CN111272804A - 基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置与方法，本装置包括光循环器以及与光循环器连接的宽带光源、光谱仪和光开关，还有和光开关连接并设置在加热炉中的光栅传感器；该装置通过测出不同温度下光栅使来自光源的光经干涉前后发生的波长漂移量，再结合其他参数，进而推算出陶瓷釉在基准方向上的线性热膨胀率；本发明设计精妙、构思精巧、具有较高精密度和准确度。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷釉料性能测试技术领域，特别涉及基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置与方法。
背景技术
陶瓷釉料和坯体热性能需要通过热膨胀系数来判定，然而采用传统的测定方法，陶瓷釉料热膨胀系数一般需要把釉和坯体进行分离，而且釉料样品一般以粉状、粒状、甚至釉浆状的形式存在，还要制成满足热膨胀仪测试用的规格样品，要完成这一系列的流程有一定的难度，也比较繁琐。
由于传统方法的测量精度不高，也无法精确得知陶瓷釉由脆性状态转变为粘滞状态时的瞬时温度；因此需要一种无需分离坯体和陶瓷釉料便能够直接对陶瓷釉样品进行无损测定热膨胀系数的方法和装置；采用此方法和装置还可以精确测量出陶瓷釉由脆性状态转变为粘滞状态时的瞬时温度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置与方法，能够在不分离和破坏陶瓷中坯体和釉样品的情况下测得陶瓷釉的热膨胀系数，能够敏锐捕捉到陶瓷上釉质由脆性固态转变为黏性液态时的瞬时温度，具有测量精准，响应灵敏的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，包括光循环器1，所述光循环器1与宽带光源2信号连接，所述光循环器1与光谱仪3信号连接，所述光循环器1与光开关4信号相连，所述光开关4与光栅传感器5信号相连，所述光栅传感器5设置在加热炉6的内部，所述加热炉6的内部设有标尺7。
所述加热炉6的内部设有托盘8，所述加热炉6表面上设有视窗9。
所述托盘8上设置有标尺7和陶瓷釉10，所述陶瓷釉10的表面上设置有光栅传感器5。
所述光栅传感器5和标尺7均平行于陶瓷釉10的基准方向；所述基准方向为陶瓷釉10在长度大于25mm的一簇方向中的一个方向。
基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，具体步骤如下：
步骤一、在陶瓷釉10上选取基准方向；
步骤二、搭建基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置；
步骤三、进行陶瓷釉10热膨胀系数的测定实验，具体包括以下步骤：
3.1、在陶瓷釉10表面，平行于陶瓷釉10基准方向，以5-15mm为间距平行设置若干个光栅传感器5；将表面设有光栅传感器5的陶瓷釉10放置在加热炉6内的托盘8上，将标尺7平行于陶瓷釉10的基准方向摆放在托盘8上，记录陶瓷釉10在标尺7上对应的刻度，转换后读出陶瓷釉10在室温T0下沿基准方向的长度L10；
3.2、启动基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置；记录相关数据；
3.3、启动加热炉6，使炉内温度自室温T0起以3-7℃/分钟升温，直至升温到850-900℃；
3.4、停止加热，进入保温状态，记录保温状态下的温度T1，从加热炉6的视窗中，通过读取标尺7上的刻度转换出加热后陶瓷釉10在基准方向上的长度L11，再与加热前陶瓷釉10在基准方向上的长度L10对比，计算出陶瓷釉10在基准方向上的长度变化量ΔL1；
步骤四、按照式(1-1)计算陶瓷釉10在基准方向的线性热膨胀率α1：
式(1-1)中，所述L10代表陶瓷釉10在T0温度下沿基准方向的长度，ΔL1代表陶瓷釉10在T1温度下长度沿基准方向的变化量，α0为光栅传感器5的热膨胀系数，ξ0为光栅传感器的热光系数，λ代表宽带光源2发出光的波长，Δλ为宽带光源2发出的光经光栅传感器5干涉后，光的波长漂移量，所述ΔL1＝L11-L10，所述L11为T1温度下陶瓷釉10沿基准方向的长度，所述L10为T0温度下陶瓷釉10沿基准方向的长度。
所述步骤3.2中需要测定和记录的数值包括：加热炉6启动前的室温T0、保温状态下的温度T1、宽带光源2发出的光的波长λ、宽带光源2发出的光经光栅传感器5干涉后，光的波长漂移量Δλ。
所述式(1-1)是根据式(1-2)：
式(1-3)：
式(1-4)：
推导得出的；
式(1-2)中：所述L0为光栅传感器5在室温T0下平行于陶瓷釉10基准方向的长度，ΔL0为光栅传感器5在T1温度下相对于室温T0温度下的长度变化量，所述εz为衡量光栅传感器5的应力大小；所述式(1-3)中：α0为光栅传感器5光栅的热膨胀系数，ξ0为热光系数；所述式(1-3)和式(1-4)中的ΔT为温度变化量，所述ΔT＝T1-T0；所述T0为实验开始前所测的室温、T1为保温状态下的温度。
所述步骤一中在陶瓷釉10上选取的基准方向上，具体包括以下步骤：
1.1、测定陶瓷釉10在多个方向上的长度；
1.2、以陶瓷釉10在该方向上的长度大于25mm为标准选取一簇方向；
1.3、取一簇方向上的任一方向为基准方向。
所述陶瓷釉10为坯体和釉的混合体，坯体为陶瓷，釉附着在坯体表面。
本发明的有益效果是：采用本发明就无需将陶瓷釉10从坯体上剥离下来即可测得陶瓷釉10的热膨胀系数；能够敏锐捕捉到陶瓷釉10由脆性固态转变为黏性液态时的瞬时温度；利用光栅本身的性质来测量陶瓷釉10的线性热膨胀系数，这样得到的结果精度要高于传统方法。
附图说明
图1是本发明的光路示意图，图中带实线代表自宽带光源2出发的光所经过的路径，虚线代表来自宽带光源2的光经光栅传感器5干涉后经过的路径。
图中：1、光循环器；2、宽带光源；3、光谱仪；4、光开关；5、光栅传感器；5a、第一光栅传感器；5b、第二光栅传感器；6、加热炉；7、标尺；8、托盘；9、视窗；10、陶瓷釉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
参见图1，基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，包括光循环器1，所述光循环器1的第一接口与宽带光源2信号连接，所述光循环器1的第二接口与光谱仪3信号连接，所述光循环器1的第三接口与光开关4的第一接口信号相连，所述光开关4的第二接口与第一光栅传感器5a信号相连，所述光开关4的第三接口与第二光栅传感器5b信号相连；所述第一光栅传感器5a和第二光栅传感器5b均设置在加热炉6的内部，所述加热炉6的内部设有托盘8，加热炉6上设置有视窗9。
所述托盘8上设置有标尺7和陶瓷釉10。
所述第一光栅传感器5a和第二光栅传感器5b为掺锗的光栅传感器，并相邻且相互平行的设置在陶瓷釉10的表面上，所述第一光栅传感器5a和第二光栅传感器5b之间的距离为8mm。
所述宽带光源2为ASE宽带光源，光开关4为2：1光开关。
所述陶瓷釉10为坯体和釉的混合体，坯体为陶瓷，釉附着在坯体表面；所述陶瓷釉10的材质为以K2O-Al2O3-CaO-SiO2为生料的石灰碱釉。
所述标尺10由线膨胀率约为0的耐高温芳纶绝缘纸构成。
参见图1，基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，具体步骤如下：
步骤一、在陶瓷釉10上选取基准方向，具体包括以下步骤：
1.1、测定陶瓷釉10在多个方向上的长度；
1.2、以陶瓷釉10在该方向上的长度大于25mm为标准选取一簇方向；
1.3、取一簇方向上的任一方向为基准方向；本实施方式中所选用的陶瓷釉10在基准方向上的长度L1＝30mm；
步骤二、搭建基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置；
步骤三、进行陶瓷釉10热膨胀系数的测定实验，具体包括以下步骤：
3.1、沿陶瓷釉10表面的基准方向，以8mm为间距平行设置第一光栅传感器5a和第二光栅传感器5b；将表面设有第一光栅传感器5a和第二光栅传感器5b的陶瓷釉10放置在加热炉6内的托盘8上，将标尺7平行于陶瓷釉10的基准方向摆放在托盘8上，由操作人员记录陶瓷釉10在标尺7上对应的刻度，转换后读出陶瓷釉10在室温T0下沿基准方向的长度L10；
3.2、启动基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，由加热炉6记录加热炉6启动前的室温T0、相对于室温T0的温度变化量ΔT、第i时刻的温度变化量ΔTi；由操作人员记录宽带光源2发出的光的波长λ；光谱仪3记录经光栅传感器5干涉后的光的波长漂移量Δλ和第i时刻的波长漂移量Δλi；
3.3、启动加热炉6，使炉内温度自室温T0起以5℃/分钟升温，直至升温到900℃；
3.4、停止加热，进入保温状态，由操作人员记录下保温状态下的温度T1，T1＝900℃；从加热炉6的视窗中，通过读取标尺7上的刻度转换出加热后陶瓷釉10在基准方向上的长度L11，再与加热前陶瓷釉10在基准方向上的长度L10对比，计算出陶瓷釉10在基准方向上的长度变化量ΔL1；
步骤四、按照式(1-1)计算陶瓷釉10在基准方向的线性热膨胀率α1：
式(1-1)中：所述L10代表陶瓷釉10在T0温度下沿基准方向的长度，ΔL1代表陶瓷釉10在T1温度下长度沿基准方向的变化量，α0为光栅传感器5的热膨胀系数，ξ0为光栅传感器的热光系数，λ代表宽带光源2发出光的波长，Δλ为宽带光源2发出的光经光栅传感器5干涉后，光的波长漂移量，所述ΔL1＝L11-L10，所述L11为T1温度下陶瓷釉10沿基准方向的长度，所述L10为T0温度下陶瓷釉10沿基准方向的长度。
所述式(1-1)是根据式(1-2)：
式(1-3)：
式(1-4)：
推导得出的。
式(1-2)中：所述L0为光栅传感器5在室温T0下平行于陶瓷釉10基准方向的长度，ΔL0为光栅传感器5在T1温度下相对于室温T0温度下的长度变化量，所述εz衡量光栅传感器5的应力大小；所述式(1-3)中：α0为光栅传感器5光栅的热膨胀系数，ξ0为热光系数；所述式(1-3)和式(1-4)中的ΔT为温度变化量，所述ΔT＝T1-T0；所述T0为实验开始前所测的室温、T1为保温状态下的温度。
所述第一光栅传感器5a和第二光栅传感器5a为掺锗的光栅传感器。
所述宽带光源2为ASE宽带光源。
所述陶瓷釉10为坯体和釉的混合体，坯体为陶瓷，釉附着在坯体表面。
所述陶瓷釉10的材质为以K2O-Al2O3-CaO-SiO2为生料的石灰碱釉。
本发明的工作原理是：根据光栅传感器5热膨胀与波长漂移的关系式(1-2)：
以及光栅传感器5的热膨胀定义式(1-3)：
再结合陶瓷釉10热膨胀系数的定义式(1-4)
得出陶瓷釉10在基准方向上热膨胀系数的计算式(1-1)
最终分析数据找出开始发生剧烈波长漂移时所对应的瞬时温度即可得到陶瓷釉10发生由脆性固态转变为黏性液态时的瞬时温度。
Claims (9)
1.基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，其特征在于，包括光循环器(1)，所述光循环器(1)与宽带光源(2)信号连接，所述光循环器(1)与光谱仪(3)信号连接，所述光循环器(1)与光开关(4)信号相连，所述光开关(4)与光栅传感器(5)信号相连，所述光栅传感器(5)设置在加热炉(6)的内部，所述加热炉的内部设有标尺(7)。
2.根据权利要求1所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，其特征在于，所述加热炉(6)的内部设有托盘(8)，所述加热炉(6)表面上设有视窗(9)。
3.根据权利要求2所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，其特征在于，所述托盘(8)上设置有标尺(7)和陶瓷釉(10)，所述陶瓷釉(10)的表面上设置有光栅传感器(5)。
4.根据权利要求3所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置，其特征在于，所述光栅传感器(5)和标尺(7)均平行于陶瓷釉(10)的基准方向，所述基准方向为陶瓷釉(10)在长度大于25mm的一簇方向中的一个方向。
5.基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，具体步骤如下：
步骤一、在陶瓷釉(10)上选取基准方向；
步骤二、搭建基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置；
步骤三、进行陶瓷釉(10)热膨胀系数的测定实验，具体包括以下步骤：
3.1、在陶瓷釉(10)表面，平行于陶瓷釉(10)基准方向，以5-15mm为间距平行设置若干个光栅传感器(5)；将表面设有光栅传感器(5)的陶瓷釉(10)放置在加热炉(6)内的托盘(8)上，将标尺(7)平行于陶瓷釉(10)的基准方向摆放在托盘(8)上，记录陶瓷釉(10)在标尺(7)上对应的刻度，转换后读出陶瓷釉(10)在室温T0下沿基准方向的长度L10；
3.2、启动基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的装置；记录相关数据；
3.3、启动加热炉(6)，使炉内温度自室温T0起以3-7℃/分钟升温，直至升温到880-920℃；
3.4、停止加热，进入保温状态，记录下保温状态下的温度T1,从加热炉(6)的视窗中，通过读取标尺(7)上的刻度转换出加热后陶瓷釉(10)在基准方向上的长度L11，再与加热前陶瓷釉(10)在基准方向上的长度L10对比，计算出陶瓷釉(10)在基准方向上的长度变化量ΔL1；
步骤四、按照式(1-1)计算陶瓷釉(10)在基准方向的线性热膨胀率α1：
式(1-1)中：所述L10代表陶瓷釉(10)在T0温度下沿基准方向的长度，ΔL1代表陶瓷釉(10)在T1温度下长度沿基准方向的变化量，α0为光栅传感器(5)的热膨胀系数，ξ0为光栅传感器的热光系数，λ代表宽带光源(2)发出光的波长，Δλ为宽带光源(2)发出的光经光栅传感器(5)干涉后，光的波长漂移量，所述ΔL1＝L11-L10，所述L11为T1温度下陶瓷釉(10)沿基准方向的长度，所述L10为T0温度下陶瓷釉(10)沿基准方向的长度。
6.根据权利要求5所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，其特征在于，所述步骤3.2中需要测定和记录的数值包括：加热炉(6)启动前的室温T0、保温状态下的温度T1、宽带光源2发出的光的波长λ、宽带光源(2)发出的光经光栅传感器(5)干涉后，光的波长漂移量Δλ。
7.根据权利要求5所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，其特征在于，所述式(1-1)是根据式(1-2)：
式(1-3)：
式(1-4)：
推导得出的；
所述式(1-2)中：所述L0为光栅传感器(5)在室温T0下平行于陶瓷釉(10)基准方向的长度，ΔL0为光栅传感器(5)在T1温度下相对于室温T0温度下的长度变化量，所述εz衡量光栅传感器(5)的应力大小；所述式(1-3)中：α0为光栅传感器(5)光栅的热膨胀系数，ξ0为热光系数；所述式(1-3)和式(1-4)中的ΔT为温度变化量，所述ΔT＝T1-T0；所述T0为实验开始前所测的室温、T1为保温状态下的温度。
8.根据权利要求5所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，其特征在于，所述步骤一中在陶瓷釉(10)上选取的基准方向上，具体包括以下步骤：
1.1、测定陶瓷釉(10)在多个方向上的长度；
1.2、以陶瓷釉(10)在该方向上的长度大于25mm为标准选取一簇方向；
1.3、取一簇方向上的任一方向为基准方向。
9.根据权利要求5所述的基于光栅测量陶瓷中釉质线性热膨胀系数的方法，其特征在于，所述陶瓷釉(10)为坯体和釉的混合体，坯体为陶瓷，釉附着在坯体表面。
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