CN1069133C - 一种热膨胀系数的非接触测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种热膨胀系数的非接触测量方法，包括对试样的光学放大，用固体摄像CCD对光信号采集及光电信号的处理步骤，其特征在于：光学放大部分采用二级放大，第二级仅对第一级所成像的两个像边缘再次分别放大，并最终聚焦成像在一只CCD上。
Description
物质的热膨胀系数是重要的物理性能，对工程技术应用和科学研究工作都有重要意义。近年来，非晶态材料、表面涂层、镀膜材料、半导体薄膜材料等发展很快，成为材料科学研究的热点。大规模集成电路与微电子技术、硬质膜、超导膜、空间站所用热控涂层材料等，在高技术中起着重要作用。当应用于受热、高温条件下，热膨胀性能至关重要。例如，空间站所用涂层材料必须要使涂层材料与基体材料之间的热应力减小，使其不至于在高温下剥离，因此要求两者之间的热膨胀系数尽可能接近或匹配。薄膜材料具有无钢性、易碎、易弯曲的特点，也不易得到大尺寸的试样。常规热膨胀仪如顶杆法、干涉法不能进行薄膜热膨胀的测量。目前关于薄膜热膨胀测量研究报道有：X光法，但仅适用于晶态材料，且存在数据处理较繁的问题；单狭缝衍射方法，仅见到介绍其原理的会议报道，未见到仪器成型的报道；干涉牛顿环方法，误差很大，达到20％，且当薄膜与基体的热膨胀系数相近时，受到了限制；对于非晶条带，有由差动变压器法基础上改进的机械杠杆法，以及把条带卷起来形成块状样品从而进行测量的方法，但不适用厚度在15μm以下无刚性薄膜的热膨胀测量。到目前为止，未见有用于薄膜热膨胀测量的成熟方法。
利用电荷藕合原理制成的固体摄像器件CCD(ChargeCoupled Device)为实现热膨胀的非接触、自动化测量提供了可能。尽管应用大规模集成电路技术制成的CCD光敏元间距最小只有几个微米，成像的分辨率较高，但仍不能满足热膨胀系数的测量的要求，必须突破光敏元间距对其分辩率的限制。
国际上关于应用CCD进行热膨胀非接触测量的有意大利罗马大学和日本株式会社理学公司，其中罗马大学的研究，试样为原长20mm的圆柱棒，试样被整体放大10倍，用两只CCD器元件对试样的像边缘进行定位测长，通过对CCD光敏元间距细分和光学放大，测长分辩率达到0.15μm；理学公司的测量系统中，试样原长为20mm或40mm，长度测量分辩率达到1μm。这两个研究机构的测量系统的放大倍数低于20倍，主要是受光电系统常规设计思想的限制，体积大，结构复杂，造价高，除此之外，都是针对块状样品。
本发明的目的在于提供一种由CCD技术实现的热膨胀系数非接触测量方法及装置，在保证装置具有高精度的同时，其结构紧凑，体积小，易于安装调试，并且能完成对薄膜热膨胀的测量。
本发明提供了一种热膨胀系数的非接触测量方法，包括对试样的光学放大，用固体摄像器件CCD对光信号采集及光电信号的处理，其特征在于：光学放大部分采用二级放大，第二级仅对第一级所成像的两个像边缘再次分别放大，并最终聚焦成像在一只CCD上。由于试样需放入炉中加热，因而光学放大系统的物距较长。若把试样整体放大，光程很长，必然带来设备结构的宠大，因此会限制光学放大系统的放大倍数。为得到高的放大倍数而采用了两极放大，仅对试样边缘局部放大，以缩短光程，简化结构。一般来讲，近轴物点成像具有好的像质，因而第一级的放大倍数不宜过大，设计为1∶1，第二级仅对第一级所成像的两个像边缘再次分别放大，由于物距可以很小，第二级放大倍数可以设计得很大，从20～100倍，从而大大提高了长度变化的测量精度。在光学镜头设计时，已考虑到要求第二级透镜组在偏离主光轴情况下的成像仍有很好的像质。因此第二级透镜组的设计与第一级镜头组设计要互相匹配，即两级的残余像差符号设计成相反，大小相等，从而使总像差小到可以忽略的程度。另外对试样两端边缘的同时测量，可以得到绝对的膨胀伸长量，比单边测量具有更高的测量精度。
本发明还提供了实现上述测量方法的测量装置，包括照明系统，试样架系统，光学系统，电子系统，四大部分，其特征在于：光学系统设计为一箱式壳体(13)，壳体(13)入口处设置第一级镜头组(6)，其像平面处设置一光阑(8)，光阑(8)后固定设置两组相同放大倍数的第二级镜头组(9)与光路成45°角分别设置两个平面反射镜，第二级成像平面处设置一个固体摄像器件CCD。试样架系统为用顶丝夹持调整的两片石英玻璃。光阑的设置主要是为了避免两个像边缘的光强亮场在CCD上重合，发生CCD图像信号的混叠，两个反射镜的设置可以在保证光程的前提下，使结构更为紧凑，并且将试样的的两个边缘同时成像于一片CCD上。下面结合附图通过实例详述本发明。
附图1为热膨胀系数非接触测量装置结构示意图
附图2为试样架示意图
附图3电子系统示意图
附图4为视频放大电路原理图
附图5长度变化量计算程序框图
实施例
本装置是附设于现有的脉冲激光热导仪上的。
试样架系统
如何设计适于薄膜样品的试样架是重要的问题，关系到整个测量实验系统的可行性。所用试样架必须在现有脉冲激光热导仪上的加热炉内易于安装，且要保证试样处于加热炉内中心的固定位置，使其对于光学系统的物距保持一定。
图2表示用于测量热膨胀的试样架示意图，试样的尺寸要求为10×10mm大小，用两片厚石英玻璃片夹持，石英玻璃片厚度为2.5mm，这样即使在高温下螺丝顶的不紧状态下，石英玻璃仍保持直立，使试样不发生弯曲变形试样架用螺纹固定在内直径为16mm的圆筒上，其长度是10cm，再与测量热导率所用的内直径为18mm的试样架后一部分，靠螺纹连成一体，整个试样架用螺钉固定在加热炉内的试样架托架上。托架内附有冷却水管，可避免在高温下发生试样架左右上下的偏转。
测温的准确性对热膨胀测量影响很大，为了得到与试样一致温度，一般用热电偶测温时，把热电偶焊在试样上。而对于薄膜、涂层试样，焊热电偶会损坏样品，另外热电偶线会对试样有小的扭曲力作用，使试样不会完全自由垂立在试样架的台面上，将影响长度变化测量精度。因此，把Ni-Cr/Ni-Al测温热电偶(Φ0.2mm)点焊在直径小于2mm的不锈钢圆薄片上，在后面的石英玻璃片底部中间磨出Φ4mm的半圆孔，用石英玻璃细管做为热电偶套管，前端用金属细丝固定在试样架的平台上。带热电偶的不锈钢薄圆片既能直立又可在水平方向自由移动，使它与试样后表面紧密接触，这样试样所测温度与试样实际温度接近。
2．照明系统
选用卤素灯为照明光源，其额定电压是24V，稳压电源的最大电压是30V满刻度电流10A。对于短距离照明条件，这种光源属于强光源，适用于高倍光学放大的应用场合。如图1所示，卤素灯(2)产生的光经聚焦抛面镜(1)，照射在毛玻璃片(3)上，毛玻璃片位于聚焦透镜组(4)的焦点位置，形成平行光束。照明系统的设计充分考虑了光电测量系统特有的入射光阑很小的特点尽量得到最大照度的试样像边缘。
2．光学系统
若把试样整体放大，光程很长。为了缩短光程，采用两级光学放大双反射镜光路，第一级1∶1成像，第二级仅对第一级所成像的两个像边缘再次分别放大成像，放大倍数为40，经两个反射镜反射后，聚焦成像在一只CCD上。第一级镜头组由4片镜头组成，胶合成两组，两组之间距离为2-8mm，可用于精确调焦，第一级所成像与第二级透镜组距离为8.3mm，在该像平面位置设置了一光阑，为了避免两个像的光强亮场在CCD上重合，发生CCD的图像信号的混叠。
第二级放大镜头组，是相同的两组透镜组，分别由4片短焦，大数值口径的镜头组成。透镜组的光轴与主光轴的距离是5.25mm，每个透镜组的视场范围是0.30mm，对于稍大于10mm原长的试样的热膨胀引起的伸长量测量已足够满足要求。
该光路二次成像的另一个特点是试样的膨胀伸长量，经两次成像在CCD靶面上转变成试样的像边缘由两边端向中心的移动，因此仅用5000×7μm的一片CCD器件构成的35mm长的光电标尺，即可完成对试样两个像边缘图像同时采样。采取试样两像边缘图像同时采样，其目的是为了得到绝对的膨胀伸长量，比单边测量具有更高的测量精度。对测量的影响小到可以忽略的程度，而不必进行专门的修正。
电子系统
电子系统由CCD器件、驱动电路、视频放大器、数据采集等部分组成。用计算机最终完成数据的处理，见图3。
一般来说，测量范围和测量精度是选择CCD器件的主要依据。本测量统被测试样原长的尺寸是10mm左右，光学系统的放大倍率为40倍，被测膨胀伸长量要求精度较高，应为0.1μm，它在像面上对应的精度为4μm。根据CCD测量灵敏度的需要，4μm要小于1个CCD光敏像素的空间尺寸。选择TCD141C型号CCD可满足测量范围和精度的要求。
其驱动电路为TCD141C要求的以WQ2801模块为核心的电路。
为了连续调整增益倍数，而不发生自激振荡现象，视频放大采用了三级放大见图4。
第一级采用LF357运算放大器，用于反相，放大倍数为1∶1，目的是把CCD输出的负脉冲视频信号，转换成正脉冲视频信号，以便进一步处理和A/D采集。
第二级是对CCD视频脉冲信号的电位进行调整，也即调整U3W电位器可同时等量地改变亮场和暗场的电平，其目的是调整A/D转换量化值的零点，另外对降低噪声有一定效果。所用的是LF356运算放大器。
第三级是正相放大部分，采用的是LF357运算放大器，U5W2可连续调整信号的增益倍数，而不发生自激振荡现象，使得送A/D采集系统前的信号可调至动态范围的上限。
采用8位高速模数转换器AD3318，静态存贮器SRAM62256，一次采集命令启动，连续采集六幅CCD电子图像，计算机进行数据处理，采集程度用C语言编写。
像边缘位移量的数据处理
由于大量的各种噪声和光敏元响应不均匀等影响，试样像边缘会发生扭曲，采用中值滤波软件方法进行平滑处理，消除噪场影响，采用多点判据进行像边缘位移量的计算，再求平均，进一步降低随机误差。每一测量点多次测量求平均，提高测试精度。程序框图如图5所示。
Claims (4)
1．一种热膨胀系数的非接触测量方法，包括对试样的光学放大，用固体摄像CCD对光信号采集及光电信号的处理步骤，其特征在于：光学放大部分采用二级放大，第二级仅对第一级所成像的两个像边缘再次分别放大，并最终聚焦成像在一只CCD上。
2．按权利要求1所述热膨胀系数的非接触测量方法，其特征在于：第一级放大倍数为1倍，第二级放大倍数为20～100倍。
3．一种实现权利要求1所述测量方法的热膨胀系数非接触测量装置，包括照明系统，试样架系统，光学系统，电子系统，四大部分，其特征在于：光学系统设计为一箱式壳体(13)，壳体(13)入口处设置第一级镜头组(6)，其像平面处设置一光阑(8)，光阑(8)后固定设置两组相同放大倍数的第二级镜头组(9)与光路成45°角分别设置两个平面反射镜，第二级成像平面处设置一个固体摄像器件CCD。
4．按权利要求3所述热膨胀系数非接触测量装置，其特征在于所述试样架系统为用顶丝夹持调节的两片石英玻璃。
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