CN108362730A - 一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，包括发射模块、激光扩束器、全透玻璃片、温度传感器、恒温加热台、接收模块、测量结果显示器、真空仓、支撑架；发射模块、激光扩束器、全透玻璃片在支撑架上从上往下竖直排放；恒温加热台在全透玻璃片正下方；温度传感器在恒温加热台上，与测量结果显示器连接；接收模块位于全透玻璃片斜上方，与测量结果显示器连接；发射模块、激光扩束器、全透玻璃片、恒温加热台、接收模块、支撑架都在真空仓中；本发明通过恒温加热台实时改变待测玻璃片温度，采用等厚干涉，同时使用真空仓对测量环境实现真空，减少外部因素影响，实现待测玻璃片线膨胀系数测量，结构简单，操作方便，适合推广使用。

Description

一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及物理工业技术研究领域，特别涉及一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统及方法。

背景技术

玻璃线膨胀系数是玻璃的基本物理性质之一，准确测量玻璃的线膨胀系数，对于基础科学研究、技术创新、工程应用都具有重要的意义。人们对玻璃的线膨胀系数特性的要求越来越高，这就需要精确地测定玻璃材料的线膨胀系数。

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。广泛应用的膨胀系数测量装置可能出现下列问题：(1)须接触大面积的待测材料，造成材料微小的机械特性的改变，(2)测量过程有人工读数环节增大了误差，(3)测量的自动化程度不高，不能实时测量等。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统。

本发明的另一目的为提供一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量方法。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：

一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，包括发射模块、激光扩束器、全透玻璃片、温度传感器、恒温加热台、接收模块、测量结果显示器、真空仓、支撑架；

所述发射模块、激光扩束器、全透玻璃片都在支撑架上，且从上往下竖直排放；所述恒温加热台在全透玻璃片正下方；所述温度传感器在恒温加热台上，同时与测量结果显示器连接；所述接收模块位于全透玻璃片斜上方；接收模块与测量结果显示器连接；发射模块、激光扩束器、全透玻璃片、恒温加热台、接收模块、支撑架都在真空仓中；

所述发射模块包含蓝牙模块、单片机最小系统模块、红光激光发射器；其中蓝牙模块用于接收和发送指令，单片机最小系统模块用于实现对红光激光发射器的启动和关闭控制，红光激光发射器用于发射激光；

所述激光扩束器用于扩束发射的激光；

所述全透玻璃片位于待测玻璃片上方，与待测玻璃片形成等厚干涉，并将激光发射到接收模块；

所述温度传感器用于测量待测玻璃片的温度及温度变化；

所述接收模块包含干涉图样接收板、光电二极管；所述干涉图样将接收板用于接收等厚干涉形成的干涉条纹图样；所述光电二极管用于识别待测玻璃片加热过程中干涉条纹的移动数目，即光电二极管将干涉条纹移动产生的亮度变化转化为电信号，并将电信号传送至玻璃温度测量显示器；

所述测量结果显示器包含主控芯片和数码管，所述主控芯片用于记录干涉条纹移动数目和待测玻璃片实时温度；所述数码管与主控芯片连接，用于实时显示待测玻璃片的实时温度。

优选的，蓝牙模块为HC-06模块；

优选的，红光激光发射器为5V铜材半导体激光管；

优选的，单片机最小系统模块为STC89C52单片机最小系统；

优选的，温度传感器为DS18B20温度传感器；

优选的，干涉图样接收板为白色不透明硬纸板；

优选的，主控芯片为STM32F103RCT6单片机；

优选的，真空仓的真空度达到10^-1Pa。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种基于激光干扰原理的玻璃线膨胀系数测量方法，包括以下步骤：

S1、移动端发送开启信号给真空仓中的红光激光发射器，红光激光发射器发射激光到待测玻璃片；

S2、记录待测玻璃片初始温度T₀，记录待测玻璃片在初始温度下形成的初始干涉条纹图样；

S3、加热待测玻璃片，在待测玻璃片受热发生形变时，记录待测玻璃片形变温度T和形变干涉条纹图样；

S4、将形变干涉条纹图样和初始干涉条纹图样进行处理，即干涉条纹移动产生的亮度变化转化为电信号转送至测量结果显示器的主控芯片，测量结果显示器的主控芯片对电信号进行处理分析，即进行A/D转化，得到干涉条纹移动数目N；

S5、通过干涉条纹移动数目N，获得条纹在玻璃片移动距离ΔL：

变形可得：

设待测玻璃片线膨胀系数为β，根据：

β(T-T₀)·h＝D₀-D，

则得出待测玻璃片的线膨胀系数β：

其中，λ为激光波长；n为待测玻璃片折射率；h为待测玻璃片厚度；T为待测玻璃片形变温度；T₀为待测玻璃片初始温度；D₀为温度T₀时等厚干涉左边界距离；D为温度在T时左边界减小距离。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明通过恒温加热台实时改变待测玻璃片温度，且采用全透玻璃片与待测玻璃片构成等厚干涉，同时使用真空仓对测量环境实现真空，减少外部因素影响，实现待测玻璃的线膨胀系数测量，装置结构简单合理，不需要搭建复杂的光路，所需材料较少，具有成本低廉、操作方便的特点，适合推广使用。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中待测玻璃片与全透玻璃片组成的等厚干涉示意图；

图3是本发明所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量方法的流程图；

图4是实施例中待测玻璃片在干涉图样接受板上形成的干涉条纹图样。

图中，1-支撑架，2-单片机最小系统模块，3-光电二极管，4-干涉图样接受板，5-接收模块，6-温度传感器，7-测量结果显示器，8-恒温加热台，9-待测玻璃片，10-全透玻璃片，11-激光扩束器，12-红光激光发射器，13-发射模块，14-蓝牙模块，15-真空仓。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，包括发射模块13、激光扩束器11、全透玻璃片10、温度传感器6、恒温加热台8、接收模块5、测量结果显示器7、真空仓15、支撑架1；

发射模块13、激光扩束器11、全透玻璃片10都在支撑架上，且从上往下竖直排放；恒温加热台8在全透玻璃片10正下方；温度传感器6在恒温加热台8上，同时与测量结果显示器7连接；接收模块5位于全透玻璃片10斜上方；接收模块5与测量结果显示器7连接；发射模块13、激光扩束器11、全透玻璃片10、恒温加热台8、接收模块5、支撑架1都在真空仓15中；

发射模块13包含蓝牙模块14、单片机最小系统模块2、红光激光发射器12；其中蓝牙模块14为HC-06模块，用于接收和发送指令；单片机最小系统模块2为STC89C52单片机最小系统，用于实现对红光激光发射器的启动和关闭控制；红光激光发射器12为5V铜材半导体激光管，用于发射激光；

激光扩束器11用于扩束发射的激光；

全透玻璃片10位于待测玻璃片上方，与待测玻璃片形成等厚干涉，如图2所示，并将激光发射到接收模块5；

温度传感器6为DS18B20温度传感器，用于测量待测玻璃片的温度及温度变化；通过接触的方式测量待测玻璃片的实时温度，并将数据传送至测量结果显示器7；

恒温加热台8用于给待测玻璃片加热，使待测玻璃片温度均匀变化；待测玻璃为能够在加热条件下产生形变的玻璃；

接收模块5包含干涉图样接收板4、光电二极管3；所述干涉图样接收板4为白色不透明硬纸板，用于接收等厚干涉形成的干涉条纹图样；所述光电二极管3用于识别待测玻璃片加热过程中干涉条纹的移动数目，即光电二极管3将干涉条纹移动产生的亮度变化转化为电信号，并将电信号传送至玻璃温度测量显示器7；

测量结果显示器7包含主控芯片和数码管，所述主控芯片为STM32F103RCT6单片机，用于记录干涉条纹移动数目和待测玻璃片实时温度；所述数码管与主控芯片连接，用于实时显示待测玻璃片的实时温度；

真空仓15是在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。

一种基于激光干扰原理的玻璃线膨胀系数测量方法，其流程图如图3所示，包括以下步骤：

S1、移动端发送开启信号给真空仓中的红光激光发射器，红光激光发射器发射激光到待测玻璃片；

S2、记录待测玻璃片初始温度T₀，记录待测玻璃片在初始温度下形成的初始干涉条纹图样，待测玻璃片在干涉图样接受板上形成的干涉条纹图样如图4所示；

S3、加热待测玻璃片，在待测玻璃片受热发生形变时，记录待测玻璃片形变温度T和形变干涉条纹图样；

S4、将形变干涉条纹图样和初始干涉条纹图样进行处理，即干涉条纹移动产生的亮度变化转化为电信号转送至测量结果显示器的主控芯片，测量结果显示器的主控芯片对电信号进行处理分析，即进行A/D转化，得到干涉条纹移动数目N；

S5、通过干涉条纹移动数目N，获得条纹在玻璃片移动距离ΔL：

变形可得：

设待测玻璃片线膨胀系数为β，根据：

β(T-T₀)·h＝D₀-D，

则得出待测玻璃片的线膨胀系数β：

其中，λ为激光波长；n为待测玻璃片折射率；h为待测玻璃片厚度；T为待测玻璃片形变温度；T₀为待测玻璃片初始温度；D₀为温度T₀时等厚干涉左边界距离；D为温度在T时左边界减小距离。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，包括发射模块、激光扩束器、全透玻璃片、温度传感器、恒温加热台、接收模块、测量结果显示器、真空仓、支撑架；

所述发射模块、激光扩束器、全透玻璃片都在支撑架上，且从上往下竖直排放；所述恒温加热台在全透玻璃片正下方；所述温度传感器在恒温加热台上，同时与测量结果显示器连接；所述接收模块位于全透玻璃片斜上方；接收模块与测量结果显示器连接；发射模块、激光扩束器、全透玻璃片、恒温加热台、接收模块、支撑架都在真空仓中；

所述发射模块包含蓝牙模块、单片机最小系统模块、红光激光发射器；其中蓝牙模块用于接收和发送指令，单片机最小系统模块用于实现对红光激光发射器的启动和关闭控制，红光激光发射器用于发射激光；

所述激光扩束器用于扩束发射的激光；

所述全透玻璃片位于待测玻璃片上方，与待测玻璃片形成等厚干涉，并将激光发射到接收模块；

所述温度传感器用于测量待测玻璃片的温度及温度变化；

所述接收模块包含干涉图样接收板、光电二极管；所述干涉图样将接收板用于接收等厚干涉形成的干涉条纹图样；

所述测量结果显示器包含主控芯片和数码管，所述主控芯片用于记录干涉条纹移动数目和待测玻璃片实时温度；所述数码管与主控芯片连接，用于实时显示待测玻璃片的实时温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述蓝牙模块为HC-06模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述红光激光发射器为5V铜材半导体激光管。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述单片机最小系统模块为STC89C52单片机最小系统。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述温度传感器为DS18B20温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述干涉图样接收板为白色不透明硬纸板。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述主控芯片为STM32F103RCT6单片机。

8.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统，其特征在于，所述真空仓的真空度达到10^-1Pa。

9.一种基于激光干扰原理的玻璃线膨胀系数测量方法，通过权利要求1至8任一权利要求所述的一种基于激光干涉的玻璃线膨胀系数测量系统来实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1、移动端发送开启信号给真空仓中的红光激光发射器，红光激光发射器发射激光到待测玻璃片；

S2、记录待测玻璃片初始温度T₀，记录待测玻璃片在初始温度下形成的初始干涉条纹图样；

S3、加热待测玻璃片，在待测玻璃片受热发生形变时，记录待测玻璃片形变温度T和形变干涉条纹图样；

S4、将形变干涉条纹图样和初始干涉条纹图样进行处理，即干涉条纹移动产生的亮度变化转化为电信号转送至测量结果显示器的主控芯片，测量结果显示器的主控芯片对电信号进行处理分析，即进行A/D转化，得到干涉条纹移动数目N；

S5、通过干涉条纹移动数目N，获得条纹在玻璃片移动距离ΔL：

变形可得：

设待测玻璃片线膨胀系数为β，根据：

β(T-T₀)·h＝D₀-D，

则得出待测玻璃片的线膨胀系数β：

其中，λ为激光波长；n为待测玻璃片折射率；h为待测玻璃片厚度；T为待测玻璃片形变温度；T₀为待测玻璃片初始温度；D₀为温度T₀时等厚干涉左边界距离；D为温度在T时左边界减小距离。