CN102495099A - 纳米精度金属线胀系数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米精度金属线胀系数测量系统，包括光杠杆测微系统、温度控制系统和温度采集系统以及虚拟平台。光杠杆测微系统包括平行放置的第一平面镜（M1）和第二平面镜（M2）、位置敏感传感器PSD；温度采集系统包括热电偶和信号调理板；温度控制系统通过所述温度控制系统中的可控硅触发板接收该控制信号，控制控制可控硅的导通和截止进而控制待测金属的加热温度；虚拟平台包括位移信号采集模块、温度信号采集模块、PID调节模块、数据处理模块。本系统能设定和精确控制待测金属材料的温度，并对金属材料的线胀系数进行高精度地测定，检测速度快、精度非常高、可靠性强、形象直观，操作简单。

Description

纳米精度金属线胀系数测量系统

技术领域

本发明属于金属热膨胀测量技术领域，，具体涉及金属线胀系数高精度测量系统及方法。

背景技术

“热胀冷缩”是许多物体都具有的特性，是由于物体内部分子热运动加剧或减弱从而使物质分子平均艰巨变大或变小造成的，热膨胀虽然不大，但可以产生很大的应力。因此，在工程设计，机械制造，材料加工等过程中都要充分考虑。一般情况，固体在各个方向上的膨胀规律相同，因此可以用固体在一个方向上的线膨胀规律来表征它的体膨胀。国内现有的检测方法一般是通过千分尺、传统的光杠杆等工具进行目测，这些方法不仅效率低，而且误差大。本方明提出一种基于光杠杆原理和PSD位置敏感传感器的固体材料线胀系数测量方法，该系统对微小位移进行多级放大，利用NI公司的LabVIEW图形编程环境进行软件开发，界面简洁，易于操作。实验结果表明，与传统检测方法相比，该方法检测速度快、精度高、可靠性强。实验系统对黄铜、实验用铁、实验用铝和紫铜的线胀系数进行了测量，重复测量精度达到纳米数量级。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确测量金属线胀系数测量系统，能对固体材料的线胀系数进行精确地测量，为研究固体材料的性能提供科学依据。

本发明的技术方案如下：

一种纳米精度金属线胀系数测量系统，包括光杠杆测微系统、温度控制系统和温度采集系统以及虚拟平台，其特征在于：

所述温度采集系统包括热电偶和信号调理板，通过所述热电偶检测被测金属的温度信号，信号调理板的输入端与所述热电偶输出端相连，将热电偶所检测的温度信号进行放大；所述信号调理板的输出端连接数据采集卡的输入端；

通过光杠杆测微系统测量被测金属的位移伸长量信号，所述光杠杆测微系统的输出端与信号处理电路的输入端相连，所述信号处理电路的输出端与数据采集卡的输入端相连，所述信号处理电路将抑制光杠杆测微系统中PSD位置敏感传感器背景光和暗电流的影响，对位移伸长量信号进行滤波和放大，处理后的位移伸长量电信号上送至所述数据采集卡；

所述数据采集卡将采集的待测金属的所述位移伸长量信号、待测金属的温度信号上传至虚拟平台，在所述虚拟平台中根据待测金属的温度和位移伸长量进行金属线胀系数计算；

所述虚拟平台还通过所述数据采集卡向所述温度控制系统发送控制信号，通过所述温度控制系统中的可控硅触发板接收该控制信号，控制控制可控硅的导通和截止进而控制待测金属的加热温度。

进一步，本发明的所述虚拟平台优选包括信号采集显示模块、数据保存、PID调节模块、数据处理模块。所述信号采集显示模块包括位移信号采集显示模块、温度信号采集显示模块，信号采集显示模块的输入端与信号采集卡PCL-1716的的输出端相连，信号采集显示模块的输出端与数据保存及PID调节模块的输入端相连，数据保存的输出端与数据处理模块的输入端相连，PID调节模块的输出端通过所述数据采集卡与温控系统的输入端相连。

PID调节模块的功能是系统温度的设定与准确控制。数据采集显示模块实现温度信号和微小伸长量的采集与适时显示，它得到的当前温度值可调用到PID控制模块，以实现温度的反馈，通过该模块可以直观看到温度和位移的变化规律。数据处理模块的功能是提取保存的温度、位移数据运用最小二乘法进行线性拟合求得位移随温度的变化率，最后再求出物体的膨胀系数。

本发明有如下优点：能设定和控制待测金属材料的温度，并对金属材料的线胀系数进行高精度的测定，检测速度快、精度非常高、可靠性强、形象直观，操作简单。

附图说明

图1是本发明的光杠杆测微系统原理图；

图2是本发明的PSD测量原理图；

图3是本发明的测量系统方框图；

图4是本发明的虚拟平台系统方框图；

图5是本发明的工作中的虚拟仪器界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。固体的长度一般随温度的升高而增加，设固体的温度由t变化到t+dt时，其长度由L变化到L+dl，当温度变化dt足够小时，长度微小变化量dL与温度变化dt及原长L成正比，即

dl＝α×L×dt即 $\mathrm{\α}=\frac{1}{L}\×\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

比例系数α称为该固体材料的线膨胀系数，其含义是温度升高1C时固体的相对伸长量，一般随温度变化很小，在温度变化不太大时，可以把它当成不变的常量。实验中L可以取室温下待测固体的长度，其值容易测量，dt也易测量，只有dL很小，不易测量。

为了测量金属材料的微小长度变化dL，本系统采用光杠杆光杠杆原理对微小位移进行多级放大，通过对放大位移的测量，间接测量出微小的位移变化。光杠杆微小位移测量系统原理如图1所示。

该系统中的光杠杆是在传统的光杠杆基础上，将平面镜M₁加长，再平行放置平面镜M₂。M₂镜固定，M₂下方前端是光杠杆两前支点A₁A₂，后端是光杆后支点B，即自由端。被测物以点接触的方式触碰在B处。激光束从M₁镜端边缘以很小角度入射到M₂的自由端。该光束在两平面镜间多次反射后由M₂的另一端出射(出射角为β)，照射到光电探测器上。初始位置时M₁和M₂互相平行，如图1中实线所示，这时出射光束与探测器光敏面垂直，且出射光点位于探测器光敏面中心。当被测物体有一个微小位移ΔL后，光杠杆后支点B移动ΔL。光杠杆绕A₁A₂轴线偏转微小角度Δα，如图1中虚线所示，用式(2)表示：

$\mathrm{\Δ\α}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\ΔL}}{b}\right)---\left(2\right)$

b为光杠杆后支点B到轴线A₁A₂的垂直距离，由于Δα非常小，所以，可以近似为：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{b}$ $2\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\ΔL}}{b}---\left(3\right)$

光束经过多次反射，出射角角度变化量为Δβ，可以表示为

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{n\Δ\α}=2n\frac{\mathrm{\ΔL}}{b}---\left(4\right)$

式中n为光线在两反射镜间的反射次数。信号接收端光束在探测器光敏面的偏移量ΔS表示为

$\mathrm{\Δs}=\mathrm{\Δ\βh}=2\mathrm{nh}\frac{\mathrm{\ΔL}}{b}---\left(5\right)$

式中h是光线出射点到探测器光敏面的距离。微位移量的放大倍数为K，则：

$K=\mathrm{\ΔS}/\mathrm{\ΔL}=\frac{2\mathrm{nh}}{b}---\left(6\right)$

当反射次数n、平面镜的长度、两平面镜之间的距离以及入射角度等各参数选取适当，K值可以达到100以上。

一维PSD位置敏感传感器，PSD(Position Sensitive Detector)又称坐标光电池。硅PSD是由一个或两个具有均匀阻抗表面组成的光电二极管，它与分立元素探测器相比具有位置分辨率高、反应电流简单、响应速度高、可靠性高等优点。可广泛应用于光学位置和角度的测量与控制、远程光学控制系统、位移和振动监测、激光光束校准、自动范围探测系统以及人体运动及分析系统等。一维PSD的内部结构和等效电路图如图2所示。

当激光照射到PSD的光敏面上时，它将光敏面上的入射光点位置信息转化成电信号。由于平行于结平面的横向电场作用，光生载流电子形成向两端电极流动的电流I₁与I₂，满足I₀＝I₁+I₂，I₀为总光电流.由于PSD的面电阻均匀，R₁和R₂阻值的大小只与入射光的位置有关，取PSD中心为坐标原点，L表示两电极间的距离，X_A为入射光与坐标原点的距离，则有：

$I_1=\frac{1}{2}(1-\frac{2}{L}{X}_A)I_0---\left(7\right)$

$I2=\frac{1}{2}(1+\frac{2}{L}{X}_A)I_0---\left(8\right)$

$I_1-I_2=\frac{4}{L}{X}_A{I}_0$ $X_A=\frac{L(I_1-I_2)}{4I_0}---\left(9\right)$

可见当总电流I_O一定时，输出电流I₂-I₁与入射光点的位置X_A成线性关系.因而可通过测量I₂-I₁，经过测量电路可将输出电流变化转化成电压值，再利用减法器运算放大电路，得到的输出电压值即反应了入射光点位置X的微小变化。

本发明的测量系统如图3所示，由光杠杆测微系统、信号处理电路、温度控制系统和温度采集系统以及虚拟平台构成。

所述光杠杆测微系统的输出端与信号处理电路的输入端相连，所述信号处理电路的输出端与数据采集卡的输入端相连。

所述虚拟平台设定的温度信号通过虚拟平台的输出端与PCL-1716数据采集卡的输入端相连，数据采集卡的输出端与温度控制系统输入端相连，温度控制系统的输出端与加热电炉的触发断相连。所述虚拟平台通过所述数据采集卡向所述温度控制系统发送控制信号，通过所述温度控制系统中的可控硅触发板接收该控制信号，控制控制可控硅的导通和截止进而控制待测金属的加热温度。

所述温度采集系统包括热电偶和信号调理板，所述热电偶与信号调理板PCLD-8710的输入端相连，PCLD-8710的输出端与数据采集卡PCL-1716的输入端相连，PCL-1716的输出端与虚拟平台的输入端相连。

本系统开机后通过PCL-1716数据采集卡、信号调理板PCLD-789D、热电偶对待测金属材料的初始温度T1进行测定。即对热电偶的温度信号进行放大，同时提供一个CJC冷端补偿电压，再连接到PCLD-8710的端子上，经过A/D转换以及线性拟合等处理换算成温度，PCLD-8710通过数据传输线与工控器相连，从而将数据送到采集卡里面进行处理后供给虚拟平台。

同时，调整PSD位置，使激光入射点位于PSD中心，即坐标原点。通过虚拟平台设定初始温度时待测金属材料的通过光杠杆测微系统测量被测金属的位移伸长量为0。

通过虚拟平台设定一个待测金属材料加热后的末温度T2(此温度须大于初始温度)，此时温度控制系统开始输出控制信号，从而控制可控硅的导通和截止，使炉内加热升温。再输出控制温度的信号，形成一个闭环的系统。

电流对待测金属进行加热，一直加热到待测金属材料的温度达到并稳定在设定温度T2。

在加热的过程中，待待测金属材料的长度会随温度的升高而伸长。从而使系统中光杠杆的B端向上移动(如图1所示)，带动平面镜M1偏转，导致PSD光敏面上的激光入射点从坐标原点(中心)发生移动，PSD产生载流电子形成向两端电极流动的电流I₁与I₂。由于输出电流I₂-I₁与入射光点的位置X_A成线性关系.通过信号处理电路将输出电流变化转化成电压值，再利用减法器运算放大电路，得到的输出电压值，通过数据采集卡PCL-1716将该电压值U1采集到计算机的虚拟平台中。该电压值即反应了PSD入射光点位置X的微小变化量ΔS1。ΔS1除以光杠杆的放大倍数就是待测金属材料的微小伸长量ΔL。

在加热的过程中，通过PCL-1716数据采集卡为中介，分别对两路信号进行数据的采集和转换，即温度信号和位移伸长量信号。热电偶检测炉内温度信号；微位移测量系统检测伸长量信号。

本发明中，传感器PSD的输出信号和热电偶的炉内温度信号经过信号处理电路进行信号的处理和放大，送给虚拟平台，虚拟平台自动完成AD采集和数据处理，控制整个升温过程，当温度达到某一设定值时，程序开始自动监测温度与金属棒的伸长量，当伸长量基本不变时，同时采集温度和伸长量。测量多组数据，用最小二乘法求出伸长量和温度t曲线的斜率，再根据公式即可以求出线膨胀系数，这个过程也是虚拟平台自动完成的。

本发明的虚拟平台如图4所示。由以下组成模块组成：信号采集显示模块、数据保存模块、PID调节模块、数据处理模块。其中所述信号采集显示模块包括位移信号采集显示模块、温度信号采集显示模块，所述位移信号采集显示模块的输入端、温度信号采集显示模块的输入端均与所述数据采集卡PCL-1716输出端相连，所述温度信号采集显示模块的输出端分别连接至数据保存模块和PID调节模块的输入端，所述位移信号采集显示模块的输出端连接至数据保存模块，数据处理模块的输入端与数据保存模块的输出端相连，数据处理模块将接收到的数据进行计算分析，得到待测金属的线胀系数，PID调节模块的输出端通过所述数据采集卡与温控系统的输入端相连，以实现温度的反馈。

PID调节模块的功能是系统温度的设定与准确控制。数据采集显示模块实现温度信号和微小伸长量的采集与适时显示，它得到的当前温度值可调用到PID控制模块，以实现温度的反馈，通过该模块可以直观看到温度和位移的变化规律。数据处理模块的功能是提取保存的温度、位移数据运用最小二乘法进行线性拟合求得位移随温度的变化率，最后再求出物体的膨胀系数。

首先PID调节模块初始化PID各参数，设定一个温度值。系统会输出一控制信号来控制加热装置。在此过程中，数据采集与显示模块会自动采集并显示出每一时刻的温度、位移以及控制信号。当温度达到稳定时，数据保存模块记录一组温度-位移数据。再设定一个温度值，当温度再次达到稳定时，数据保存模块又记录一组温度-位移数据。当保存的温度-位移数据足够多时，数据处理模块提取温度位移数据运用最小二乘法进行线性拟合求得位移随温度的变化率，最后再求出物体的膨胀系数。

利用所设计的测试平台对黄铜等几种材料的线胀系数进行了测量，测试结果如表1所示，5种材料的测量的精度分别为24nm、85nm、64nm、23nm，重复测量精度分别为7.5nm、7.2nm、7.6nm、8.1nm。可见该测试平台精度高，易于操作，实验值与理论值能很好的吻合，很好地验证了本文所提出的测试系统的准确性。

实验中PSD的特性是系统误差主要来源，即信号光斑的形状和尺寸对PSD的测试精度有着很大的影响，特别是在精密测量时，光斑的形状和尺寸也直接影响着重复定位的精度。实验证明，当光斑直径小于1mm时，多次定位测量的标准偏差可小于3.55μm。实验时，在PSD前面可利用透镜组对光束进行了整形，减小光斑尺寸，并加入小孔光栏，使光斑直径小于1mm，从而提高重复定位精度。另外，激光器输出光束方向漂移、反射镜M1和M2面形精度等因素也会对测量精度有影响，实验时需精心选择激光器和平面镜。本实验系统采用He-Ne激光器(632.8nm)作为测量光源，输出功率为10mW。平面镜是作者在真空镀膜机上自制的平面反射镜。

表1金属线胀系数实验测量数据

本发明提出了一种基于纳米精度光杠杆与PSD传感器的固体材料线胀系数测量系统，并对其实时测量原理进行了理论分析。该系统对金属线胀系数进行适时测量，并具有结构简单、测量精度高的优点。实验结果表明，该系统对黄铜、实验用铁、实验用铝和紫铜的重复测量精度分别为7.5nm、7.2nm、7.6nm、8.1nm，很好地验证了其有效性。

附图5是本发明的工作中的虚拟仪器界面。所述虚拟仪器界面包括温度设置与控制界面、被测材料适时的温度和位移信号显示界面、温度信号和位移信号的线性拟和显示界面、金属线胀系数显示界面等几个部分。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米精度金属线胀系数测量系统，包括光杠杆测微系统、温度控制系统和温度采集系统以及虚拟平台，其特征在于：

所述温度采集系统包括热电偶和信号调理板，通过所述热电偶检测被测金属的温度信号，信号调理板的输入端与所述热电偶输出端相连，将热电偶所检测的温度信号进行放大；所述信号调理板的输出端连接数据采集卡的输入端；

通过光杠杆测微系统测量被测金属的位移伸长量信号，所述光杠杆测微系统的输出端与信号处理电路的输入端相连，所述信号处理电路的输出端与数据采集卡的输入端相连，所述信号处理电路将抑制光杠杆测微系统中PSD位置敏感传感器背景光和暗电流的影响，对位移伸长量信号进行滤波和放大，处理后的位移伸长量电信号上送至所述数据采集卡；

所述数据采集卡将采集的待测金属的所述位移伸长量信号、待测金属的温度信号上传至虚拟平台，在所述虚拟平台中根据待测金属的温度和位移伸长量进行金属线胀系数计算；

所述虚拟平台还通过所述数据采集卡向所述温度控制系统发送控制信号，通过所述温度控制系统中的可控硅触发板接收该控制信号，控制控制可控硅的导通和截止进而控制待测金属的加热温度。

2.根据权利要求1所述的纳米精度金属线胀系数测量系统，其特征在于：

模块的输出端相连，所述虚拟平台包括信号采集显示模块、数据保存模块、PID调节模块、数据处理模块；其中所述信号采集显示模块包括位移信号采集显示模块、温度信号采集显示模块，所述位移信号采集显示模块的输入端、温度信号采集显示模块的输入端均与所述数据采集卡输出端相连，所述温度信号采集显示模块的输出端分别连接至数据保存模块和PID调节模块的输入端，所述位移信号采集显示模块的输出端连接至数据保存模块，数据处理模块的输入端与数据保存模块的输出端相连，数据处理模块将接收到的数据进行计算分析，得到待测金属的线胀系数，PID调节模块的输出端通过所述数据采集卡与温控系统的输入端相连，以实现温度的反馈。

3.根据权利要求1所述的纳米精度金属线胀系数测量系统，其特征在于：

 所述数据采集卡为PCL-1716。

4.根据权利要求1所述的纳米精度金属线胀系数测量系统，其特征在于：

 所述信号调理板可扩充模拟量输入通道，集成用于热电偶测量的冷端补偿电路，同时实现对信号放大及热电偶信号的调理。

5.根据权利要求1所述的纳米精度金属线胀系数测量系统，其特征在于：

所述光杠杆测微系统包括平行放置的第一平面镜（M1）和第二平面镜（M2）、位置敏感传感器PSD，其中所述第二平面镜（M2）下端固定，所述第一平面镜（M1）下端一侧设置在光杆的前端上方，该光杆前端下方通过前支点固定在固定支架上，光杆的后端为自由端，后端下方后端支点与待测金属相连，所述位置敏感传感器PSD将由于待测金属位移变化导致的光位移信号转换为电信号输入至所述信号处理电路。

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