CN107621475A - 一种热膨胀系数高通量检测装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种热膨胀系数高通量检测装置及其控制方法，所述装置包括激光发射器、半反射透镜、加热台以及电荷耦合器件摄像机，其中：所述加热台上放置待测样品，所述加热台产生热量，以加热所述待测样品，并使得所述待测样品发生膨胀；所述激光发射器发射出的光线抵达所述半反射透镜后，分别产生反射光和透射光；所述反射光反射至所述电荷耦合器件摄像机中，所述透射光在所述待测样品表面发生反射后也反射至所述电荷耦合器件摄像机中。本发明提供的技术方案，能够提高热膨胀系数的检测精度。

Description

一种热膨胀系数高通量检测装置及其控制方法

技术领域

本申请涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种热膨胀系数高通量检测装置及其控制方法。

背景技术

合金材料的体积会随着温度的变化而发生变化，热膨胀系数是衡量这种变化的一个重要参数，其表示为单位温度变化下材料所产生的应变量。在工程运用领域，热膨胀系数是进行材料选择和结构设计的一个非常关键的参数。

目前测量固体材料热膨胀系数的方法基本是理论结合实验的方法，主要有光杠杆法、云纹法、劈尖法、激光扫描测微法、电子散斑法、光纤光栅法、顶杆膨胀法和迈克尔逊干涉法。每种技术都有自己适用的场合，并不具有普遍性，且操作复杂，不具有高效性，很难实现对固体材料热膨胀系数的高通量测量。例如光杠杆法测量的温度范围小，分辨率低，对于热膨胀系数小的材料很难识别；云纹法要求在测量表面刻蚀精确的光栅，工艺要求较高，同时对材料产生了一定的破坏性，对材料的性能产生了一定的影响，且其光路复杂，对材料的质地要求较高。工作量大，不能高效测量大量样本的热膨胀系数；激光扫描测微法和电子散斑法对测量的环境要求较高，抗干扰能力较弱，测量数据容易受到干扰而产生很大的误差，无法满足测量数据对于高精度的要求。光纤光栅法需要将光栅固定在材料的表面或者埋入材料的内部，和材料一起加热直接测量其热膨胀性，再通过理论的计算得到测量的结果，但是在测量后光纤光栅不能重复利用，再次测量时需要重新标定，因此其工作量也较大，效率不高；顶杆膨胀法是一种非绝对测量的方法，需要做进一步的校对工作，且该方法属于接触式测量，杆与样品之间的机械应力会影响测试结果的准确性，因而此方法的测量精度较低；迈克尔逊干涉法，此方法中产生干涉的两束光分别来自样品和标样的反射，标样以及样平台等部件不可避免的热膨胀也会影响测试精度，测试结果不直观。

每种测量方法与手段都具有不同的特点，适用的材料也有差异。对于某些特殊材料来说，热膨胀系数随着温度的变化而产生的变化极其微小，因此，对测量方法及其测量装置的精度提出更高的要求。尤其针对需要在短时间内完成对大量不同成分的合金材料样品的测试，则测定装置需要具有操作方便，测量快速的特点。

发明内容

本申请的目的在于提供一种热膨胀系数高通量检测装置及其控制方法，能够提高热膨胀系数的检测精度。

为实现上述目的，本申请提供一种热膨胀系数高通量检测装置，所述装置包括激光发射器、半反射透镜、加热台以及电荷耦合器件摄像机，其中：所述加热台上放置待测样品，所述加热台产生热量，以加热所述待测样品，并使得所述待测样品发生膨胀；所述激光发射器发射出的光线抵达所述半反射透镜后，分别产生反射光和透射光；所述反射光反射至所述电荷耦合器件摄像机中，所述透射光在所述待测样品表面发生反射后也反射至所述电荷耦合器件摄像机中。

进一步地，所述装置还包括控制主机，所述控制主机分别与所述激光发射器、所述加热台以及所述电荷耦合器件摄像机相连，其中：

所述控制主机用于向所述激光发射器传输激光器控制信号，以控制所述激光发射器的位置和角度；

所述控制主机还用于向所述加热台发送加热控制信息，以调节所述加热台的加热温度；

所述控制主机还用于从所述电荷耦合器件摄像机处获取干涉信号。

进一步地，所述加热台中还设置有温度传感设备，所述温度传感设备用于将所述加热台当前的加热温度反馈给所述控制主机。

本申请还提供一种热膨胀系数高通量检测装置的控制方法，所述方法包括：

激光发射器发射激光，所述激光到达半反射透镜后，生成反射光和透射光；

所述反射光传输进入电荷耦合器件摄像机，所述透射光通过放置于加热台上的待测样品的表面反射后也进入所述电荷耦合器件摄像机；其中，所述加热台通过预先设定的温度加热所述待测样品，以使得所述待测样品发生膨胀；

所述反射光与所述透射光产生的反射光在所述电荷耦合器件摄像机内发生干涉，所述电荷耦合器件摄像机记录对应的干涉条纹的位置。

进一步地，所述方法还包括：

所述激光发射器接收控制主机发送来的激光器控制信号，并根据所述激光器控制信号调节当前的位置和发射激光的角度。

进一步地，所述方法还包括：

所述加热台接收控制主机发来的加热控制信号，并将对所述待测样品加热的温度设置为所述加热控制信号指定的温度；

所述加热台将当前的加热温度反馈至所述控制主机。

进一步地，所述方法还包括：

所述电荷耦合器件摄像机生成包含所述干涉条纹的位置的干涉信号，并将所述干涉信号发送至控制主机。

进一步地，所述方法还包括：

将所述加热台的加热温度调节为另一个温度，并在所述另一个温度下，通过所述电荷耦合器件摄像机再次记录对应的干涉条纹的位置；

将原先记录的干涉条纹的位置与再次记录的干涉条纹的位置进行对比，得到干涉条纹的位置变化值，并基于所述干涉条纹的位置变化值，计算所述待测样品的热膨胀系数。

进一步地，在对所述待测样品表面上的一个区域完成检测后，所述方法还包括：

调节所述激光发射器的角度，以使得所述激光发射器发射的激光通过所述半反射透镜产生的透射光照射到所述待测样品表面上的另一个区域，以检测所述另一个区域的热膨胀系数。

本申请提供的技术方案，至少具备以下有益技术效果：

1.测量方便快速，可在短时间内完成对大量不同成份的合金材料样品的测试。由于组合材料芯片面积通常仅为边长50mm左右的等边三角形或正方形，包含有几十到上百个成分不同的样品，采用现有的热膨胀系数测量方法难以实现对所有样品的快速测量。而本技术只需通过控制激光发射器的发射角度，使光路落在不同的样品表面，并适当调整电荷耦合器件摄像机接收位置，就可以实现对不同样品的热膨胀系数的测量。

2.无损测量，利用光的干涉原理测量，对样品没有损伤且不需将样品浸入到液态介质中。

3.由计算机完成测量控制，测量自动化程度高。

附图说明

图1为本申请中热膨胀系数高通量检测装置的结构示意图；

图2为本申请中热膨胀系数高通量检测装置的控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请提供一种热膨胀系数高通量检测装置，所述装置包括激光发射器11、半反射透镜12、加热台13以及电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)摄像机14，其中：

所述加热台13上放置待测样品15，所述加热台13产生热量，以加热所述待测样品15，并使得所述待测样品15发生膨胀；

所述激光发射器11发射出的光线1抵达所述半反射透镜12后，分别产生反射光2和透射光3；所述反射光2反射至所述电荷耦合器件摄像机14中，所述透射光3在所述待测样品15表面发生反射后，产生的光线4也反射至所述电荷耦合器件摄像机14中。

在本实施方式中，所述检测装置还包括控制主机16，所述控制主机16分别与所述激光发射器11、所述加热台13以及所述电荷耦合器件摄像机14相连，其中：

所述控制主机16用于向所述激光发射器11传输激光器控制信号，以控制所述激光发射器11的位置和角度；

所述控制主机16还用于向所述加热台13发送加热控制信息，以调节所述加热台13的加热温度；

所述控制主机16还用于从所述电荷耦合器件摄像机14处获取干涉信号。

在本实施方式中，所述加热台13中还设置有温度传感设备(未示出)，所述温度传感设备用于将所述加热台13当前的加热温度反馈给所述控制主机16。

具体地，本发明的待测样品可以采用合金组合材料芯片法制作，具体地，合金组合材料芯片法是将大量不同成分的合金材料样品通过电子束蒸发或磁控溅射方法沉积到同一块基片上的制备方法。其实验效率高，成分控制精确，是一种较为成熟的高通量制备方法。用此种方法得到的组合材料芯片形状为等边三角形或正方形，其上可沉积有数十种甚至上百种不同成分的合金样品，样品与样品可分离或连续，厚度为数十至数百微米。现有的固体材料热膨胀系数测量方法均难以对此类样品的热膨胀系数进行快速的测量。

在本实施方式中，将含有大量样品的材料芯片固定在可移动可加热的样品台上；固定好上方的激光发射器与下方的样品台位置后，从激光发射器中发出束激光束1，经过半透射镜后分为反射光路2和透射光路3；当光线沿光路3到达样品时在样品表面发生反射产生光路4；运用高灵敏度CCD摄像机可以使光路4与光路2发生干涉；当样品台加热使样品温度上升发生膨胀时，样品的表面将会产生微小上升，从而使光路1-3-4的总光程发生微小改变，当光线沿4到达CCD摄像机时与光线2产生的干涉条纹会产生移动；通过测量干涉条纹的移动量，可以计算出样品表面位置的微小上升量，进一步可以得到样品在相应温度变化下的膨胀量；调整激光发射器与样品的位置可以调整测量精度，相对位置越远使光路1-3-4的总光程越长，测量样品膨胀量的精度就越高，但干涉产生的噪声越大。

整个测量系统由计算机完成控制。激光发射器的位置和角度通过计算机控制信号完成控制。试样台的加热由计算机发出加热信号完成控制，其温度变化将由温度传感设备反馈信号回控制计算机，从而达到精确控制和实时监测温度变化的目的。CCD摄像机将干涉信号传回计算机并由相关算法完成干涉条纹移动量和样品膨胀量的计算，最终输出热膨胀系数的测量值。

请参阅图2，本申请还提供一种应用于上述的热膨胀系数高通量检测装置中的控制方法，所述方法包括：

S1：激光发射器发射激光，所述激光到达半反射透镜后，生成反射光和透射光；

S2：所述反射光传输进入电荷耦合器件摄像机，所述透射光通过放置于加热台上的待测样品的表面反射后也进入所述电荷耦合器件摄像机；其中，所述加热台通过预先设定的温度加热所述待测样品，以使得所述待测样品发生膨胀；

S3：所述反射光与所述透射光产生的反射光在所述电荷耦合器件摄像机内发生干涉，所述电荷耦合器件摄像机记录对应的干涉条纹的位置。

在本实施方式中，所述方法还包括：

所述激光发射器接收控制主机发送来的激光器控制信号，并根据所述激光器控制信号调节当前的位置和发射激光的角度。

在本实施方式中，所述方法还包括：

所述加热台接收控制主机发来的加热控制信号，并将对所述待测样品加热的温度设置为所述加热控制信号指定的温度；

所述加热台将当前的加热温度反馈至所述控制主机。

在本实施方式中，所述方法还包括：

所述电荷耦合器件摄像机生成包含所述干涉条纹的位置的干涉信号，并将所述干涉信号发送至控制主机。

在本实施方式中，所述方法还包括：

将所述加热台的加热温度调节为另一个温度，并在所述另一个温度下，通过所述电荷耦合器件摄像机再次记录对应的干涉条纹的位置；

将原先记录的干涉条纹的位置与再次记录的干涉条纹的位置进行对比，得到干涉条纹的位置变化值，并基于所述干涉条纹的位置变化值，计算所述待测样品的热膨胀系数。

在本实施方式中，在对所述待测样品表面上的一个区域完成检测后，所述方法还包括：

调节所述激光发射器的角度，以使得所述激光发射器发射的激光通过所述半反射透镜产生的透射光照射到所述待测样品表面上的另一个区域，以检测所述另一个区域的热膨胀系数。

具体地，测量开始前可以将组合材料芯片样品固定在加热台上，并固定加热台的位置。然后按照以下的步骤进行处理。

步骤1、测量开始时，通过计算机控制激光发射器的位置和角度，使发射的激光光路1经由半透射镜分为光路2和光路3，并使光路3落在材料芯片上需要测量的样品表面。经样品表面反射的光路4进入CCD摄像机与光路2发生干涉，并在CCD摄像机内确定干涉条纹的位置，由计算机记录。

步骤2、通过计算机控制激光发射器的角度，使光路3的移动到组合材料芯片上另一个需要测量的样品表面，并重复记录CCD干涉条纹位置。

步骤3、重复这一操作记录下组合材料芯片上所有样品在常温下的干涉条纹位置。

步骤4、通过计算机控制加热台升温，待加热台温度升至指定温度时，调整激光发射器，使光路3移动到所需测量的样品表面，并记录此温度下干涉条纹的位置。

步骤5、随后重复调整激光发射器，使光路3落到每一个需要测量的样品表面，并记录其对应的干涉条纹位置。计算机通过计算此温度干涉条纹位置与常温下干涉条纹位置的变化可以得到此温度区间内组合材料芯片内每一个样品的平均热膨胀系数。

步骤6、在此基础上，控制加热台温度继续上升，并重复以上步骤，可以测量其它温度区间各样品的膨胀率。

本申请提供的技术方案，至少具备以下有益技术效果：

1.测量方便快速，可在短时间内完成对大量不同成份的合金材料样品的测试。由于组合材料芯片面积通常仅为边长50mm左右的等边三角形或正方形，包含有几十到上百个成分不同的样品，采用现有的热膨胀系数测量方法难以实现对所有样品的快速测量。而本技术只需通过控制激光发射器的发射角度，使光路落在不同的样品表面，并适当调整电荷耦合器件摄像机接收位置，就可以实现对不同样品的热膨胀系数的测量。

2.无损测量，利用光的干涉原理测量，对样品没有损伤且不需将样品浸入到液态介质中。

3.由计算机完成测量控制，测量自动化程度高。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

Claims (9)

1.一种热膨胀系数高通量检测装置，其特征在于，所述检测装置包括激光发射器、半反射透镜、加热台以及电荷耦合器件摄像机，其中：

所述加热台上放置待测样品，所述加热台产生热量，以加热所述待测样品，并使得所述待测样品发生膨胀；

所述激光发射器发射出的光线抵达所述半反射透镜后，分别产生反射光和透射光；所述反射光反射至所述电荷耦合器件摄像机中，所述透射光在所述待测样品表面发生反射后也反射至所述电荷耦合器件摄像机中。

2.根据权利要求1所述的热膨胀系数高通量检测装置，其特征在于，所述装置还包括控制主机，所述控制主机分别与所述激光发射器、加热台以及电荷耦合器件摄像机相连，其中：

所述控制主机用于向所述激光发射器传输激光器控制信号，以控制所述激光发射器的位置和角度；

所述控制主机还用于向所述加热台发送加热控制信息，以调节所述加热台的加热温度；

所述控制主机还用于从所述电荷耦合器件摄像机处获取干涉信号。

3.根据权利要求2所述的热膨胀系数高通量检测装置，其特征在于，所述加热台中还设置有温度传感设备，所述温度传感设备用于将所述加热台当前的加热温度反馈给所述控制主机。

4.一种应用于权利要求1至3中任一项所述检测装置中的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

激光发射器发射激光，所述激光到达半反射透镜后，生成反射光和透射光；

所述反射光传输进入电荷耦合器件摄像机，所述透射光通过放置于加热台上的待测样品的表面反射后也进入所述电荷耦合器件摄像机；其中，所述加热台通过预先设定的温度加热所述待测样品，以使得所述待测样品发生膨胀；

所述反射光与所述透射光产生的反射光在所述电荷耦合器件摄像机内发生干涉，所述电荷耦合器件摄像机记录对应的干涉条纹的位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述激光发射器接收控制主机发送来的激光器控制信号，并根据所述激光器控制信号调节当前的位置和发射激光的角度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述加热台接收控制主机发来的加热控制信号，并将对所述待测样品加热的温度设置为所述加热控制信号指定的温度；

所述加热台将当前的加热温度反馈至所述控制主机。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述电荷耦合器件摄像机生成包含干涉条纹位置的干涉信号，并将所述干涉信号发送至控制主机。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述加热台的加热温度调节为另一个温度，并在所述另一个温度下，通过所述电荷耦合器件摄像机再次记录对应的干涉条纹的位置；

将原先记录的干涉条纹的位置与再次记录的干涉条纹的位置进行对比，得到干涉条纹的位置变化值，并基于所述干涉条纹的位置变化值，计算所述待测样品的热膨胀系数。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在对所述待测样品表面上的一个区域完成检测后，所述方法还包括：

调节所述激光发射器的角度，以使得所述激光发射器发射的激光通过所述半反射透镜产生的透射光照射到所述待测样品表面上的另一个区域，以检测所述另一个区域的热膨胀系数。