具体实施方式：

用位移传感器测量材料的线膨胀系数过程如下：

在待测试样的测量区内粘接适于安装位移传感器的刀口，使位移传感器能准确地安装在指定的标距内，与夹具刀口结合牢固，持力适度，保证其具有足够的量程和灵敏度、稳定性和重复性，在某一温度下的电阻应变仪其输出应变与位移有线性关系，因此引伸计在低温环境中使用时需进行标定。

对于线膨胀试样，夹具刀口间距离以恰好能固定电阻应变仪为宣；安装好后，将试样放置在可控的绝热容器中，位移传感器的惠斯通桥的四条引线按规则接入电阻应变仪并连到计算机；测试时通过计算机上的相关软件实时采集应变-温度关系，并由此得到材料在低温下的线膨胀系数。

线膨胀系数的测量可在不同温区范围内进行，液氮、液氢温区测量在配备的低温容器上进行，液氮温度由制冷剂液氮提供，液氢温度由制冷剂液氦并结合我们的控温系统实现。

线膨胀试样形状可为长方体，圆柱体等，尺寸大小只需满足传感器的测量范围即可，用传感器可分别测量(如长方体)三维方向上的线膨胀系数。

实施例1如图3所示利用位移传感器测量一种PEI泡沫塑料室温至液氢温区线膨胀系数，得到以下结果：

表1：一种PEI泡沫材料300K-20K线膨胀系数

实施例2利用位移传感器测量一种PU泡沫塑料室温至液氢温区线膨胀系数，得到以下结果：

表2：一种PU泡沫材料300K-20K线膨胀系数

实施例3利用位移传感器测量一种PEI泡沫塑料室温至液氢温区线膨胀系数，得到以下结果：

表3：一种PEI泡沫材料300K-20K线膨胀系数

Claims (5)

1、一种用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，包括如下步骤：

1)将待测的聚合物基泡沫材料的测量区固定在位移传感器两钳臂的端部之间，并一起置入4.2-300K温区中；

2)将位移传感器中的相互连接成惠斯通桥的电阻应变片的连接引线分别与电阻应变仪连接，电阻应变仪与计算机相连接；

3)待测聚合物基泡沫材料在所处的温区中随温度的变化而发生变形，位移传感器的两钳臂间随位于其间的聚合物基泡沫材料的变形而产生夹持力，其惠斯通桥的电阻应变片将变形的位移机械量转换为电量，电阻应变仪将惠斯通桥的输出信号经放大后，输入给计算机，由计算机进行处理并绘制出该待测聚合物基泡沫材料的应变随温度变化的应变-温度曲线，由该曲线便可得出待测聚合物基泡沫材料的线膨胀系数。

2、按权利要求1所述的用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，其特征在于，所使用的位移传感器的结构包括：

一钳形主体(100)，该钳形主体(100)包括一金属材质的矩形本体(1)和沿该矩形本体(1)对称的两侧面向同一方向延伸的具有一厚度的金属材质的第一钳臂(11)和第二钳臂(22)；

还包括用耐低温环氧胶粘贴在第一钳臂(11)和第二钳臂(22)靠近矩形本体(1)根部内外两侧面上的电阻应变片(R1，R2，R3和R4)，所述电阻应变片(R1，R2，R3和R4)的电阻值相同，并相互连接成惠斯通桥；

所述相互连接成惠斯通桥的所述电阻应变片(R1，R2，R3和R4)的连接引线分别与应变仪电连接。

3、按权利要求2所述的用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，其特征在于，所使用的位移传感器的第一钳臂(11)与第二钳臂(22)之间间距为5-20mm。

4、按权利要求2所述的用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，其特征在于，所使用的位移传感器的电阻应变片(R1，R2，R3和R4)电阻值在90-350Ω之间。

5、按权利要求2所述的用位移传感器测量聚合物基泡沫材料线膨胀系数的方法，其特征在于，所使用的位移传感器还包括用耐低温环氧胶粘贴在矩形本体(1)外侧面上的接线板(3，4)，所述相互连接成惠斯通桥的电阻应变片(R1，R2，R3和R4)的连接引线分别固定在接线板(3，4)之后，再与应变仪电连接。

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