CN109085196B - 单电容热膨胀测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单电容热膨胀测量仪，其包括电阻丝接线柱、锁紧弹簧、旋紧套管螺丝、液氮充口、真空泵连接口、测温电偶及电容器引线连接口、电容器极板接线柱、仪器外壳、样品腔室夹板、下端固定石英支架、上端石英支架、弹簧套管、电阻丝及电容器极板。仪器外壳的夹层内设有电阻丝；仪器外壳的上端面分别设有液氮充口、真空泵连接口及测温电偶及电容器引线连接口；仪器外壳内的仪器室中心上、下对应设有上端石英支架与下端固定石英支架；上端石英支架与下端固定石英支架通过弹簧套管与仪器外壳相连接；下端固定石英支架与上端石英支架中间一侧设有样品腔室夹板，另一侧对应设有电容器极板。该测量仪性能安全可靠、测量精度高、应用效果非常显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种热膨胀测量仪，特别涉及一种单电容热膨胀测量仪。
背景技术
热膨胀材料在生产生活中都有着重要的应用，同时热膨胀现象也经常在材料领域和生产生活中产生一些不利影响。因此对材料的热膨胀现象和反常热膨胀现象的研究一直是科技领域研究工作中的热点问题。由于热膨胀导致的材料尺寸变化很小，通常只有10-6左右，难于测量。因此测量热膨胀的仪器仪表种类较少，特别是对于热缩冷胀和热涨冷缩现象共存的材料的测量仪器更少。
目前，一般测量热膨胀的仪器仪表大都采用光学或压电现象等原理来设计,这些测量仪器对测量样品形状和尺寸的要求较高,有的只能对一定尺寸的柱状样品进行测量,需要的样品量较大，有的只能对薄膜样品进行测量；此外光学测量方法还涉及到光路的调整等复杂的过程，因此操作起来很不方便。
这样就非常有必要提供一种应用效果突出的单电容热膨胀测量仪，根据我们所了解，目前还未见该技术方案的有关专利与文献报道。
因此，提供一种设计合理、结构简单、性能安全可靠、测量精度高、操作简单、应用效果非常显著的单电容热膨胀测量仪，是该领域技术人员当前亟待着手解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种设计合理、结构简单、性能安全可靠、测量精度高、操作简便、既能够测量扁平柱状样品又能够测量薄膜样品、而且应用效果非常显著的单电容热膨胀测量仪。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种单电容热膨胀测量仪，其特征在于该测量仪包括：电阻丝接线柱、锁紧弹簧、旋紧套管螺丝、液氮充口、真空泵连接口、测温电偶及电容器引线连接口、电容器极板接线柱、仪器外壳、样品腔室夹板、下端固定石英支架、上端石英支架、弹簧套管、电阻丝及电容器极板；
所述仪器外壳四周密封形成夹层，夹层内设有用于加热的电阻丝，通过与电阻丝连接的电阻丝接线柱外加电流加热仪器室；
所述仪器外壳的上端面分别设有液氮充口、真空泵连接口及测温电偶及电容器引线连接口；
所述仪器外壳内的仪器室中心上、下对应设有上端石英支架与下端固定石英支架；上端石英支架与下端固定石英支架通过弹簧套管与仪器外壳相连接；所述下端固定石英支架与上端石英支架中间一侧设有样品腔室夹板，另一侧对应设有电容器极板；所述电容器极板上、下对应设有电容器极板接线柱；垂直仪器外壳上端面,穿过仪器外壳在仪器室中心设有锁紧弹簧，锁紧弹簧设置于弹簧套管中。
所述样品腔室夹板与电容器极板保持平行，即电容器两个极板的厚度及间距与样品腔室两个夹板的厚度及间距相等。
所述锁紧弹簧上端设有旋紧套管螺丝。
本发明的有益效果是：本发明采用电容器原理设计了一个测量热膨胀的仪器。将难于测量的微小尺寸变化转换成能够精密测量的电容来测量，可大大提高测量的精度。该测量仪结构简单，操作方便，对待测样品的形状要求不高，既可以测量扁平柱状样品，也可以测量膜状样品。对于耐氧化厚度较大的样品，设备无需抽真空，从而避免了一般热膨胀测量系统使用真空泵的缺点；不但对于正常热膨胀性质的材料能够测量，而且对于热缩冷胀性质的材料也能够测量，其设计结构的特点如下：
（1）设有的平行板样品腔室与平行板电容器并联结构，通过样品形变调整电容器极板间距，把样品尺寸的变化转换成可以高精密测量的电容的变化，从而极大地提高了测量精度。
（2）样品腔室夹板的材料及尺寸与电容器极板的相同，这样设计的样品腔室夹板与电容器极板固定连接并依靠压紧弹簧系统的作用可以完全补偿抵消样品腔室及电容器极板本身尺寸的热涨变化，使得电容器极板间距始终等于样品的厚度。
（3）既可以测量材料的膨胀也可以测量材料的收缩，测量温区可以在低温至高温，取决于仪器各部件的熔点。
（4）对样品质量、大小要求不高，只需极少量样品即可测量；且对样品形状要求不高，既可以测量小型扁平柱状样品，也可以测量片状样品，还可以测量丝状或球状样品。
总之，本发明设计合理、结构简单、性能安全可靠、测量精度高、操作简便、应用效果非常显著；具有非常显著的经济效益和重大的社会效益，且具有重要及广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图中：1电阻丝接线柱，2 锁紧弹簧，3旋紧套管螺丝，4液氮充口，5真空泵连接口，6测温电偶及电容器引线连接口，7电容器极板接线柱，8仪器外壳，9样品腔室夹板，10下端固定石英支架，11上端石英支架，12电阻丝，13电容器极板，14弹簧套管。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、特征详述如下：
如图1所示，一种单电容热膨胀测量仪，该测量仪包括：电阻丝接线柱1、锁紧弹簧2、旋紧套管螺丝3、液氮充口4、真空泵连接口5、测温电偶及电容器引线连接口6、电容器极板接线柱7、仪器外壳8、样品腔室夹板9、下端固定石英支架10、上端石英支架11、电阻丝12、电容器极板13及弹簧套管14。
所述仪器外壳8四周密封形成夹层，夹层内设有用于加热的电阻丝12，
通过与电阻丝12连接的电阻丝接线柱1外加电流加热仪器室。
所述仪器外壳8的上端面分别设有液氮充口4、真空泵连接口5及测温电偶及电容器引线连接口6；低温测量时可从液氮充口4向仪器室内充以液氮，
仪器室内的温度由铂铑合金电偶通过测温电偶及电容器引线连接口6进行测量。
所述仪器外壳8内的仪器室中心上、下对应设有上端石英支架11与下端固定石英支架10，上端石英支架11与下端固定石英支架10通过弹簧套管14与仪器外壳8相连接；所述下端固定石英支架10与上端石英支架11中间一侧设有样品腔室夹板9，另一侧对应设有电容器极板13；所述电容器极板13上、下对应设有电容器极板接线柱7；垂直仪器外壳8上端面,穿过仪器外壳8在仪器室中心设有锁紧弹簧2，所述锁紧弹簧2上端设有旋紧套管螺丝3，锁紧弹簧2设置于弹簧套管14中。
所述仪器整体安装在金属的仪器外壳8中。
操作时，所测样品放置于样品腔室夹板9中，样品腔室夹板9与电容器极板13通过下端固定石英支架10与上端石英支架11构成；测量时通过旋紧套管螺丝3，使得锁紧弹簧2紧紧压在上端石英支架11。所述电容器极板13电容的测量是利用交流锁相放大电容测量电路通过测温电偶及电容器引线连接口6与电容器极板接线柱7相连；如需在真空条件测量时，先利用真空泵通过真空泵连接口5对仪器室内抽真空。
具体而言，所述样品腔室夹板9即由两个抛光的平行黄铜金属平板构成样品腔室，样品放在样品腔室中，即样品夹在两个黄铜金属平板之间；样品腔室的两个平板与右侧两个同样抛光黄铜极板构成的电容器极板13通过热膨胀系数较小的绝缘石英材料的上端石英支架11相连接；连接时，保证所述样品腔室夹板9与电容器极板13始终平行，即电容器两个极板的厚度及间距始终与样品腔室两个夹板的厚度及间距相等。这样该仪器既可测量样品尺寸的变化，又可测量出样品的尺寸。上端石英支架11通过弹簧套管14与仪器外壳8相连接。测量时旋紧弹簧套管螺丝3，通过锁紧弹簧2使上端石英支架11下移，这样样品腔室的两个平板即可夹紧样品。实施中既可采用劲度系数不太大的锁紧弹簧2，也可以采用劲度系数较大的锁紧弹簧2；采用的锁紧弹簧2劲度系数不太大时，锁紧弹簧2底片可设计在上端石英支架的中部，如图1所示，若采用的锁紧弹簧2劲度系数较大时，为防止样品膨胀时形成跷跷板模式，使得电容器极板13间距与样品腔室间距不等，锁紧弹簧2底片可设计在样品腔室上部，即上端石英支架11的左侧立柱上部。电容器的电容通过引线由专门仪表（例如交流锁相放大电路）测量。对于片状样品较薄的情况，仪器室可抽真空或在电容器两极板间加插电介质板，以防止电容器击穿。
本发明的设计原理是：
当样品发生膨胀时，电容器极板间距也同步膨胀，当样品收缩时，旋紧弹簧套管螺丝，使得夹样品的样品腔室夹板始终夹紧样品，此时电容器两个极板间距也同步收缩；由电容器极板间距给出样品的尺寸及其变化情况。根据电容器的电容计算公式：
C=ƐS/D
其中C为电容，S为极板面积，D为极板间距Ɛ为电容器极板间介质的介电常量。本发明中，在电容器极板间不填充其它电介质，可视为真空，Ɛ= Ɛ 0。实践中可从理论上将S的变化计算出来，对电容值进行修正，从修正过的电容值的变化中可以推出电容器极板间距的变化。黄铜的热涨系数可在资料中查询，也可实际测量，从而可以计算电容器极板面积S的变化。
为了更加方便测量，实际上也可将温度，电容的测量值输入到控制模块中，由控制模块内嵌理论公式给出热膨胀系数。
测量应用实例：电容器极板为40cm×40cm，极板间距1mm（样品厚度），假设样品厚度膨胀变为1.000001mm（即产生了1×10-6的膨胀）；考虑极板面积也产生相同的变化（即边长产生1×10-6的膨胀）；那么可以计算出电容器的电容产生1.416×10-15F的变化，这相当于1.416fF。这个数量级的电容可以通过目前电容传感器领域广泛使用的交流锁相放大电容测量电路测量。
上述参照实施例对该单电容热膨胀测量仪进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种单电容热膨胀测量仪，其特征在于该测量仪包括：电阻丝接线柱、锁紧弹簧、旋紧套管螺丝、液氮充口、真空泵连接口、测温电偶及电容器引线连接口、电容器极板接线柱、仪器外壳、样品腔室夹板、下端固定石英支架、上端石英支架、弹簧套管、电阻丝及电容器极板；
所述仪器外壳四周密封形成夹层，夹层内设有用于加热的电阻丝，通过与电阻丝连接的电阻丝接线柱外加电流加热仪器室；
所述仪器外壳的上端面分别设有液氮充口、真空泵连接口及测温电偶及电容器引线连接口；
所述仪器外壳内的仪器室中心上、下对应设有上端石英支架与下端固定石英支架；上端石英支架与下端固定石英支架通过弹簧套管与仪器外壳相连接；所述下端固定石英支架与上端石英支架中间一侧设有样品腔室夹板，另一侧对应设有电容器极板；所述电容器极板上、下对应设有电容器极板接线柱；垂直仪器外壳上端面,穿过仪器外壳在仪器室中心设有锁紧弹簧，锁紧弹簧设置于弹簧套管中；
所述样品腔室夹板与电容器极板保持平行，即电容器两个极板的厚度及间距与样品腔室两个夹板的厚度及间距相等；
所述锁紧弹簧上端设有旋紧套管螺丝。
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