CN107796845A - 一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法 - Google Patents

一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法，该装置包括自准直仪、真空仓、单面平面反射镜、电动升降机构和温度调节装置。当变温样品温度改变时，平面反射镜的倾角会发生变化，倾角的变化量可由自准直仪测量出，从而得到材料的热膨胀系数。本发明原理简单，操作方便，所测得样品可以任何的固体材料，应用范围广，与现有的热膨胀系数测量方案相比，没有复杂的光路，降低测量难度，同时降低了装置成本，提高了热膨胀系数的测量精度。

Description

一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法
技术领域
本发明属于固体材料热膨胀特征参数测量技术领域，涉及一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法，具体地说，涉及一种在不同温度下对固体材料的热膨胀系数进行测定的装置及方法。
背景技术
材料热膨胀系数是物质的基本物理性质之一，准确测量材料的热膨胀系数，对于基础科学研究、技术创新、工程应用都具有重要的意义。上世纪60年代，随着激光器和计算机的诞生以及各学科的进步，材料的热膨胀系数的研究向着更精确，更方便，测量范围更大的方向发展。在2000年，日本的M.Okaji和他的同事用顶杆膨胀仪在-50～250℃的温度范围内对一些硅玻璃进行了测量，标准不确定度为2～4×10-8K-1。这种方法机构简单、操作容易、适合于各种形状的样品，但是这种方法是一种非绝对测量方法，需要进一步校准工作。他们也对激光干涉膨胀仪做了改进，测量范围在300～1300K，测量结果不确定度为1.1×10-8K-1，但是由于干涉装置中样品表面反射测量光的能力受到温度的限制。2005年，美国的E.G.Wolff和J.E.Sharp也利用激光设计了衍射膨胀装置来测量材料热膨胀系数，它的测量精度不亚于干涉，偏差在2％以内，但是由于衍射狭缝的限制，膨胀量不是很大，所以测量范围有所限制。2000年，我国台湾的Chi Hsiang Pan发明了一种测量薄片物体材料的线性热膨胀系数装置，利用两个长度不同的薄片材料在相同温度变化下的膨胀量不一样，根据游标尺的读数来间接测得材料的膨胀量。但当膨胀量很大的时候，游标尺的读数与膨胀量的关系是非线性的，很难得到准确的数值，所以这个装置的测量范围有限。因此，精确测量材料的热膨胀系数的意义重大。
通常测定材料热膨胀系数有很多装置或方法，例如：激光干涉膨胀仪、顶杆膨胀仪、衍射膨胀仪装置、显微膨胀装置和瞬态法等。其中，光学测量的精度最高，对材料的影响也最小。自准直仪是一种能发射平行光束的精密光学仪器，也是装校和调整光学仪器的重要工具之一。自准直仪测量角度的微小变化。准确度高，能很好地应用于材料膨胀或者收缩之后引起的装置结构上的角度变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体材料热膨胀系数的测量装置及方法，该装置可实时改变样品材料的温度，从而测出不同温度下的固体材料的热膨胀系数，该装置结构简单，不需要搭建复杂的光路，所需要的装置较少，具有成本低廉、操作方便的特点，适合推广应用。
其具体技术方案为：
一种固体材料热膨胀系数的测量装置，包括自准直仪1、真空仓窗口2、真空仓3、平面反射镜4、变温样品5、变温载物平台6、导热铜带7、常温载物平台8和常温样品9，真空仓3作为隔绝空气和真空环境的装置，平面反射镜4、变温样品5、变温载物平台6、导热铜带7、常温载物平台8和常温样品9都置于真空仓3中，其连接关系为变温载物平台6与常温载物平台8之间有一定的间隔，导热铜带7置于真空仓3底部，导热铜带7与变温载物平台6相连，变温样品5置于变温载物平台6上，常温样品9置于常温载物平台8上，平面反射镜4安装在变温样品5和常温样品9的顶端；真空仓窗口2设置在真空仓3顶部；自准直仪1位于真空仓3外部，安装在真空仓窗口2正上方，后面用于测量平面反射镜4的倾斜角度；所述变温载物平台6和常温载物平台8位于真空仓3底部，变温载物平台6和常温载物平台8下面是绝热支撑，这样能隔绝变温载物平台6、常温载物平台8和样品仓3这三者之间的热传导。样品的升降由一个电动升降机构11驱动。
优选地，所述自准直仪1的出射光经平面反射镜4反射，达到测角目的。
优选地，根据不同的温度范围，所述导热铜带7分为升温加热和降温制冷过程，在升温加热过程中，利用导热铜带7输入真空仓3外热源所产生的热量，使变温样品5的温度升高；而在降温制冷过程中，利用导热铜带7输入真空仓3外冷源产生的冷量，使变温样品5的温度降低。
优选地，所述的真空仓3是真空测量环境下的绝热装置，抽真空采用所述的机械真空泵，能达到10-1Pa以下的真空度。
优选地，所述的自准直仪1在测量过程中实时测量，然后进行实时调节校正，提高测量精度。
优选地，所述绝热支撑由多层聚四氟乙烯材料加工而成。
一种固体材料热膨胀系数的测量方法，包括以下步骤：首先是放置样品，将常温下的3个样品棒放入真空仓3，其中两个样品棒作为常温样品9置于常温载物平台8上，另一个样品棒作为变温样品5置于变温载物平台6上，三者之间成正三角形布置，然后平面反射镜4放置在三个样品的顶端，自准直仪1置于真空仓窗口2的正上方。第二步是正式测量，过程为先抽真空，使真空度下降到10-1Pa，这时通过自准直仪1测量平面反射镜4相对于水平面的倾斜角度θ1，然后通过导热铜带7导入外界热量或者冷量，对变温样品5进行加热或者制冷，变温样品5产生相应的膨胀或者收缩，根据平面反射镜4的安装条件可得，在变温样品5发生膨胀或者收缩的时候，平面反射镜4相对于水平面的倾角会发生变化，此时通过自准直仪1每隔10℃测量一次平面反射镜4的倾角变化量Δθn，即得到温度变化后平面反射镜4的倾角θ2n，然后调节载物平台下的升降结构进行实时调节校正，使自准直仪1的分划板在光电传感器上的像位移为ΔSn＝0，通过多次测量校准到达预定温度，累计多次ΔSn作为总的位移ΔS，以总的位移变化ΔS转换为总的倾角变化Δθ，得到温度稳定后平面反射镜4的倾角θ2，则温度变化稳定后测得的热膨胀系数表示为其中变温样品5长度L2、变温样品5与常温样品9的中心距L3都是已知的，所以热膨胀系数可以直接计算出来，通过编写相应的软件，以上测量过程实现自动化测量、计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)、本发明真空仓的使用为绝热环境的实现提供了保证。装置采用机械真空泵可以达到0.1Pa以下的真空度，从而避免了空气热传导和热对流对样品降温的影响，使样品温度在精度要求范围内，提高了测量精度。
(2)、由于本发明的装置是基于自准直仪测量角度变化的，原理简单，操作方便，装置所需部件简单，是实验室常用设备，这样就降低了设备成本，便于实现。
(3)、本发明所测样品可以是任意固体材料，应用范围广。
(4)、本发明的装置中测量过程没有中间转换元件对测试信号的干扰，极大地提高了探测效率、准确度。
(5)、由于本发明采用了真空仓与电动升降机构绝热支撑连接，隔绝了样品和电动升降机构的热传导，这样做一方面可以保证样品的温度要求，另一方面避免了温度对电动升降机构的影响。
(6)、本发明中平面反射镜底部有锥形沟槽，样品棒顶部为球形，平面反射镜与样品棒之间的放置关系在变温样品与常温样品的中心距不大的时候，能达到很高的测量精度。从原理上减少了误差，提高测量精度。
附图说明
图1是固体材料热膨胀系数的测量原理图；
图2是本发明固体材料热膨胀系数的测量装置原理示意图；
图3是本发明一个实施例的装置结构示意图；
图4是载物平台与电动升降机构以及绝热支撑之间的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
本发明原理是间接测量法，通过测量平面反射镜的倾斜角度变化达到测量材料热膨胀系数的目的，原理简单，操作方便。其测量原理如图1，AB、B、C、CD、AD分别为常温样品、常温样品的底部中心、变温样品的底部中心、变温样品、平面反射镜。对变温样品的温度进行控制，当变温样品的温度升高或者降低的时候，变温样品的长度会发生相应的伸长或者缩短，伸长量或者缩短量可以表示为ΔL＝α·L·ΔT，α表示材料的热膨胀系数，L表示材料的起始长度，ΔT表示温度的改变量。这将会导致平面反射镜的倾角θ发生变化，而平面反射镜的倾角与热膨胀系数α之间的关系可以表示为当测得平面反射镜在温度变化前后的倾角后，就能够根据以上关系求得该种材料的热膨胀系数。
如图2所示，本发明整个装置具体包括测量仪器1、平面反射镜4、样品棒10、真空仓3及其附属低温真空系统、电动升降机构11、温度调节装置12，其中测量仪器为自准直仪1，平面反射镜4为单面反射镜。固体材料热膨胀系数的测量过程为：温度调节装置12向变温样品输入外界的热量或者冷量，变温样品的长度将会发生相应的伸长或者缩短，致使平面反射镜的倾斜角度发生变化，由自准直仪发出平行光，照射在平面反射镜上，平面反射镜反射来自自准直仪的光束，自准直仪接受反射回的光线，与发出的光线进行相关运算，得到平面反射镜的倾斜角度，然后将这一数据编程进行处理，让电动升降机构来调节平面反射镜的角度，使角度恢复为起始值。每隔10℃调节一次，直到温度稳定在预定的温度。实时测量调节，提高测量精度。
如图3所示，一种固体材料热膨胀系数的测量装置，包括为自准直仪1、真空仓窗口2、真空仓3、平面反射镜4、变温样品5、变温载物平台6、导热铜带7、常温载物平台8和常温样品9，真空仓3作为隔绝空气和真空环境的装置，平面反射镜4、变温样品5、变温载物平台6、导热铜带7、常温载物平台8和常温样品9都置于真空仓3中，其连接关系为变温载物平台6与常温载物平台8之间有一定的间隔，导热铜带7置于真空仓3底部，导热铜带7与变温载物平台6相连，变温样品5置于变温载物平台6上，常温样品9置于常温载物平台8上，平面反射镜4安装在变温样品5和常温样品9的顶端；真空仓窗口2设置在真空仓3顶部；自准直仪1位于真空仓3外部，安装在真空仓窗口2正上方，后面用于测量平面反射镜4的倾斜角度；所述变温载物平台6和常温载物平台8位于真空仓3底部，变温载物平台6和常温载物平台8下面是绝热支撑，这样能隔绝变温载物平台6、常温载物平台8和样品仓3这三者之间的热传导；样品的升降由一个电动升降机构11驱动。
优选地，所述自准直仪1的出射光经平面反射镜4反射，达到测角目的。
优选地，根据不同的温度范围，所述导热铜带7分为升温加热和降温制冷过程，在升温加热过程中，利用导热铜带7输入真空仓3外热源所产生的热量，使变温样品5的温度升高；而在降温制冷过程中，利用导热铜带7输入真空仓3外冷源产生的冷量，使变温样品5的温度降低。
优选地，所述的真空仓3是真空测量环境下的绝热装置，抽真空采用所述的机械真空泵，能达到10-1Pa以下的真空度。
优选地，所述的自准直仪1在测量过程中实时测量，然后进行实时调节校正，提高测量精度。
优选地，所述绝热支撑由多层聚四氟乙烯材料加工而成。
一种固体材料热膨胀系数的测量方法，包括以下步骤：首先是放置样品，将常温下的3个样品棒放入真空仓3，其中两个样品棒作为常温样品9置于常温载物平台8上，另一个样品棒作为变温样品5置于变温载物平台6上，三者之间成正三角形布置，然后平面反射镜4放置在三个样品的顶端，自准直仪1置于真空仓窗口2的正上方。第二步是正式测量，过程为先抽真空，使真空度下降到10-1Pa，这时通过自准直仪1测量平面反射镜4相对于水平面的倾斜角度θ1，然后通过导热铜带7导入外界热量或者冷量，对变温样品5进行加热或者制冷，变温样品5产生相应的膨胀或者收缩，根据平面反射镜4的安装条件可得，在变温样品5发生膨胀或者收缩的时候，平面反射镜4相对于水平面的倾角会发生变化，此时通过自准直仪1每隔10℃测量一次平面反射镜4的倾角变化量Δθn，即得到温度变化后平面反射镜4的倾角θ2n，然后调节载物平台下的升降结构进行实时调节校正，使自准直仪1的分划板在光电传感器上的像位移为ΔSn＝0，通过多次测量校准到达预定温度，累计多次ΔSn作为总的位移ΔS，以总的位移变化ΔS转换为总的倾角变化Δθ，得到温度稳定后平面反射镜4的倾角θ2，则温度变化稳定后测得的热膨胀系数表示为其中变温样品5长度L2、变温样品5与常温样品9的中心距L3都是已知的，所以热膨胀系数可以直接计算出来，通过编写相应的软件，以上测量过程实现自动化测量、计算。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种固体材料热膨胀系数的测量装置，其特征在于，包括为自准直仪(1)、真空仓窗口(2)、真空仓(3)、平面反射镜(4)、变温样品(5)、变温载物平台(6)、导热铜带(7)、常温载物平台(8)和常温样品(9)，真空仓(3)作为隔绝空气和真空环境的装置，平面反射镜(4)、变温样品(5)、变温载物平台(6)、导热铜带(7)、常温载物平台(8)和常温样品(9)都置于真空仓(3)中，其连接关系为变温载物平台(6)与常温载物平台(8)之间有一定的间隔，导热铜带(7)置于真空仓(3)底部，导热铜带(7)与变温载物平台(6)相连，变温样品(5)置于变温载物平台(6)上，常温样品(9)置于常温载物平台(8)上，平面反射镜(4)安装在变温样品(5)和常温样品(9)的顶端；真空仓窗口(2)设置在真空仓(3)顶部；自准直仪(1)位于真空仓(3)外部，安装在真空仓窗口(2)正上方，后面用于测量平面反射镜(4)的倾斜角度；所述变温载物平台(6)和常温载物平台(8)位于真空仓(3)底部，变温载物平台(6)和常温载物平台(8)下面是绝热支撑，这样能隔绝变温载物平台(6)、常温载物平台(8)和样品仓(3)这三者之间的热传导；样品的升降由一个电动升降机构(11)驱动。
2.根据权利要求1所述的固体材料热膨胀系数的测量装置，其特征在于，所述的真空仓(3)是真空测量环境下的绝热装置，抽真空采用机械真空泵，能达到10-1Pa以下的真空度。
3.根据权利要求1所述的固体材料热膨胀系数的测量装置，其特征在于，所述绝热支撑由多层聚四氟乙烯材料加工而成。
4.一种固体材料热膨胀系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：首先是放置样品，将常温下的3个样品棒放入真空仓(3)，其中两个样品棒作为常温样品(9)置于常温载物平台(8)上，另一个样品棒作为变温样品(5)置于变温载物平台(6)上，三者之间成正三角形布置，然后平面反射镜(4)放置在三个样品的顶端，自准直仪(1)置于真空仓窗口(2)的正上方；第二步是正式测量，过程为先抽真空，使真空度下降到10-1Pa，这时通过自准直仪(1)测量平面反射镜(4)相对于水平面的倾斜角度θ1，然后通过导热铜带(7)导入外界热量或者冷量，对变温样品(5)进行加热或者制冷，变温样品(5)产生相应的膨胀或者收缩，根据平面反射镜(4)的安装条件得到，在变温样品(5)发生膨胀或者收缩的时候，平面反射镜(4)相对于水平面的倾角会发生变化，此时通过自准直仪(1)每隔10℃测量一次平面反射镜(4)的倾角变化量Δθn，即得到温度变化后平面反射镜(4)的倾角θ2n，然后调节载物平台下的升降结构进行实时调节校正，使自准直仪(1)的分划板在光电传感器上的像位移为ΔSn＝0，通过多次测量校准到达预定温度，累计多次ΔSn作为总的位移ΔS，以总的位移变化ΔS转换为总的倾角变化Δθ，得到温度稳定后平面反射镜(4)的倾角θ2，则温度变化稳定后测得的热膨胀系数表示为其中变温样品(5)长度L2、变温样品(5)与常温样品(9)的中心距L3都是已知的，热膨胀系数能直接计算出来。
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