CN110146542B - 一种低温下材料热膨胀系数的测试装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温下材料热膨胀系数的测试装置和测试方法，该装置包括真空腔体(10)、真空腔体底座(6)、真空泵(1)、制冷装置(5)、测温电阻(14)、电容位移传感器(16)、焊接波纹管(8)、五维位移台(7)、可视化窗口(11)、防辐射屏(18)、数据处理和显示模块(12)。待测样品通过制冷装置冷平台支撑并由制冷装置提供冷量。电容位移传感器左右对置于待测样品的两端以测量待测样品的形变量。数据处理和显示模块对装置中各设备进行实时数据采集、数据处理和结果显示。本装置可获得低温下材料的形变量和热膨胀系数，具有测试结构简单、操作方便、测量精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料的热膨胀系数测试装置和测试方法，特别是应用于材料低温下热膨胀系数的真空测试装置和测试方法。
背景技术
物体由于温度变化会发生胀缩现象。其变化能力以等压条件下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，即热膨胀系数表示。目前，热膨胀系数测量的方式主要有激光干涉法、光学投影法、顶杆法等。这些方法在应用时具有一定的缺点和局限性，例如，激光干涉法和光学投影法建立测试装置和实验操作难度较大，顶杆法需要利用已知热膨胀系数的材料做膨胀计。对于材料热膨胀系数的确定，材料形变量的测量精确度极为关键。电容位移传感器能实现无接触测量，能分辨微小的位移，具有灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便的优点，是一种非常可靠的测量材料微小形变量的手段。
发明内容
本发明目的在于提供一种低温下材料热膨胀系数测试装置和测试方法，解决低温下材料热膨胀系数测试过程较为复杂的问题。
本发明提供一种低温下材料热膨胀系数测试装置，包括真空腔体10、真空腔体底座6、真空泵1、制冷装置5、测温电阻14、电容位移传感器16、焊接波纹管8、五维位移台7、可视化窗口11、防辐射屏18、数据处理和显示模块12。所述的真空腔体10上设有抽真空阀门2和放气阀门9，抽真空阀门2与真空泵1相连接。真空腔体10与真空腔体底座6采用真空橡皮圈4和连接螺丝3密封。真空腔体10与可视化窗口11采用真空橡皮圈4和连接螺丝3密封。真空腔体底座6与制冷装置5采用真空橡皮圈4和连接螺丝3密封，制冷装置5即制冷机或液氮杜瓦。防辐射屏18通过高效导热脂固定于制冷装置冷平台15上，防辐射屏18外表面抛光或镀高反射率镀层，防辐射屏18内表面发黑。测温电阻14通过真空插座13与数据处理和显示模块12连接。焊接波纹管8与真空腔体10采用焊接连接。转接管17与焊接波纹管8采用焊接连接。五维位移台7与转接管17采用连接螺丝3连接，五维位移台7具有五维调节功能，包括三维移动、转动和俯仰。电容位移传感器16与转接管17采用真空橡皮圈4密封。数据处理和显示模块12与测温电阻14、电容位移传感器16、制冷装置5连接，对各设备进行实时控制以及数据采集、处理和结果显示。
一种基于所述的低温下材料热膨胀系数测试装置的热膨胀系数测试方法，方法如下：1)将柱体形状的待测样品19通过高效导热脂固定于制冷装置冷平台15上，将测温电阻14通过高效导热脂固定于待测样品19上，数据处理和显示模块12实时显示待测样品19的温度值；2)通过调节左、右侧的五维位移台7，使左、右侧电容位移传感器16的探测面与待测样品19左、右端面分别保持平行且左、右侧电容位移传感器16的探测面与待测样品19左、右端面之间的距离保持在250μm之内；3)通过真空泵1对真空腔体10进行抽真空并使真空腔体10保持真空状态，通过制冷装置5对待测样品19进行降温使待测样品19达到目标温度；4)通过左、右侧电容位移传感器16对待测样品19的形变量进行检测，并通过数据处理和显示模块12进行数据处理，获得待测样品19在目标温度下的热膨胀系数并显示。
本发明有两个显著特点：一是测试结构简单、操作方便。真空泵、制冷装置、电容位移传感器、五维位移台等均为成熟产品，采购、组装方便。测试结果可直接通过电脑采集并直观显示。二是测量精确度较高。装置腔体的真空环境和防辐射屏的安装可有效降低系统漏热所引起的测量误差。电容位移传感器能实现无接触测量，能分辨微小的位移，具有灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便的优点，可准确测量材料因温度变化产生的形变量，从而获得材料热膨胀系数的精确值。
附图说明
图1一种低温下材料热膨胀系数测试装置示意图；
1真空泵 2抽真空阀门 3连接螺丝 4真空橡皮圈 5制冷装置 6真空腔体底座 7五维位移台 8焊接波纹管 9放气阀门 10真空腔体 11可视化窗口 12数据处理和显示模块13真空插座 14测温电阻 15制冷装置冷平台 16电容位移传感器 17转接管 18防辐射屏19待测样品
具体实施方式
一种低温下材料热膨胀系数测试装置，包括真空腔体10、真空腔体底座6、真空泵1、制冷装置5、测温电阻14、电容位移传感器16、焊接波纹管8、五维位移台7、可视化窗口11、防辐射屏18、数据处理和显示模块12。真空腔体10采用不锈钢材料。真空腔体10左右侧分别设有抽真空阀门2和放气阀门9，抽真空阀门2与真空泵1相连接，抽真空阀门2和放气阀门9采用电磁阀，真空泵1采用分子泵机组。真空腔体10与真空腔体底座6采用真空橡皮圈4和连接螺丝3密封，真空腔体底座6采用不锈钢材料。真空腔体10与可视化窗口11采用真空橡皮圈4和连接螺丝3密封，可视化窗口11采用钢化玻璃材料。真空腔体底座6与制冷装置5采用真空橡皮圈4和连接螺丝3密封，制冷装置5采用液氮杜瓦。防辐射屏18通过导热硅脂固定于制冷装置冷平台15上，防辐射屏18外表面镀金，防辐射屏18内表面发黑。测温电阻14通过真空插座13与数据处理和显示模块12连接，测温电阻14为测温铂电阻。焊接波纹管8与真空腔体10采用焊接连接，焊接波纹管8采用不锈钢材料。转接管17与焊接波纹管8采用焊接连接，转接管17采用不锈钢材料。五维位移台7与转接管17采用连接螺丝3连接，五维位移台7具有五维调节功能，包括三维移动、转动和俯仰。电容位移传感器16与转接管17采用真空橡皮圈4密封。数据处理和显示模块12与测温电阻14、电容位移传感器16、制冷装置5连接，对各设备进行实时控制以及数据采集、处理和结果显示。
一种基于所述的低温下材料热膨胀系数测试装置的热膨胀系数测试方法，方法如下：1)将长方体待测样品19通过导热硅脂固定于液氮杜瓦冷平台15上，将测温铂电阻14通过导热硅脂固定于待测样品19上，数据处理和显示模块12实时显示待测样品19的温度值；2)通过调节左、右侧的五维位移台7，使左、右侧电容位移传感器16的探测面与待测样品19左、右端面分别保持平行且左、右侧电容位移传感器16的探测面与待测样品19左、右端面之间的距离保持在250μm之内；3)通过分子泵机组1对真空腔体10进行抽真空并使真空腔体10保持真空状态，通过液氮杜瓦5对待测样品19进行降温使待测样品19达到目标温度；4)通过左、右侧电容位移传感器16对待测样品19的形变量进行检测，并通过数据处理和显示模块12进行数据处理，获得待测样品19在目标温度下的热膨胀系数并显示。
Claims (2)
1.一种低温下材料热膨胀系数的测试装置，包括真空腔体(10)、真空腔体底座(6)、真空泵(1)、制冷装置(5)、测温电阻(14)、电容位移传感器(16)、焊接波纹管(8)、五维位移台(7)、可视化窗口(11)、防辐射屏(18)、数据处理和显示模块(12)，其特征在于：
所述的真空腔体(10)上设有抽真空阀门(2)和放气阀门(9)，抽真空阀门(2)与真空泵(1)相连接；真空腔体(10)与真空腔体底座(6)采用真空橡皮圈(4)和连接螺丝(3)密封；真空腔体(10)与可视化窗口(11)采用真空橡皮圈(4)和连接螺丝(3)密封；真空腔体底座(6)与制冷装置(5)采用真空橡皮圈(4)和连接螺丝(3)密封；防辐射屏(18)通过高效导热脂固定于制冷装置冷平台(15)上；测温电阻(14)通过真空插座(13)与数据处理和显示模块(12)连接；焊接波纹管(8)与真空腔体(10)采用焊接连接；转接管(17)与焊接波纹管(8)采用焊接连接；五维位移台(7)与转接管(17)采用连接螺丝(3)连接；电容位移传感器(16)与转接管(17)采用真空橡皮圈(4)密封；数据处理和显示模块(12)与测温电阻(14)、电容位移传感器(16)、制冷装置(5)连接，对各设备进行实时控制以及数据采集、处理和结果显示；
所述的防辐射屏(18)外表面抛光或镀高反射率镀层，防辐射屏(18)内表面发黑；
所述的制冷装置(5)采用制冷机或液氮杜瓦；
所述的五维位移台(7)具有三维移动、转动和俯仰五维调节功能。
2.一种基于权利要求1所述一种低温下材料热膨胀系数的测试装置的热膨胀系数测试方法，其特征在于方法步骤如下：
1)将柱体形状的待测样品(19)通过高效导热脂固定于制冷装置冷平台(15)上，将测温电阻(14)通过高效导热脂固定于待测样品(19)上，数据处理和显示模块(12)实时显示待测样品(19)的温度值；
2)通过调节左、右侧的五维位移台(7)，使左、右侧电容位移传感器(16)的探测面与待测样品(19)左、右端面分别保持平行且左、右侧电容位移传感器(16)的探测面与待测样品(19)左、右端面之间的距离保持在250μm之内；
3)通过真空泵(1)对真空腔体(10)进行抽真空并使真空腔体(10)保持真空状态，通过制冷装置(5)对待测样品(19)进行降温使待测样品(19)达到目标温度；
4)通过左、右侧电容位移传感器(16)对待测样品(19)的形变量进行检测，并通过数据处理和显示模块(12)进行数据处理，获得待测样品(19)在目标温度下的热膨胀系数并显示。
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| CN110146542A (zh) | 2019-08-20 |
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