CN109765262A - 一种热膨胀系数测量仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种热膨胀系数测量仪，包括：底板、第一被测材料、第二被测材料、第一位移测量装置、第二位移测量装置；其中，底板上方安装有第一立柱、第二立柱、第三立柱以及第四立柱；第一立柱上方安装有第一被测材料，第二立柱上方安装有第二被测材料，第三立柱上方安装有第一位移测量装置，第四立柱上方安装有第二位移测量装置；第一位移测量装置的轴线和第一被测材料的轴线重合或平行，第二位移测量装置的轴线和第二被测材料的轴线重合或平行，基于第一位移测量装置的测量结果和第二位移测量装置的测量结果的差值和第一被测材料和第二被测材料长度的差值确定第一被测材料和第二被测材料的热膨胀系数。

Description

一种热膨胀系数测量仪

技术领域

本申请涉及测量技术，尤其涉及一种基于位移差值的热膨胀系数测量仪。

背景技术

目前，热膨胀系数测量仪，均通过一个位移测量装置对一个特定长度的被测材料发生膨胀后的位移变化量进行测量，再通过一系列的温度补偿，来实现对热膨胀系数的测量。实际上，位移测量装置和底板等材料，长期使用会老化，导致标定和补偿公式发生变化，此外，位移测量装置等元器件的干扰因素很多，需要考虑的温度补偿因素很多，例如零漂、传感器材料热膨胀，疲劳，位移测量装置接触被测材料产生的应力等等，这些因素都会导致温度补偿不够精确，从而产生位移变化量的测量误差，最终导致测出的热膨胀系数不够精准。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种热膨胀系数测量仪。

本申请实施例提供的热膨胀系数测量仪，包括：底板、第一被测材料、第二被测材料、第一位移测量装置、第二位移测量装置；其中，

所述底板上方安装有第一立柱、第二立柱、第三立柱以及第四立柱；所述第一立柱上方安装有第一被测材料，所述第二立柱上方安装有第二被测材料，所述第一被测材料和所述第二被测材料是同种材料；所述第三立柱上方安装有第一位移测量装置，所述第四立柱上方安装有第二位移测量装置；所述第一被测材料和所述第二被测材料具有不同的长度和相同的材料，且在所述第一立柱和所述第二立柱上的安装方式相同；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置属于相同的位移测量装置，且在所述第三立柱和所述第四立柱上的固定位置以及安装方式均相同；

所述第一位移测量装置的轴线和所述第一被测材料的轴线重合或平行，所述第二位移测量装置的轴线和所述第二被测材料的轴线重合或平行，所述第一位移测量装置用于测量所述第一被测材料发生膨胀后的长度改变量，所述第二位移测量装置用于测量所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；温度改变后，基于第一位移测量装置和第二位移测量装置测量结果的差值以及第一被测材料和第二被测材料长度的差值，确定所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数。

在本申请的一种实施方式中，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均包括：位移传感器、传输线和解调装置；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均为接触式位移测量装置，所述第一位移测量装置的位移传感器与所述第一被测材料的端部接触，所述第二位移测量装置的位移传感器与所述第二被测材料的端部接触；或者，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均为非接触式位移测量装置，所述第一位移测量装置的位移传感器与所述第一被测材料的端部不接触，所述第二位移测量装置的位移传感器与所述第二被测材料的端部不接触。

在本申请的一种实施方式中，当所述底板上方没有隔热材料时，

所述第一被测材料和所述第二被测材料从固定点到端部的长度分别是L₁和L₂；所述第一被测材料和所述第二被测材料是同种材料，热膨胀系数是未知量α；所述底板的热膨胀系数为已知量α_g；温度改变Δt后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量分别为Δd₁＝αL₁Δt和Δd₂＝αL₂Δt；Δd₀是位移测量装置和其夹具等构件在温度变化后，除了被测材料和底板，其他元器件的热膨胀对位移测量装置测出的长度的影响量总和；因为两个位移测量装置以及安装位置均相同，所以其他因素对两个位移测量装置测出的位移的影响均为Δd₀，做差后，两个位移测量装置对应的Δd₀能够消除；所述第一被测材料和所述第二被测材料对应等长度的底板的热膨胀位移量分别为Δd_g1＝α_gL₁Δt和Δd_g2＝α_gL₂Δt，所述Δd_g1和所述Δd_g2是已知量；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个位移Δd_a1和Δd_a2分别为两个被测材料热膨胀与底板热膨胀产生的位移以及Δd₀的差值，即Δd_a1＝Δd₁-Δd_g1-Δd₀，Δd_a2＝Δd₂-Δd_g2-Δd₀，从而确定Δd₁＝Δd_a1+Δd_g1+Δd₀和Δd₂＝Δd_a2-+Δd_g2+Δd₀；通过Δd₁和Δd₂做差消去Δd₀，得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α为：

在本申请的一种实施方式中，当所述底板上方有隔热材料时，所述隔热材料将所述底板和上方的所述第一被测材料、所述第二被测材料、所述第一位移测量装置以及所述第二位移测量装置隔离开，使得当温度改变时，只有所述隔热材料上方的区域温度发生变化，所述底板不发生热膨胀；

所述第一被测材料和所述第二被测材料从固定点到端部的长度分别是L₁和L₂；所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数是未知量α；温度改变Δt后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量分别为Δd₁＝αL₁Δt和Δd₂＝αL₂Δt；Δd₀是位移测量装置和其夹具等构件在温度变化后，除了被测材料和底板，其他元器件的热膨胀对位移测量装置测出的长度的影响量总和；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个位移Δd_a1和Δd_a2分别为两个被测材料热膨胀产生的位移与Δd₀的差值，即Δd_a1＝Δd₁-Δd₀，Δd_a2＝Δd₂-Δd₀，从而确定Δd₁＝Δd_a1+Δd₀和Δd₂＝Δd_a2+Δd₀；通过Δd₁和Δd₂做差消去Δd₀，得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α为：

在本申请的一种实施方式中，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用光纤法布里-珀罗干涉原理测量所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置中的光纤端部分别作为第一反射面，所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部固定有反射镜，作为第二反射面；温度改变后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生热膨胀，所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部发生不同的位移，带动反射镜移动，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的光纤端部也发生移动，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的两个光纤端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个干涉腔长变化量Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

在本申请的一种实施方式中，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用微波测距的方法测量所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；其中，

所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部固定有导体反射面，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均包括外壳、内杆、第一反射点、第二反射点和频谱解调装置；所述第二反射点为外壳和内杆的端部平面，所述外壳和内杆是连续导体；所述频谱解调装置对频谱进行解调，测出所述第二反射点与所述导体反射面之间的距离，所述第二反射点与所述导体反射面之间的距离为绝缘介质腔的腔长；温度改变后，所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部发生不同的位移，导致所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的所述第二反射点与所述导体反射面之间的距离发生变化；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置端部的第二反射点移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

在本申请的一种实施方式中，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用光学或声波测距的方法测量所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用光学测距的方法的情况下：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α；

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用声波测距的方法的情况下：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

在本申请的一种实施方式中，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均为接触式位移测量装置；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的探杆触碰到所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部；当温度改变后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生热膨胀，挤压所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的探杆，使所述探杆发生不同的位移，通过所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的探杆的位移分别为Δd_a1和Δd_a2，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置静止区域端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除，其中，静止区域的端部指的是位移测量装置中，包裹探杆且不可发生运动的外壳的端部；所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

在本申请的一种实施方式中，所述接触式位移测量装置的原理包括：微波法布里-珀罗谐振腔测量位移的原理、或振弦测量位移的原理、或布拉格光栅测量位移的原理、或线性位移传感器测量位移的原理、或光电编码器测量位移的原理。

在本申请的一种实施方式中，第一位移测量装置和第二位移测量装置可固定在所述底板上的任意位置，所述第一被测材料和所述第二被测材料的轴线可指向任意方向，其中，满足以下三个条件可测量被测材料的热膨胀系数：

第一条件：所述第一被测材料和所述第二被测材料是同种材料且长度不同；

第二条件：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的轴线分别与所述第一被测材料和所述第二被测材料的轴线平行或重合；

第三条件：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置相同且固定位置相同。

本申请实施例提供了一种两个尺寸、固定方式和固定位置完全相同的位移测量装置，测量两个种类相同且长度不同的被测材料的热膨胀系数，通过作差法消去测量装置和固定装置等各种影响因素的热膨胀影响，得到被测材料精准的热膨胀系数，精度可达10^-8到10^-9数量级。

附图说明

图1(a)为使用两个位移测量装置测量热膨胀系数的结构示意图的俯瞰图；

图1(b)为1-1断面的剖视图；

图1(c)为2-2断面的剖视图；

图2(a)为带有隔温材料时，使用两个位移测量装置测量热膨胀系数的测量仪的1-1断面图；

图2(b)为带有隔温材料时，使用两个位移测量装置测量热膨胀系数的2-2断面图；

图3为使用两个光纤法布里-珀罗干涉原理位移测量装置测量热膨胀系数的结构示意图；

图4(a)为光纤法布里-珀罗干涉(F-P)原理位移测量装置的光谱图；

图4(b)为光纤法布里-珀罗干涉原理位移测量装置测出的建筑钢材应变与温度的关系曲线图；

图5为使用两个光学或声波测距仪测量热膨胀系数的结构示意图；

图6为使用两个微波谐振原理测距仪测量热膨胀系数的结构示意图；

图7为两个固定位移测量装置的立柱的轴线在底板上投影点的连线不垂直于被测材料的轴线方向的工况；

图8为两个被测材料的轴线不平行的工况。

附图标记说明：

1-第一被测材料；2-第二被测材料；3-固定第一被测材料的第一立柱；4-固定第二被测材料的第二立柱；5-第一立柱固定第一被测材料的点；6-第二立柱固定第二被测材料的点；7-测量第一被测材料热膨胀产生的位移的第一位移测量装置，包括各种原理的位移测量装置、测距仪等等；8-测量第二被测材料热膨胀产生的位移的第二位移测量装置，包括各种原理的位移测量装置、测距仪等等；9-固定第一位移测量装置的第三立柱；10-固定第二位移测量装置的第四立柱；11-第三立柱固定第一位移测量装置的点；12-第四立柱固定第二位移测量装置的点；13-底板，通常用石英玻璃或殷钢等热膨胀系数较低的材料制作；14-隔热材料，用来隔离底板和温度发生变化的上部空间，使温度变化过程中，底板温度不变；20-光谱解调仪；21-第一光纤端部构成的第一组F-P结构的第一反射面；22-第二光纤端部构成的第二组F-P结构的第二反射面；23-第一反射镜，作为第一组F-P结构的第二反射面；24-第二反射镜，作为第二组F-P结构的第二反射面；25-第一光纤；26-第二光纤；27-第一光纤的保护壳；28-第二光纤的保护壳；31-第一光学或声波测距仪；32-第二光学或声波测距仪；41-外壳，可以是空心管，杆，弹簧或者其他形状的连续导体；42-内杆，可以是空心、实心，也可以是弹簧或者其他形状的连续导体；43-第一反射点，可以是导体或者绝缘体，可以与外壳或者内杆连接，也可以不连接，可以是任意形状或者多个零件的组合体；44-第二反射点，属性同第一反射点；45-谐振腔，内部可以是气体或者液体；46-反射面，通常使用导体材料，也可以是绝缘体；47-矢网分析仪，或标量微波分析仪，或测量和解调频谱的电路；48-接线端子。

具体实施方式

本申请公开了一种基于位移差值的热膨胀系数测量仪，特点在于使用两个相同的位移测量装置，同时测量两个不同长度的被测材料在温度变化后的端部位移变化量，通过两个位移量的差值和两个被测材料长度的差值来确定热膨胀系数，可以精确去除传感器、元器件和底板等材料的热膨胀的影响。

所述热膨胀系数测量仪包括：底板、两种长度的同种被测材料、两个位移测量装置。底板采用热膨胀系数较低的材料，且热膨胀系数已知。采用两个不同长度的被测材料，分别通过固定装置固定到底板上，且固定位置明确，固定点到端部的距离分别为L₁和L₂。底板上，在两个被测材料的轴线方向的延长线上，固定有两个位移测量装置，用来测量两个被测材料温度改变后，热膨胀产生的端部位移量。由于两个位移测量装置以及固定方式和位置都相同，所以位移测量装置自身以及底板等材料产生的热膨胀是相等的，通过做差可以全部消除。当没有隔热材料时，做差后，材料和底板的热膨胀对两个位移测量装置测出的位移的差值有影响；当有隔热材料是，做差后，只有材料的热膨胀对两个位移测量装置测出的位移的差值有影响，无需考虑底板材料的热膨胀影响。真正实现了去除各种干扰因素对测量结果的影响。

实施例一：热膨胀系数测量仪的基本原理

本申请实施例提供一种基于位移差值的热膨胀系数测量仪，所述热膨胀系数测量仪包括：底板、两种长度的同种被测材料(第一被测材料和第二被测材料)、两个位移测量装置(第一位移测量装置和第二位移测量装置)、隔热材料。其中，

如图1(a)至图1(c)所示，所述两种长度的被测材料是同一种材料；底板13用来在上方安装四个立柱，分别为固定两个被测材料的第一立柱3和第二立柱4，以及固定两个位移测量装置的第三立柱9和第四立柱10，其中，固定点5是第一立柱固定第一被测材料的点；固定点6是第二立柱固定第二被测材料的点，固定点11是第三立柱固定第一位移测量装置的点，固定点12是第四立柱固定第二位移测量装置的点。底板13常用石英玻璃或殷钢等热膨胀系数较低的材料制作；四个立柱上方分别安装两种长度的被测材料1(即第一被测材料)和2(即第二被测材料)，以及两个位移测量装置7(即第一位移测量装置)和8(即第二位移测量装置)。俯瞰整个装置，如图1(a)所示，两个安装被测材料的立柱一左一右，即两个立柱的轴线在底板上投影点的连线不垂直于被测材料的轴线方向，所以固定的两个被测材料1和2的长度也不同，长度分别为L₁和L₂；两个安装位移测量装置的立柱9和10安装在被测材料轴线上的某一位置对应的法线上的两点，即两个立柱9和10的轴线在底板上投影点的连线垂直于被测材料的轴线方向。实际使用时，被测材料1和2的轴线也可以朝着不同方向安装，只要明确被测材料的长度即可。

测量时，采用两个不同长度的同种被测材料，分别通过固定到立柱上，立柱固定到底板上，且固定位置明确，两个被测材料的固定点到端部的距离分别为L₁和L₂；底板上，在两个被测材料的轴线方向的延长线上，分别固定有两个位移测量装置，且两个位移测量装置的轴线分别与两个被测材料平行或重合；两个位移测量装置的固定点在水平面上投影的连线垂直于被测材料的轴线；两个位移测量装置用来测量两个被测材料温度改变后，热膨胀产生的端部位移量。由于两个位移测量装置以及固定方式和固定位置均相同，所以位移测量装置自身以及底板和夹具等材料产生的热膨胀是相等的，通过两个位移做差可以全部消除。这样就省去了温度标定和校准等问题。

实际上，固定两个位移固定装置的立柱9和10的位置可以随意选择，需要满足两个条件，一是位移测量装置的轴线分别与两个被测材料的轴线重合；二是两个位置测量装置相同且固定位置相同。

在此基础上，

1)当没有隔热材料时，需要考虑底板的热膨胀影响，具体地，

如图1(b)和图1(c)所示，两个被测材料1和2是同种材料，从固定点5和6到端部的长度分别为L₁和L₂，即有效热膨胀长度。此时，底板13也会发生热膨胀。两个位移测量装置测出的位移做差后，只有被测材料1、2和底板13的热膨胀都对两个位移测量装置测出的位移的差值有影响。被测材料1和2的热膨胀系数是未知量α，底板13热膨胀系数为已知量α_g，温度改变Δt后，两个被测材料发生膨胀，其长度的改变量(即被测材料的端部位移量)分别为Δd₁＝αL₁Δt和Δd₂＝αL2Δt。Δd₀是位移测量装置和其夹具等构件在温度变化后，除了被测材料和底板，其他元器件的热膨胀对位移测量装置测出的长度的影响量总和。因为两个位移测量装置以及安装位置均相同，所以其他因素对两个位移测量装置测出的位移的影响均为Δd₀，做差后，两个位移测量装置对应的Δd₀能够消除。两个被测材料1和2对应等长度的底板的热膨胀位移量分别为Δd_g1＝α_gL₁Δt和Δd_g2＝α_gL₂Δt，是已知量。由于两个位移测量装置测出的两个位移Δd_a1和Δd_a2分别为材料热膨胀与底板热膨胀产生的位移以及Δd₀的差值，即Δd_a1＝Δd₁-Δd_g1-Δd₀和Δd_a2＝Δd₂-Δd_g2-Δd₀，从而确定Δd₁＝Δd_a1+Δd_g1+Δd₀和Δd₂＝Δd_a2+Δd_g2+Δd₀。通过Δd₁和Δd₂做差消去Δd₀，所以被测材料1和2的热膨胀系数α通过公式(1)计算：

2)当有隔热材料时，不用考虑底板的热膨胀影响，具体地，

如图2(a)和图2(b)所示，隔热材料14通常是刚度较低的材料，而且中间留有四个孔，方便通过四个立柱，四个孔正好包裹四个立柱，没有间隙，防止上方的热量通过缝隙影响隔热材料下方区域的温度，防止底板的温度发生变化产生热膨胀。隔热材料14将底板13和上方的被测材料1和2以及位移测量装置7和8隔离开，即温度改变时，只有隔热材料14上方的区域温度发生变化，隔热材料14以下的区域温度不变，因此底板13不发生热膨胀。被测材料1和2的热膨胀系数是未知量α，温度改变Δt后，两个被测材料1和2发生膨胀，其长度的改变量(即端部位移量)分别为Δd₁＝αL₁Δt和Δd₂＝αL₂Δt。所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个位移Δd_a1和Δd_a2分别为两个被测材料热膨胀产生的位移与Δd₀的差值，即Δd_a1＝Δd₁-Δd₀和Δd_a2＝Δd₂-Δd₀，从而确定Δd₁＝Δd_a1+Δd₀和Δd₂＝Δd_a2+Δd₀。其中，Δd₀是位移测量装置7、8和其夹具等构件在温度变化后，除了被测材料和底板，其他元器件的热膨胀对位移测量装置测出的长度的影响量总和。因为两个位移测量装置以及安装位置均相同，所以其他因素对两个位移测量装置测出的位移的影响量均为Δd₀，做差后，两个位移测量装置对应的Δd₀能够消除。通过Δd₁和Δd₂做差消去Δd₀，求出被测材料1和2的热膨胀系数为α，α通过公式(2)计算：

实施例二：测量膨胀量使用的位移测量装置

在实施例一的基础上，位移测量装置的精度影响着整个热膨胀系数测量仪的精度，因此，位移测量方法至关重要。在这里，主要介绍常用的位移测量装置的原理。基于位移测量装置是否接触到被测材料的端部，可以分为接触式位移测量装置和非接触式位移测量装置。

1)位移测量装置的原理是使用光纤法布里-珀罗(F-P，Perot-Fabry)干涉原理高精度测量两个被测材料的热膨胀产生的位移，具体地，

如图3所示，该测量方式属于非接触式，两个位移测量装置均称为光纤法布里-珀罗干涉(F-P)原理的位移测量装置(以下称为法布里-珀罗位移测量装置)，两个法布里-珀罗位移测量装置中的光纤端部21和22(即第一光纤25和第二光纤26分别对应的两个光纤端部)分别作为第一反射面，两个不同长度的被测材料端部固定有反射镜23和24，作为第二反射面，其中，第一光纤25和第二光纤的保护壳分别是27和28；当温度改变时，两个被测材料1和2发生热膨胀，端部发生不同的位移，反射镜23和24发生移动，两个法布里-珀罗位移测量装置的光纤端部21和22也会发生移动。但由于两个法布里-珀罗位移测量装置的固定方式以及固定位置均相同，所以两个光纤端部的移动量相同，做差时能够消除。通过两个法布里-珀罗位移测量装置测出的两个干涉腔长变化量分别为Δd_a1和Δd_a2，即两个位移测量装置测出的位移量，再进行做差，就可以求出被测材料的热膨胀系数为α。由于通过法布里-珀罗位移测量装置测出的光谱解调出的干涉腔长变化量精度极高，通过光谱解调仪20计算出来的干涉腔长精度可以达到纳米级，所以通过公式(1)或(2)求出的该材料的热膨胀系数的精度可以达到10^-8到10^-9数量级。

通过对一种建筑钢材的热膨胀系数测量，法布里-珀罗位移测量装置测出的光谱图如图4(a)所示，测出的建筑钢材应变与温度的关系曲线图如图4(b)所示，曲线的斜率为热膨胀系数。

2)位移测量装置的原理是使用光学或声波测距的方法高精度测量两个被测材料的热膨胀产生的位移，具体地，

如图5所示，该测量方式属于非接触式，使用光学测距的方法测量温度改变后，根据两个不同长度的被测材料端部的移动量，从而计算出被测材料的热膨胀系数。例如采用高精度的光学测距仪31和32，测出的被测材料端部的移动量的精度可以达到微米级。再通过公式(1)或(2)求出的该材料的热膨胀系数，精度比光纤法布里-珀罗位移测量装置要低一些。

同理，可以使用声波测距的方法测量温度改变后，根据两个不同长度的被测材料的端部移动量，再通过公式(1)或(2)计算出被测材料的热膨胀系数。

3)位移测量装置的原理是使用微波测距的方法高精度测量两个被测材料的热膨胀产生的位移，具体地，

如图6所示，该测量方式属于非接触式，使用微波测距的方法测量温度改变后，被测材料1和2端部的移动量，从而计算出被测材料的热膨胀系数。在两个被测材料的端部固定有导体反射面46，微波传感器由外壳41、内杆42、谐振腔45、第一反射点43、第二反射点44、导体反射面46、频谱解调装置47和接线端子48构成，可以通过发生一定发带宽的频率，通过频谱解调装置47对频谱进行解调，得到第二反射点44与导体反射面46之间绝缘介质腔的腔长，即外壳1和内杆2的端部与导体反射面46之间的距离。温度改变后，该距离发生变化，基于两个基于微波原理的位移测量装置测出的距离改变量，即绝缘介质腔的腔长变化量，再通过公式(1)或(2)求出被侧材料的热膨胀系数。

4)位移测量装置的原理是使用接触式位移测量装置的方法高精度测量两个被测材料的热膨胀产生的位移，具体地，

如图1(a)至图1(c)所示，该测量方式属于接触式，当两个位移测量装置7和8的端部触碰到被测材料1和2的端部时，称为接触式位移测量装置。使用接触式位移测量装置，探杆触碰到被测材料1和2的端部，当温度改变后，被测材料1和2发生热膨胀，挤压位移测量装置的探杆，使探杆发生移动，根据两个位移测量装置测出的位移变化量，计算出被测材料的热膨胀系数。接触式位移测量装置的原理包括微波法布里-珀罗谐振腔、振弦、布拉格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)、线性位移传感器(LVDT，Linear Variable DifferentialTransformer)和光电编码器等测量位移的原理。测量时，推动位移测量装置探杆的阻力要尽量小，即位移测量装置自身的探杆和直线轴承之间的摩擦力足够小，以免影响测试精度。最后通过公式(1)或(2)求出的被测材料的热膨胀系数。

5)关于两个位移测量装置以及被测材料的摆放，具体地，

如图7和图8所示。图7和图8均为特殊工况，图7给出的是两个位移测量装置的固定点的连线不垂直于被测物体轴线的工况；图8给出的是两个被测材料的轴线朝着不同方向的工况。实际上，固定两个位移固定装置的立柱9和10的位置可以随意选择，需要满足三个条件，一是两个位移测量装置的轴线分别与两个被测材料的轴线平行或重合；二是两个位置测量装置相同且固定位置相同，三是需要满足两个同种材料被测材料的长度不同。具体的，位移测量装置和被测材料可以安装在任意位置，测量的方向也可以任意选择，上下前后左右均可；两个位移测量装置的尺寸和灵敏度等参数均相同；立柱9和10上方的卡具可以固定两个位移测量装置的任意位置，只需要确保两个位置测量装置的固定点相同；两个被测材料的轴线方向(即测量热膨胀的方向)也可以指向任何方向，但要确保两个位移测量装置的轴线和两个被测材料的轴线分别重合或平行。所以，只需要满足三个条件：两个同种被测材料的长度不同，分别为L₁和L₂；两个位移测量装置的轴线分别与两个被测材料的轴线平行或重合；确保两个位移测量装置的性能、尺寸、固定位置和固定方式均相同，就可以做出基于位移差值的热膨胀系数测量仪。最后通过公式(1)或(2)求出的被测材料的热膨胀系数。

本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述热膨胀系数测量仪包括：底板、第一被测材料、第二被测材料、第一位移测量装置、第二位移测量装置；其中，

所述底板上方安装有第一立柱、第二立柱、第三立柱以及第四立柱；所述第一立柱上方安装有第一被测材料，所述第二立柱上方安装有第二被测材料，所述第一被测材料和所述第二被测材料是同种材料；所述第三立柱上方安装有第一位移测量装置，所述第四立柱上方安装有第二位移测量装置；所述第一被测材料和所述第二被测材料具有不同的长度和相同的材料，且在所述第一立柱和所述第二立柱上的安装方式相同；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置属于相同的位移测量装置，且在所述第三立柱和所述第四立柱上的固定位置以及安装方式均相同；

所述第一位移测量装置的轴线和所述第一被测材料的轴线重合或平行，所述第二位移测量装置的轴线和所述第二被测材料的轴线重合或平行，所述第一位移测量装置用于测量所述第一被测材料发生膨胀后的长度改变量，所述第二位移测量装置用于测量所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；温度改变后，基于第一位移测量装置和第二位移测量装置测量结果的差值以及第一被测材料和第二被测材料长度的差值，确定所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均包括：位移传感器、传输线和解调装置；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均为接触式位移测量装置，所述第一位移测量装置的位移传感器与所述第一被测材料的端部接触，所述第二位移测量装置的位移传感器与所述第二被测材料的端部接触；或者，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均为非接触式位移测量装置，所述第一位移测量装置的位移传感器与所述第一被测材料的端部不接触，所述第二位移测量装置的位移传感器与所述第二被测材料的端部不接触。

3.根据权利要求1所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，当所述底板上方没有隔热材料时，

所述第一被测材料和所述第二被测材料从固定点到端部的长度分别是L₁和L₂；所述第一被测材料和所述第二被测材料是同种材料，热膨胀系数是未知量α；所述底板的热膨胀系数为已知量α_g；温度改变Δt后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量分别为Δd₁＝αL₁Δt和Δd₂＝αL₂Δt；Δd₀是位移测量装置和其夹具等构件在温度变化后，除了被测材料和底板，其他元器件的热膨胀对位移测量装置测出的长度的影响量总和；因为两个位移测量装置以及安装位置均相同，所以其他因素对两个位移测量装置测出的位移的影响均为Δd₀，做差后，两个位移测量装置对应的Δd₀能够消除；所述第一被测材料和所述第二被测材料对应等长度的底板的热膨胀位移量分别为Δd_g1＝α_gL₁Δt和Δd_g2＝α_gL₂Δt，所述Δd_g1和所述Δd_g2是已知量；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个位移Δd_a1和Δd_a2分别为两个被测材料热膨胀与底板热膨胀产生的位移以及Δd₀的差值，即Δd_a1＝Δd₁-Δd_g1-Δd₀，Δd_a2＝Δd₂-Δd_g2-Δd₀，从而确定Δd₁＝Δd_a1+Δd_g1+Δd₀和Δd₂＝Δd_a2-+Δd_g2+Δd₀；通过Δd₁和Δd₂做差消去Δd₀，得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α为：

4.根据权利要求1所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，当所述底板上方有隔热材料时，所述隔热材料将所述底板和上方的所述第一被测材料、所述第二被测材料、所述第一位移测量装置以及所述第二位移测量装置隔离开，使得当温度改变时，只有所述隔热材料上方的区域温度发生变化，所述底板不发生热膨胀；

所述第一被测材料和所述第二被测材料从固定点到端部的长度分别是L₁和L₂；所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数是未知量α；温度改变Δt后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量分别为Δd₁＝αL₁Δt和Δd₂＝αL₂Δt；Δd₀是位移测量装置和其夹具构件在温度变化后，除了被测材料和底板，其他元器件的热膨胀对位移测量装置测出的长度的影响量总和；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个位移Δd_a1和Δd_a2分别为两个被测材料热膨胀产生的位移与Δd₀的差值，即Δd_a1＝Δd₁-Δd₀，Δd_a2＝Δd₂-Δd₀，从而确定Δd₁＝Δd_a1+Δd₀和Δd₂＝Δd_a2+Δd₀；通过Δd₁和Δd₂做差消去Δd₀，得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α为：

5.根据权利要求3或4所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用光纤法布里-珀罗干涉原理测量所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置中的光纤端部分别作为第一反射面，所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部固定有反射镜，作为第二反射面；温度改变后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生热膨胀，所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部发生不同的位移，带动反射镜移动，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的光纤端部也发生移动，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的两个光纤端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的两个干涉腔长变化量Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

6.根据权利要求3或4所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用微波测距的方法测量所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；其中，

所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部固定有导体反射面，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均包括外壳、内杆、第一反射点、第二反射点和频谱解调装置；所述第二反射点为外壳和内杆的端部平面，所述外壳和内杆是连续导体；所述频谱解调装置对频谱进行解调，测出所述第二反射点与所述导体反射面之间的距离，所述第二反射点与所述导体反射面之间的距离为绝缘介质腔的腔长；温度改变后，所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部发生不同的位移，导致所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的所述第二反射点与所述导体反射面之间的距离发生变化；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置端部的第二反射点移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

7.根据权利要求3或4所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用光学或声波测距的方法测量所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用光学测距的方法的情况下：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α；

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置使用声波测距的方法的情况下：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

8.根据权利要求3或4所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置均为接触式位移测量装置；其中，

所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的探杆触碰到所述第一被测材料和所述第二被测材料的端部；当温度改变后，所述第一被测材料和所述第二被测材料发生热膨胀，挤压所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的探杆，使所述探杆发生不同的位移，通过所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的探杆的位移分别为Δd_a1和Δd_a2，所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的固定方式和位置均相同，从而所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置静止区域端部的移动量Δd₀相同，通过所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂做差能够消除，其中，静止区域的端部指的是位移测量装置中，包裹探杆且不可发生运动的外壳的端部；所述第一被测材料和所述第二被测材料发生膨胀后的长度改变量Δd₁和Δd₂；所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置测出的距离改变量分别为Δd_a1和Δd_a2，通过作差法得到所述第一被测材料和所述第二被测材料的热膨胀系数为α。

9.根据权利要求8所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，所述接触式位移测量装置的原理包括：微波法布里-珀罗谐振腔测量位移的原理、或振弦测量位移的原理、或布拉格光栅测量位移的原理、或线性位移传感器测量位移的原理、或光电编码器测量位移的原理。

10.根据权利要求1所述的热膨胀系数测量仪，其特征在于，

第一位移测量装置和第二位移测量装置可固定在所述底板上的任意位置，所述第一被测材料和所述第二被测材料的轴线可指向任意方向，其中，满足以下三个条件可测量被测材料的热膨胀系数：

第一条件：所述第一被测材料和所述第二被测材料是同种材料且长度不同；

第二条件：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置的轴线分别与所述第一被测材料和所述第二被测材料的轴线平行或重合；

第三条件：所述第一位移测量装置和所述第二位移测量装置相同且固定位置相同。