CN113325029A - 一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置及方法 - Google Patents

一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置及方法，包括加热机构和激光变形测量系统；激光变形测量系统包括激光器、分光器和相机；分光器将激光器射出的激光进行分束得到多路分束激光，多路分束激光经过待测试件漫反射进入相机；或者，分光器将激光器射出的激光进行分束得到多路分束激光，一部分分束激光直接进入相机，另一部分分束激光经过待测试件漫反射进入相机；进入相机的分束激光在相机靶面上产生干涉图像。本发明材料面二维热膨胀系数测量精度高，变激光变形测量视场范围内所有位置的热变形均可测，不受测点数量的限制，有利于提高复合材料等低膨胀率、各向异性材料的热膨胀系数的准确测量性和适用性。

Description

一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及材料热膨胀系数测量的技术领域，具体地，涉及一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置及方法。
背景技术
热膨胀特性是材料基本物理属性之一，对承受交变温度载荷的结构，尤其是航空、航天领域，精确的热膨胀系数对结构设计至关重要。
常见的热膨胀系数测试方法主要针对一维材料，公开号为CN101140249A的中国发明专利公开了一种材料热膨胀系数的双光束激光干涉测量方法，涉及材料热膨胀系数的双光束激光干涉测量。将被测样品置于高真空加热炉固件内，并将炉体抽真空到10-4Pa以下；利用SIOS-SP120D激光干涉仪的激光发射盒发射两束激光打在被测样品表面上，使两束激光经样品表面反射各自沿原路返回到激光发射口，与入射光形成干涉；测得激光束a、b光程位移变化Δa和Δb，由两束激光光程位移量之差Δa-Δb得到被测样品L段的膨胀量ΔL；用K型热电偶测量高真空加热炉内被测样品温度，利用数据采集卡采集温度数据。该方法由于所取被测样品膨胀量为两束激光光程位移差值，样品台、夹具等受热膨胀对单束激光造成的系统误差可以相互完全抵消，因此完全消除测量膨胀量时的系统误差，提高了测量精度，同时可以准确地反映材料相变过程。该方法采用激光干涉原理测量一维试件在长度方向的热变形。而目前广泛应用的复合材料呈现出低膨胀率、各向异性等热膨胀特性，单方向的热膨胀系数不能代表整个复合材料的热膨胀系数，一维热膨胀系数的测量方法已不能满足此类材料的需求。
对材料面内二维热膨胀系数的测量方法，如公开号为CN101493427A的中国发明专利公开了一种引线框架片材热膨胀系数的测量方法及测量装置，用于测定薄片材料的热膨胀系数，本发明采用现有的光学测量仪、测温仪、传热介质、加热器，因而不需要专用的热膨胀系数测量仪，因为直接测量片状材料的热膨胀系数，所以不需要制作热膨胀系数测量仪所用的圆棒状试样。此发明直接测量片状材料平面方向的热膨胀系数，比由块状材料测得的热膨胀系数更适合工程实际应用状况。又如论文《大型星载固面天线热变形试验及仿真分析验证》(刊号CN11-5333/V)采用摄影测量法测量天线的热变形，测量精度为几十微米级，对低变形的材料而言测量误差较大。
可见，现有的二维热膨胀系数测量技术主要针对单相均质材料，变形测量有位移传感器测量、摄影测量等方法。
针对上述中的现有技术，发明人认为上述技术中存在有测量精度不足、测点数量有限，且不能实现面内任意方向的热膨胀系数测量，复合材料等低膨胀率、各向异性材料热膨胀系数的准确测量性较低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种材料面二维热膨胀系数高精度测量方法及系统。
根据本发明提供的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，包括对待测试件进行加热变形的加热机构和实时检测待测试件热变形的激光变形测量系统；
所述激光变形测量系统包括激光器、分光器和相机；
分光器将激光器射出的激光进行分束得到多路分束激光，多路分束激光经过待测试件漫反射进入相机；或者，
分光器将激光器射出的激光进行分束得到多路分束激光，一部分分束激光直接进入相机，另一部分分束激光经过待测试件漫反射进入相机；
进入相机的分束激光在相机靶面上产生干涉图像。
优选的，所述激光变形测量系统还包括反光镜，分束激光经过反光镜反射到待测试件。
优选的，还包括实时监测待测试件温度变化的热电偶。
优选的，还包括收集干涉图像数据、将干涉图像中的图像信号转化成数字信号并线性拟合出待测试件面热膨胀系数的数据处理系统。
优选的，所述加热机构比如是红外灯阵，红外灯阵对待测试件从室温逐级加热到预定温度进行梯度加热。
根据本发明提供的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量方法，所述分光器将激光器射出的激光进行分束得到多路分束激光，多路分束激光经过待测试件漫反射进入相机，进入相机的分束激光在相机靶面上产生干涉图像；
加热机构对待测试件进行加热变形，相机靶面上的干涉条纹根据待测试件的变形发生移动；
将干涉条纹的移动量转换为多束分束激光相位差的变化量；
根据待测试件的面内变形量和相位差变化量的换算关系，解算出待测试件的热变形，得到待测试件面内热膨胀系数。
根据本发明提供的一种材料面二维膨胀系数高精度测量方法，所述分光器将激光器射出的激光进行分束得到多路分束激光，一部分分束激光直接进入相机，另一部分分束激光经过待测试件漫反射进入相机，进入相机的分束激光在靶面上产生干涉图像；
加热机构对待测试件进行加热变形，相机靶面上的干涉条纹根据待测试件的变形发生移动；
将干涉条纹的移动量转换为多束分束激光相位差的变化量；
根据待测试件的面外变形量和相位差变化量的换算关系，解算出待测试件的热变形，得到待测试件面外热膨胀系数。
优选的，分束激光经过反光镜反射到待测试件。
优选的，所述热电偶实时检测待测试件的温度变化。
优选的，所述数据处理系统收集干涉图像数据，将干涉图像信号转化成数字信号并线性拟合出待测试件面内热膨胀系数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明材料面二维热膨胀系数测量精度高。变形测量精度达到几十纳米级，对低膨胀系数、小变形的材料具备很高的测试精度。本发明激光变形测量视场范围内所有位置的热变形均可测，不受测点数量的限制，可测量待测试件表面面内任意方向的热膨胀系数，有利于提高复合材料等低膨胀率、各向异性材料的热膨胀系数的准确测量性和适用性；
2、本发明采用线性拟合分析算法，测量结果代表的是整块材料的热膨胀系数，适用于非均质材料的热膨胀系数测量需求；
3、本发明还可测量垂直于待测试件表面的面外变形，继而计算出待测试件的面外热膨胀系数。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明材料面内热膨胀系数高精度测量装置示意图；
图2为待测试件表面坐标示意图；
图3为本发明材料面外热膨胀系数高精度测量装置示意图。
附图说明：1、激光器；2、分光器；3、反光镜；4、相机；5、加热机构；6、待测试件；7、热电偶；8、数据处理系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例公开了一种材料面内二维热膨胀系数的测量装置，如图1和图2所示，包括对待测试件6进行加热变形的加热机构5(加热机构5比如是红外灯阵)实时检测待测试件6热变形的激光变形测量系统、实时监测待测试件6温度变化的热电偶7(热电偶7比如是T型热电偶7)和数据处理系统8。热电偶7固定在试件表面，测温精度±0.5℃。
红外灯阵对试件进行均匀梯度加热，加热范围从室温到150℃。为降低测量误差，通过控制红外灯阵输出功率，对待测试件6分级梯度加热，每级加热均对应一组待测试件6热变形数据。
待测试件6比如是杆件、带材和板材。待测试件6的材料比如是单相均质材料和复合材料，待测试件6表面应平整洁净。待测试件6的测量范围包含待测试件6面内所有方向的热膨胀系数。
激光变形测量系统包括激光器1、分光器2、反光镜3和相机4(相机4比如是CCD相机)，激光变形双系统基于激光光斑干涉原理。测量变形测量系统的视场范围内待测试件6所有位置的变形量均可检测，变形测量精度优于0.1微米。
分光器2将激光器1射出的激光进行分束得到两路分束激光，两路分束激光分别经过反光镜3反射到待测试件6上，进而两路分束激光经过待测试件6漫反射进入相机4，分束激光在相机4靶面上产生干涉图像。
待测试件6在加热机构5的作用下发生变形，两路分束激光的相位差将发生变化，并导致相机4靶面上的干涉条纹发生移动。
数据处理系统8收集干涉图像数据，实时接收相机4的干涉图像信号，将干涉图像的图像信号转化成数字信号并线性拟合出待测试件6的热膨胀系数，将干涉图像的移动量转换为两束分束激光相位差的变化量，根据面内变形量与相位差变化量的换算关系，解算出待测试件6的面内热变形。
以试件6的一个角点为原点O，长、短边方向为X轴、Y轴，Z轴方向由右手定则确定，建立试件表面坐标系OXYZ。假设待测试件6初始温度为T0，梯度加载的温度为T1、T2、…、Tn(n为奇数)，各级温度Ti下的面内变形量与两束分束激光相位差变化量
Figure BDA00030563183200000510
的关系由下式给出：
Figure BDA0003056318320000051
Figure BDA0003056318320000052
式中，x，y为试件表面任意一点在OXYZ坐标系下的X向、Y向坐标，u(x,y,Ti)、v(x,y,Ti)分别为待测试件6表面在X方向、Y方向的面内变形，λ为激光波长，βxoz、βyoz分别为XOZ、YOZ面内的激光入射角度。
在已知n组面内变形量u(x,y,Ti)、v(x,y,Ti)的情况下，假设给定方向
Figure BDA0003056318320000053
与X轴夹角为θ，则
Figure BDA0003056318320000054
方向的热膨胀系数求解分三步进行：
第一步，坐标转换。
Figure BDA0003056318320000055
方向上任意一点A(x,y)的坐标表示为:
A(x,y)＝(lsinθ，lcosθ) (2)
式中，l是点A到坐标原点O的距离，将l作为点A在
Figure BDA0003056318320000056
方向上的坐标。
点A(x,y)在
Figure BDA0003056318320000057
方向上的变形量dl为：
dl(l,Ti)＝v(lsinθ,lcosθ,Ti)sinθ+u(lsinθ,lcosθ,Ti)cosθ
i＝1,2,...,n (3)
第二步，线性拟合。
由式(3)得出
Figure BDA0003056318320000058
方向上的变形量dl与坐标l的关系曲线，线性拟合出如下关系式：
dl(l,Ti)＝kil+ci i＝1,2,…,n (4)
式中，ki、ci为线性拟合方程的常数项。
采用线性拟合方法处理待测试件6表面的热变形数据，测量结果代表待测试件6整块材料的热膨胀系数，适用于非均质材料。
第三步，逐差平均。
假设梯度加载的温度梯度ΔT为常量，即Ti-Ti-1＝ΔT，则由逐差法计算得到
Figure BDA0003056318320000059
方向的热膨胀系数αl为：
Figure BDA0003056318320000061
采用逐差平均法处理梯度加热的数据。
如图3所示，测量待测试件6的面外膨胀系数。分光器2将激光器1射出的激光进行分束得到两路分束激光，一部分分束激光直接进入相机4，另一部分分束激光经过待测试件6漫反射进入相机4，进入相机4的分束激光在相机4靶面上产生干涉图像。
假设待测试件6初始温度为T0，温度梯度ΔT为常量，加载温度为T1、T2、…、Tn(n为奇数)。试件6在Z方向的变形量w(x，y，Ti)将导致两束分束激光相位差发生变化，Z向变形量w(x，y，Ti)与相位差的变化量
Figure BDA0003056318320000066
有如下关系：
Figure BDA0003056318320000062
对w(x，y，Ti)在试件表面内取平均得到Z方向的平均变形量
Figure BDA0003056318320000063
Figure BDA0003056318320000064
式中，S为试件表面积。
采用逐差平均法计算试件6面外的热膨胀系数αz为：
Figure BDA0003056318320000065
本发明实施例还公开了一种材料面二维膨胀系数高精度测量方法，如图1所示，分光器2将激光器1射出的激光进行分束得到多路分束激光，多路分束激光经过反光镜3反射到待测试件6，多路分束激光经过待测试件6漫反射进入相机4，进入相机4的分束激光在相机4靶面上产生干涉图像。
红外灯阵对待测试件6从室温逐级加热到预定温度进行梯度加热，相机4靶面上的干涉条纹根据待测试件6的变形发生移动，热电偶7实时检测待测试件6的温度变化。
数据处理系统8收集干涉图像数据，将干涉图像信号转化成数字信号，将干涉条纹的移动量转换为多束分束激光相位差的变化量。
根据待测试件6的面内变形量和相位差变化量的换算关系，解算出待测试件6的热变形，得到待测试件6面内热膨胀系数。
本发明实施例还公开了一种材料面二维膨胀系数高精度测量方法，如图3所示，分光器2将激光器1射出的激光进行分束得到多路分束激光，一部分分束激光直接进入相机4，另一部分分束激光经过待测试件6漫反射进入相机4，进入相机4的分束激光在靶面上产生干涉图像。
红外灯阵对待测试件6从室温逐级加热到预定温度进行梯度加热，相机4靶面上的干涉条纹根据待测试件6的变形发生移动，热电偶7实时检测待测试件6的温度变化。
数据处理系统8收集干涉图像数据，将干涉图像信号转化成数字信号，将干涉条纹的移动量转换为多束分束激光相位差的变化量。
根据待测试件6的面外变形量和相位差变化量的换算关系，解算出待测试件6的热变形，得到待测试件6面外热膨胀系数。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，其特征在于：包括对待测试件(6)进行加热变形的加热机构(5)和实时检测待测试件(6)热变形的激光变形测量系统；
所述激光变形测量系统包括激光器(1)、分光器(2)和相机(4)；
分光器(2)将激光器(1)射出的激光进行分束得到多路分束激光，多路分束激光经过待测试件(6)漫反射进入相机(4)；或者，
分光器(2)将激光器(1)射出的激光进行分束得到多路分束激光，一部分分束激光直接进入相机(4)，另一部分分束激光经过待测试件(6)漫反射进入相机(4)；
进入相机(4)的分束激光在相机(4)靶面上产生干涉图像。
2.根据权利要求1所述的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，其特征在于：所述激光变形测量系统还包括反光镜(3)，分束激光经过反光镜(3)反射到待测试件(6)。
3.根据权利要求1所述的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，其特征在于:还包括实时监测待测试件(6)温度变化的热电偶(7)。
4.根据权利要求1所述的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，其特征在于：还包括收集干涉图像数据、将干涉图像中的图像信号转化成数字信号并线性拟合出待测试件(6)面热膨胀系数的数据处理系统(8)。
5.根据权利要求1所述的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，其特征在于：所述加热机构(5)比如是红外灯阵，红外灯阵对待测试件(6)从室温逐级加热到预定温度进行梯度加热。
6.一种材料面二维热膨胀系数高精度测量方法，其特征在于：根据权利要求1-5任一所述的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，所述分光器(2)将激光器(1)射出的激光进行分束得到多路分束激光，多路分束激光经过待测试件(6)漫反射进入相机(4)，进入相机(4)的分束激光在相机(4)靶面上产生干涉图像；
加热机构(5)对待测试件(6)进行加热变形，相机(4)靶面上的干涉条纹根据待测试件(6)的变形发生移动；
将干涉条纹的移动量转换为多束分束激光相位差的变化量；
根据待测试件(6)的面内变形量和相位差变化量的换算关系，解算出待测试件(6)的热变形，得到待测试件(6)面内热膨胀系数。
7.一种材料面二维膨胀系数高精度测量方法，其特征在于：根据权利要求1-5任一所述的一种材料面二维热膨胀系数高精度测量装置，所述分光器(2)将激光器(1)射出的激光进行分束得到多路分束激光，一部分分束激光直接进入相机(4)，另一部分分束激光经过待测试件(6)漫反射进入相机(4)，进入相机(4)的分束激光在靶面上产生干涉图像；
加热机构(5)对待测试件(6)进行加热变形，相机(4)靶面上的干涉条纹根据待测试件(6)的变形发生移动；
将干涉条纹的移动量转换为多束分束激光相位差的变化量；
根据待测试件(6)的面外变形量和相位差变化量的换算关系，解算出待测试件(6)的热变形，得到待测试件(6)面外热膨胀系数。
8.根据权利要求6所述的一种材料面二维热膨胀系数的测量方法，其特征在于：分束激光经过反光镜(3)反射到待测试件(6)。
9.根据权利要求6或7所述的一种材料面二维热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述热电偶(7)实时检测待测试件(6)的温度变化。
10.根据权利要求6所述的一种材料面二维热膨胀系数的测量方法，其特征在于：所述数据处理系统(8)收集干涉图像数据，将干涉图像信号转化成数字信号并线性拟合出待测试件(6)面内热膨胀系数。
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