CN108802095A - 利用剪切散斑干涉测量刚性材料热膨胀系数的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种剪切散斑干涉技术测量刚性材料热膨胀系数的方法和系统，该方法包括将待测试样置于舱体内，待测试样置于半导体制冷片的上表面；将相干光源同时照亮两检测面，利用一个产生大错位量的剪切镜将两检测面的像在分光镜上错位重叠，并在相机CCD传感器上产生干涉；操作半导体制冷片进行升温或降温，同时相机同步记录对应的试样变形干涉图而TEC加热制冷驱动源则记录实时温度，而后通过软件对获得的试样变形干涉图进行相应的计算处理从而最终得到试样在一定温度范围内热膨胀系数。本发明的方法具有精度高，检测时间短，检测温度范围大，成本低等优点，并且其还具有精度高、温度范围大以及所需时间短等优势。

Description

利用剪切散斑干涉测量刚性材料热膨胀系数的方法及系统

技术领域

本发明属于检测技术领域，属于光力学检测技术领域，具体涉及一种利用剪切散斑干涉技术测量刚性材料的热膨胀系数的技术。

背景技术

碳原子具有极强的分子间结合能力，它是全世界范围内研究最为广泛的元素之一，与其他材料相比，碳纤维复合材料具有出色的物理性能，例如其抗拉强度高(2～7GPa)，抗压强度高(高约3GPa)，弹性模量大(200～900GPa)，热膨胀系数小，高导电性与导热性等等。正是由于其出色的性能，碳纤维材料在航空航天与机械自动化等领域取得了广泛的应用。另外与钢材相比，碳纤维材料拥有更低的密度与更高的强度，为了更好地利用碳纤维复合材料，对其进行性能的检测是必不可少的，而其中热膨胀系数是一个重要的性能参数。

热膨胀系数是材料的重要机械性能参数之一，准确的测量热膨胀系数在工程应用中有着非常重要的意义，例如温度变化引起热机械变形，使零件尺寸和形状发生变化，从而导致机械的配合性能与产品质量下降，对于精密机械就会导致工作不正常。目前测量刚性材料热膨胀系数的方法主要分为接触式与非接触式两类，接触式测量方法主要有千分表法、光杠杆法、电感法、电容法等；非接触式测量法主要有干涉法、光栅法、密度测量法等等。激光干涉法是一种重要的非接触式方法，与传统的接触式方法相比，其拥有非接触、全场测量、分辨率高、灵敏度与精确度高、不需要标定等优点。美国材料与试验协会专门就干涉法测量热膨胀系数撰写了标准，但其实验过程需要对试件进行抛光等表面处理，过程较为繁琐。针对散斑干涉测量热膨胀系数，C.Dudescu等曾使用电子散斑干涉技术(ESPI)测量了碳纤维材料的热膨胀系数，但其测量过程为面内的位移，不能达到散斑干涉的最高精度。

发明内容

本发明提出一种新的表征刚性材料力学性能实验方法——电子散斑干涉测量刚性材料热膨胀系数测试方法，其相对于传统检测方法，这种方法具有精度高，检测时间短，检测温度范围大，成本低等优点。其测量热膨胀系数的精度可达10^-7/℃，测量的温度范围可达-60℃～180℃，完成一个试样在这个温度范围内的测量仅需3～4个小时的时间，传统测量方法中完成这一温度范围的测量往往需要一天的时间，本发明的检测方法相较于传统测量方法可以显著缩短。

为了达到上述目的，本发明采用的方案是：

一种利用剪切散斑(电子散斑)干涉技术测量刚性材料的热膨胀系数的方法，其包括：

将待测试样置于测试座上，测试座上设置一半导体制冷片，半导体制冷片下表面与水冷系统相连以对其进行换热，待测试样置于半导体制冷片的上表面上；将来自一点的相干光源同时照亮待测试样的两个检测面A面与B面，A面与B面互为被测面与参考面；利用一个可以产生大错位量的剪切镜将A面与B面的像在分光镜上错位重叠，并在相机CCD传感器上产生干涉；这种光路布置中，两个面互为参考面，如果仅有一个面产生变形时，其测量的便是这个面的变形，若两个面都产生变形，那么其测量的便是这两个面的相对变形。操作半导体制冷片进行升温或降温，同时相机同步记录对应的试样变形干涉图，而后通过软件对获得的试样变形干涉图进行自动化滤波、解相位和解包裹操作，得到试样标距段产生的相位变化值，并由相位变化值光程差的公式可以得到试样标距段产生的真实变形量，从而最终得到试样在一定温度范围内热膨胀系数。

优选地，所述测试座为密封舱体，其为一具有开口的密闭舱体，舱体内设有密舱以供试样设置，半导体制冷片镶嵌于密闭舱体底面上；舱体的一侧壁为可透光的材质制成，试样以其检测面平行或基本平行于密封舱体的玻璃侧壁的方式放置于半导体制冷片的上表面上。

进一步地，所述密封舱体固定于光学实验台上，从而保证其在测量过程中始终处于稳定状态。

进一步地，所述方法还包括抽真空的操作，即在开始测量前，开启有橡胶软管与密闭舱体相连接的真空泵而对密闭舱体进行抽真空的操作，并在测量过程中维护在一定真空度下。

一种利用剪切散斑(电子散斑)干涉技术测量刚性材料的热膨胀系数的方法，其包括以下步骤：

1)首先，制备电子散斑干涉测量热膨胀系数的测试试样，测试试样可以为各种刚体材料，将材料加工成指定的形状，加工的试样表面足够光滑。所述的刚体材料是指弹性模量大于50Gpa的材料，指定的形状是指试样应具有两个平行的平面A和平面B(如图1所示)，并且平面A、B间的水平间距应控制在20mm～25mm之间，这是因为：过大间距会导致对焦模糊，过小间距试样的变形量会减少，而导致测量误差增大；所述的足够光滑是指表面粗糙度应小于1.6。优选地，对于透光率较高的材料(如石英)还需要对试样表面进行预处理，例如喷涂哑光白漆，以保证激光能够在试件表面发生反射；具体来说，应使得其反光率低于18％。

2)将上述制备的试样放置于半导体制冷片上，半导体制冷片可以通过TEC加热制冷驱动源进行控制，其可精确检测并控制半导体制冷片的温度，制冷片的温度控制范围为-80℃～200℃，从而可以利用半导体制冷片进行温度的控制。制冷片镶嵌于测试座中，同时将制冷片底部与水冷系统相连以对其进行换热。

3)试样的中A面与B面为检测面，布置电子散斑干涉剪切光路的视场范围使其完全包括试件，剪切光路可以呈现试样的两个像，调节剪切镜使试样两个检测面产生干涉，从而可以测量这两个阶梯面产生的相对变形。

4)TEC加热制冷驱动源和电子散斑干涉位移测量系统同步记录实时温度和对应的试样变形干涉图，TEC加热制冷驱动源的T型热电偶固定在半导体制冷片上，从而可以实时反馈测量温度。

5)通过软件对获得的试样的变形图进行自动化滤波、解相位和解包裹操作，得到试样标距段产生的相位变化值；具体来说，滤波操作为对图像进行中值滤波，可以减小图像噪声对检测结果的影响，解相位操作为将滤波后的图像中的相位信息转化成真实变形量，(转化公式如下)，而在解相位之后，其变形量被以λ/2为模调制成锯齿状(如图6)需要将每个锯齿的末端与下一个锯齿的首端相连，即解包裹操作，得到相位变化值。

由相位变化值光程差的公式可以得到试样标距段产生的真实变形量，其中相位变化值与真实变形量之间的关系按以下公式计算：

式中w为计算的两个检测面产生的相对变形，λ为激光的波长，为相位变化值；

从而可以得到试样在一定温度范围内热膨胀系数，热膨胀系数按以下公式计算得到：

其中ε为实验测量的应变值，w为两个检测面产生的相对变形，l₀为两个检测面在测试方向上的初始相对位置，ΔT为测量开始与结束时温度差值的绝对值。

优选地，所述测试座为具有开口的密闭舱体，舱体内设有密舱，半导体制冷片镶嵌于密闭舱体底面上；舱体的一侧壁为可透光的材质制成，试样以其检测面平行或基本平行于密封舱体的玻璃侧壁的方式放置于半导体制冷片的上表面上。

优选地，所述半导体制冷片的温度控制范围为-80℃～200℃。

进一步地，所述舱体在实验中面向实验光路的一面的玻璃侧壁采用高温玻璃制成，其可以承受较高温度，以免测试中温度变化对检测结果产生影响。

进一步地，所述舱体是固定于光学隔振台上的，以保证试样在测量过程中始终处于稳定状态，避免因试样振动导致测量结果受影响。

进一步地，所述步骤3)中，在实验前用真空泵对舱体进行抽气以制造真空环境，从而防止舱体内气体在温度变化时产生空气扰流而干扰实验结果。为保证测量效果，一般要求在实验过程真空度在30Kpa之下。

一种干涉位移测量热膨胀系数的测量系统，其主要是利用剪切散斑(电子散斑)干涉技术对刚性材料的热膨胀系数进行测量，该系统包括舱体、干涉检测装置、温度调节装置以及控制分析装置等相关部件。

所述舱体内设有试验舱，舱体具有可打开的舱门，以将舱体打开或密封；舱体内的试验舱用于供试样放置于其中，并且舱体一侧还包括可透光的玻璃壁，其采用高温玻璃制成，从而可承受较高温度，以免测试中温度变化对检测结果产生影响；最佳地，所述高温玻璃被配置为与试验舱底壁垂直地设置，从而使得试样的两检测面A、B可以与其平行地放置。

所述干涉检测装置包括激光器、分光镜、剪切镜、相移装置以及相机，激光器设置于舱体外，并且朝向舱体的玻璃壁面地设置，从而可以向舱体内发射激光；而分光镜、剪切镜、相移装置和相机相配合地设置于舱体外靠近玻璃壁的一侧，剪切镜和相移装置固设于分光镜周围相互垂直的两个平面上，相机设置于与相移装置相对的分光镜的另一侧；所述干涉检测装置被配置满足：布置电子散斑干涉剪切光路的视场范围使其完全包括试件，剪切光路可以呈现试样的两个像，使得剪切镜调节后可使试样两个检测面产生干涉，从而可以测量这两个阶梯面产生的相对变形。

所述温度调节装置包括半导致制冷片、水冷系统以及TEC加热制冷驱动源，半导致制冷片设置于舱体底部以形成试验舱底壁，并且其上表面配置为与玻璃壁垂直；水冷系统包括水箱、若干连接管以及散热器，所述水箱设置与半导致制冷片下表面相接触以对其进行制冷或制热，水箱经由连接管与散热器相连并在必要时于管路中辅以泵加快换热速度。

所述控制分析装置为电脑，其内安装有相应的控制软件和处理软件，TEC加热制冷驱动源、相移装置以及相机分别与电脑相连接以向电脑传送数据或将电脑的控制数据传送至相关设备；具体来说，可以控制TEC加热制冷驱动源从而设定温度的变化范围和幅度，并同时记录实时的温度，而相移装置和相机则用于将采集到的信号传输至电脑的处理软件内，而处理软件则根据接到的信号进行计算，从而最终得到材料的热膨胀系数。

在某些实施例中，所述系统还包括真空泵，其通过管道与试验舱相连，从而可以在试验开始前对试验舱进行抽真空操作，必要时还可以在试验过程中起到维持真空度的作用。

在其他实施例中，所述系统还包括光学实验台，所述舱体整体设置于光学实验台上，以保证试样在测量过程中始终处于稳定状态。

在另一些优选实施例中，热膨胀系数的计算按以下方法进行：

使用Matlab软件对采集的图像进行解相位，可以得到如图6所示的未解包裹相位与随采集图像变化关系图，而对其进行解包裹之后可以得到如图7中的解包裹后相位随采集图像变化关系图。将末位置相位值与初始位置相位值进行相减，便得到了试样在设定温度变化范围内的l₀段的相位变化值；其中，末位置相位值和初始位置相位值均是数字形式的参数，末位置与初位置相减为正代表A,B面产生了相对伸长，为负代表相对缩短，一般取绝对值，热膨胀系数不存在负值，再由相位变化值与光程差的公式可以得到l₀段产生的真实变形量。其中相位变化值与真实变形量之间的关系为：

式中w为计算的两个检测面产生的相对变形，λ为激光的波长，为相位变化值。

从而可以得到试样在一定温度范围内热膨胀系数，计算热膨胀系数的公式为：

其中ε为实验测量的应变值，w为两个检测面产生的相对变形，l₀为两个检测面在测试方向上的初始相对位置，ΔT为测量开始与结束时温度差值的绝对值。

附图说明

图1a、1b是本发明采用的试样的结构示意图；

图1c是实际加工的试样照片，其中左、右分别是铝质试样和喷涂后的石英试样；

图2是本发明的散斑干涉光路示意图；

图3是本发明某一实施例的测量系统及其连接方式的示意图；

图4为滤波之后的条纹随采集图像的变化；

图5为未解包裹相位与随采集图像变化关系图，其纵坐标为包裹阶段(wrappedphase)，横坐标为帧号(Frame Number)；

图6为解包裹之后的相位随采集图像变化关系图，其纵坐标为长度缩短(LengthShorten)，横坐标为帧号(Frame Number)；

图7为温度随时间变化的曲线，其纵坐标为温度(Temperature)而横坐标为时间(Time)；

图8为未解包裹的相位随时间图像，其纵坐标为包裹阶段(wrapped phase)，横坐标为时间(Time)；

图9为铝位移与温度的关系曲线，其纵坐标为位移(Displacement)，横坐标为温度读数(Temperature Readout)；

图10为升温与降温过程位移与温度的对应关系曲线，其纵坐标为位移(Displacement)横坐标为温度读数(Temperature Readout)；

图11为石英材料25℃～45℃的处理结果曲线，其纵坐标为位移(Displacement)，而横坐标为帧号(Frame Number)；

图12为石英材料45℃～25℃处理结果曲线，其纵坐标为位移(Displacement)，而横坐标为帧号(Frame Number)。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，从而对本发明要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本发明的某些具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本发明构思的某些具体实施方式仅是本发明的一部分实施例，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本发明，各具体特征并不当然、直接地限定本发明的实施范围。本领域技术人员在本发明构思的指导下所作的常规选择和替换，均应视为在本发明要求保护的范围内。

一种电子散斑干涉位移测量系统，其主要是利用剪切散斑(电子散斑)干涉技术测量刚性材料的热膨胀系数，该系统具体由舱体、干涉检测装置、温度调节装置以及控制分析装置等相关部件组成。

所述舱体1内部设有试验舱，舱体具有可打开的舱门，以将舱体打开或密封；舱体内的试验舱可供试样放置于其中，并且舱体一侧还包括可透光的玻璃壁11，其采用高温玻璃制成，从而可承受较高温度，以免测试中温度变化对检测结果产生影响；最佳地，所述高温玻璃被配置为与试验舱底壁垂直地设置，从而使得试样的两检测面A、B可以与其平行地放置。

所述干涉检测装置包括激光器21、分光镜22、剪切镜23、相移装置24以及相机25，激光器21设置于舱体1外，并且朝向舱体的玻璃壁11面地设置，从而可以向舱体1内发射激光；而分光镜22、剪切镜23、相移装置24和相机25相配合地设置于舱体外靠近玻璃壁11的一侧，剪切镜23和相移装置24固设于分光镜22周围相互垂直的两个平面上，相机25设置于与相移装置24相对的分光镜22的另一侧；所述干涉检测装置被配置满足：布置电子散斑干涉剪切光路的视场范围使其完全包括试件，剪切光路可以呈现试样的两个像，使得剪切镜调节后可使试样两个检测面产生干涉，从而可以测量这两个阶梯面产生的相对变形。

所述温度调节装置包括半导致制冷片31、水冷系统32以及TEC加热制冷驱动源33，半导致制冷片31设置于舱体1底部以形成试验舱底壁，并且其上表面配置为与玻璃壁垂直；水冷系统包括水箱、若干连接管以及散热器，所述水箱设置与半导致制冷片下表面相接触以对其进行制冷或制热，水箱经由连接管与散热器相连并在必要时于管路中辅以泵加快换热速度。

所述控制分析装置为电脑4，其内安装有相应的控制软件和处理软件，TEC加热制冷驱动源、相移装置以及相机分别与电脑相连接以向电脑传送数据或将电脑的控制数据传送至相关设备；具体来说，可以控制TEC加热制冷驱动源从而设定温度的变化范围和幅度，并同时记录实时的温度，而相移装置和相机则用于将采集到的信号传输至电脑的处理软件内，而处理软件则根据接到的信号进行计算，从而最终得到材料的热膨胀系数。

在某些实施例中，所述系统还包括真空泵5，其通过管道与试验舱相连，从而可以在试验开始前对试验舱进行抽真空操作，必要时还可以在试验过程中起到维持真空度的作用。

在其他实施例中，所述系统还包括光学实验台6，所述舱体整体设置于光学实验台上，以保证试样在测量过程中始终处于稳定状态。

在另一些优选实施例中，热膨胀系数的计算按以下方法进行：

使用Matlab软件对采集的图像进行解相位，可以得到如图6所示的未解包裹相位与随采集图像变化关系图，而对其进行解包裹之后可以得到如图7中的解包裹后相位随采集图像变化关系图。将末位置相位值与初始位置相位值进行相减，便得到了试样在设定温度变化范围内的l₀段的相位变化值；其中，末位置相位值和初始位置相位值均是数字形式的参数，末位置与初位置相减为正代表A,B面产生了相对伸长，为负代表相对缩短，一般取绝对值，热膨胀系数不存在负值，再由相位变化值与光程差的公式可以得到l₀段产生的真实变形量。其中相位变化值与真实变形量之间的关系为：

式中w为计算的两个检测面产生的相对变形，λ为激光的波长，为相位变化值。

从而可以得到试样在一定温度范围内热膨胀系数，计算热膨胀系数的公式为：

其中ε为实验测量的应变值，w为两个检测面产生的相对变形，l₀为两个检测面在测试方向上的初始相对位置，ΔT为测量开始与结束时温度差值的绝对值。

一种新型的利用电子散斑干涉技术测量刚性材料热膨胀系数的方法，其能够快速准确测量刚性材料热膨胀系数，该方法的具体操作步骤如下：

1)首先将检测材料制备成如图1所示形状，检测材料可以是各种刚性材料。其中A面与B面为检测面，测量M为试样加工板的厚度，而试样测量段(标距段)为l₀段。检测的为加工过程中要保证试样表面足够光滑。对于透光率较高的材料(如石英)还需要对试样表面进行预处理，例如喷涂哑光白漆，以保证激光能够在试件表面发生反射。

2)如图4所示，将上一步骤制备好的试样放置于密封舱体中的半导体制冷片上，将其将试样的检测面平行于高温玻璃方向，同时布置电子散斑干涉剪切光路的视场范围使其完全包括试件，剪切光路可以呈现试样的两个像，调节剪切镜使“L”型试样的上下两个阶梯面产生干涉，从而可以测量这两个阶梯面产生的相对变形。

3)正式开始测量之前打开真空泵一段时间，使舱体达到真空环境，优选抽空5分钟。使用TEC加热制冷驱动源调节制冷片温度至某设定初始温度，并稳定一段时间，确保试样的温度与初始温度一致，以TEC加热制冷驱动源上测量数据为准。制冷片的温度控制范围为-80℃～200℃。

4)利用软件开启相移装置，并在相移模式下采图并记录采集图片的相移信息，同时调节TEC加热制冷驱动源将制冷片向某设定末位置温度开始移动。优选地，上述实验测量是在-60℃～180℃进行的。

5)等到制冷片温度达到设定的末位置温度时并稳定一段时间之后，终止采图并保存记录的图片信息；一边测量一边进行图像采集，实时采集整个实验过程温度数据与图像数据，结束后对实验采集的图像数据进行处理，处理后得到变形随温度变化的曲线，然后首末位置变形量相减除以温度便是这一温度范围的热膨胀系数。

6)使用Matlab软件对采集的图像进行解相位，可以得到如图6中的未解包裹相位与随采集图像变化关系图，而对其进行解包裹之后可以得到如图7中的解包裹后相位随采集图像变化关系图。

7)将末位置相位值与初始位置相位值进行相减，便得到了试样在设定温度变化范围内的l₀段的相位变化值；其中，末位置相位值和初始位置相位值均是数字形式的参数，末位置与初位置相减为正代表A,B面产生了相对伸长，为负代表相对缩短，一般取绝对值，热膨胀系数不存在负值

由相位变化值与光程差的公式可以得到l₀段产生的真实变形量。其中相位变化值与真实变形量之间的关系为：

式中w为计算的两个检测面产生的相对变形，λ为激光的波长，为相位变化值。

从而可以得到试样在一定温度范围内热膨胀系数，计算热膨胀系数的公式为：

其中ε为实验测量的应变值，w为两个检测面产生的相对变形，l₀为两个检测面在测试方向上的初始相对位置，ΔT为测量开始与结束时温度差值的绝对值。

实施例一

铝材测试试验

按上述的测量方法，对铝材料进行测温试验，控制温度20℃到30℃，在相同情况下进行了三次重复试验；测量过程中温度-时间关系曲线如图7所示进行控制，未解包裹相位与时间的关系曲线如图8所示，而根据上述结果并按本发明的方法计算得到的变形量与温度的关系曲线则如图9所示，如图9中三条曲线计算得到的变形量分别为5.79μm、5.75μm与5.82μm，依据三个测量值求得铝在25℃其热膨胀系数为2.4±0.01×10^-5(1/℃)，该测试具有很好的重复性，并与铝热膨胀系数参考值2.39±0.01×10^-5(1/℃)相符。

在实验中的是利用电子散斑干涉将试件的两个面叠加到一起形成干涉，试件的两个面在图中Y方向上位置并不重合，在半导体将热量经过热传导到试件上时，是由接触面向上传导，实验过程中试件A面与B面可能温度传导的并不完全一致。通常意义上，试件的变形与温度的增加应该是呈现线性的关系，但由于试样的A、B面的温度的不完全一致，导致计算的变形随温度变化呈现先慢后快的趋势。如图10中分别为铝在温度从20℃升高30℃与从30℃降低到20℃时的位移的变化。温度是从20℃上升到30℃对应曲线中，开始时温度随着升高，变形的速度较慢。当温度上升到一定程度时，变形随着温度的升高呈现线性的变化规律；温度是从30℃下降到20℃对应曲线正好相反，温度刚开始下降时产生的变形速度较慢。但两条曲线中温度变化前后产生的相对变形差别小于0.05μm。温度产生相同变化时，升温与降温其相对位移的误差小于1％，从而证明了本发明的实验方法和实验设备在无论升温与降温的过程均具有一定的稳定性。

实施例二

石英材料测试试验

此外，还采用本发明的方法和设备对石英材料进行了验证性试验，分别测量了25℃～45℃与45℃～25℃范围内的石英材料的热膨胀系数。图11、图12分别为石英材料变形与采样频率的关系，测量得到的石英材料在25℃～45℃与45℃～25℃范围内的热膨胀系数分别为7.11×10^-7(1/℃)与5.79×10^-7(1/℃)，与石英材料热膨胀系数参考值5.8×10^-7(1/℃)偏差约为1.0×10^-7(1/℃)。

由此可见，通过上述对铝材和石英材料的实验结果，可以证明本方法可以高精度检测刚性材料的热膨胀系数；该方法具有精度高、检测时间短、检测温度范围大、成本低等优点，并且其测量热膨胀系数的精度可达10^-7/℃，测量的温度范围可达-60℃～180℃，并且完成一个试样在这个温度范围内的测量仅需3～4个小时的时间，较传统测量方法的一天时间明显缩短。

Claims (10)

1.一种利用剪切散斑干涉技术测量刚性材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述方法包括：将待测试样置于测试座上，测试座上设置一半导体制冷片，半导体制冷片下表面与水冷系统相连以对其进行换热，待测试样置于半导体制冷片的上表面；将来自一点的相干光源同时照亮待测试样的两个检测面A面与B面，A面与B面互为被测面与参考面；利用一个产生大错位量的剪切镜将A面与B面的像在分光镜上错位重叠，并在相机CCD传感器上产生干涉；操作半导体制冷片进行升温或降温，同时相机同步记录对应的试样变形干涉图而TEC加热制冷驱动源则记录实时温度，而后通过软件对获得的试样变形干涉图进行自动化滤波、解相位和解包裹操作，得到试样标距段产生的相位变化值，并由相位变化值光程差的公式计算得到试样标距段产生的真实变形量，从而最终得到试样在测试温度范围内热膨胀系数。

2.一种利用剪切散斑干涉技术测量刚性材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)制备剪切散斑干涉测量热膨胀系数所需的测试试样，测试试样可以为各种刚体材料，将材料加工成指定的形状，加工的试样表面需足够光滑；

2)将上述制备的试样放置于半导体制冷片上，半导体制冷片通过TEC加热制冷驱动源进行温度控制，TEC加热制冷驱动源可精确检测并控制半导体制冷片的温度，从而可以利用半导体制冷片对试样的温度进行控制；并且制冷片镶嵌于测试座上，同时将制冷片底部与水冷系统相接触；

3)试样A面与B面为检测面，布置电子散斑干涉剪切光路的视场范围使其完全包括试件，剪切光路可以呈现试样的两个像，调节剪切镜使试样两个检测面产生干涉，从而可以测量这两个阶梯检测面产生的相对变形；

4)TEC加热制冷驱动源和电子散斑干涉位移测量系统同步记录实时温度和对应的试样变形干涉图，TEC加热制冷驱动源的T型热电偶固定在半导体制冷片上，以实时反馈测量温度；

5)通过软件获得的试样的变形图进行自动化滤波、解相位和解包裹操作，得到试样标距段产生的相位变化值，并由相位变化值光程差的公式可以得到试样标距段产生的真实变形量；其中，相位变化值与真实变形量之间的关系按以下公式计算：

式中，w为计算的两个检测面产生的相对变形，λ为激光的波长，为相位变化值；

从而最终得到试样在测量温度范围内的热膨胀系数，热膨胀系数是按以下公式计算得到的：

其中，ε为实验测量的应变值，w为两个检测面产生的相对变形，l₀为两个检测面在测试方向上的初始相对位置，ΔT为测量开始与结束时温度差值的绝对值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测试座为具有开口的密闭舱体，舱体内设有密舱，半导体制冷片镶嵌于密闭舱体底面上；舱体的一侧壁为可透光的材质制成，试样以其检测面平行或基本平行于密封舱体的玻璃侧壁的方式放置于半导体制冷片的上表面上。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，还包括对于透光率较高的试样材料的表面进行预处理，以保证激光能够在试件表面发生反射。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述制冷片的温度控制范围为-80℃～200℃。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述舱体的玻璃侧壁采用高温玻璃制成，其可以承受较高温度，以免测试中温度变化对检测结果产生影响。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述舱体是固定于光学隔振台上的。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，在实验前用真空泵对舱体进行抽气以制造真空环境，从而防止舱体内气体在温度变化时产生空气扰流而干扰实验结果。

9.一种干涉位移测量热膨胀系数的测量系统，其利用剪切散斑干涉技术对刚性材料的热膨胀系数进行测量，该系统包括舱体、干涉检测装置、温度调节装置以及控制分析装置，其特征在于，

所述舱体内设有试验舱，舱体具有可打开的舱门以将舱体打开或密封；舱体内的试验舱用于供试样放置于其中，并且舱体一侧还包括可透光的玻璃侧壁；

所述干涉检测装置包括激光器、分光镜、剪切镜、相移装置以及相机，激光器设置于舱体外，并且朝向舱体的玻璃侧壁地设置；而分光镜、剪切镜、相移装置和相机相互配合地设置于舱体外靠近玻璃侧壁的一侧，剪切镜和相移装置固设于分光镜周围相互垂直的两个平面上，相机设置于与相移装置相对的分光镜的另一侧；所述干涉检测装置被配置为：布置电子散斑干涉剪切光路的视场范围使其完全包括试件，剪切光路可以呈现试样的两个像，使得剪切镜调节后可使试样两个检测面产生干涉，从而可以测量试样的两个阶梯面产生的相对变形；

所述温度调节装置包括半导致制冷片、水冷系统以及TEC加热制冷驱动源，半导致制冷片设置于舱体底部以形成试验舱底壁，并且其上表面配置为与玻璃壁垂直或基本垂直；所述水箱与半导致制冷片下表面相接触以对其进行制冷或制热；

所述控制分析装置为电脑，其内安装有相应的控制软件和处理软件，TEC加热制冷驱动源、相移装置以及相机分别与电脑相连接以向电脑传送数据或将电脑的控制数据传送至相关设备；

所述热膨胀系数的计算按以下方法进行：

使用Matlab软件对采集的图像进行解相位，得到未解包裹相位与随采集图像变化关系图，再对其进行解包裹之后可以得到解包裹后相位随采集图像变化关系图；将末位置相位值与初始位置相位值进行相减，便得到了试样在设定温度变化范围内的l₀段的相位变化值；再由相位变化值与光程差的公式可以得到l₀段产生的真实变形量；相位变化值与真实变形量之间的关系为：

式中w为计算的两个检测面产生的相对变形，λ为激光的波长，为相位变化值；

从而最终按以下公式计算得到试样在一定温度范围内热膨胀系数，

其中ε为实验测量的应变值，w为两个检测面产生的相对变形，l₀为两个检测面在测试方向上的初始相对位置，ΔT为测量开始与结束时温度差值的绝对值。

10.根据权利要求9所述的测量系统，其特征在于，所述系统还包括真空泵和光学实验台，

所述真空泵通过管道与试验舱相连，从而可以在试验开始前对试验舱进行抽真空操作，必要时还可以在试验过程中起到维持真空度的作用；

所述舱体整体设置于光学实验台上，以保证试样在测量过程中始终处于稳定状态。