CN117871595A - 一种固体材料热膨胀系数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体材料热膨胀系数测试装置，其包括激光器、分光镜、真空室、法布里‑玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里‑玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里‑玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里‑玻罗干涉腔，经由法布里‑玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。本发明的干涉光程差仅与试样长度有关，无零漂效应，具有结构简单，可靠性高，测试精度高的突出优势。
Description
技术领域
本发明属于热分析测试技术领域，涉及一种基于激光干涉原理的固体材料热膨胀系数测试装置，用于测试固体材料的线热膨胀系数。
背景技术
固体材料的热膨胀系数在结构设计、光学设计等工程应用中是必不可少的基本物理参数，通常量级在10-5～10-6量级，有些低膨胀材料在10-7～10-8量级。目前最常用的热膨胀系数测量方法有两种：推杆法和激光干涉法。推杆法采用所谓的“零膨胀”材料，如低膨胀石英等，作为推杆将被测样品的变形量传递给位移传感器，从而测量样品的膨胀系数，这种方法为商用热膨胀系数测量仪器所广泛采用。该方法的优点是使用方便、仪器成本低，缺点是该方法本身是相对法，它是基于假设所谓“零膨胀”材料对测量没有影响的前提下测量材料线膨胀系数的，然而现实中不存在零膨胀材料，所谓的“零膨胀材料”只是说该材料的线膨胀系数很低。如果被测样品的线膨胀系数与推杆材料的线膨胀系数相近，推杆本身的热膨胀对测量的影响将很明显，因此基于这种方法的装置无法实现材料线膨胀系数的绝对测量，这类装置不能用作标准装置。第二种方法是基于激光干涉仪测量样品绝对变形量的方法，这个方法的特点是测量结果不依赖于任何其它材料的物性，而且能达到推杆法所不能达到的分辨率。
激光干涉法主要基于菲索型、法布里玻罗标准具、迈克尔逊型、马赫曾德尔型等干涉光路，其原理是利用干涉光路将试样长度的变化转化为光程差的变化，从而测量得到热膨胀系数。然而这些光路普遍存在一个问题：零漂效应。由于热膨胀系数测量需要在较大的温度范围内进行测量，整个过程温度控制需要较长时间，通常为数个甚至十几个小时，在此期间，干涉光路中的光程差会发生非样品因素导致的漂移，这是由于机械稳定性、机械部件和镜片温度的变化、气流扰动等因素引起的，这将给测量结果带来难以消除的测量误差。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种固体材料热膨胀系数测试装置，避免测量过程受零漂效应影响，降低测量误差。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种固体材料热膨胀系数测试装置，其包括激光器、分光镜、真空室、法布里-玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里-玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里-玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里-玻罗干涉腔，经由法布里-玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。
其中，所述激光器、分光镜和探测器位于真空室内或外部。
其中，所述法布里-玻罗干涉腔布置在样品夹槽里，样品夹槽位于真空室内，所述法布里-玻罗干涉腔由两片锲形镜片形成，锲形镜片材料在测试波长下透明，锲角1～2°。
其中，两片锲形镜片和样品夹槽之间布置弹簧。
其中，所述测试样品为长方体块状，端面抛光，平行度优于20”。
其中，所述热电偶探头固定于样品侧面，用于测量样品的真实温度，热电偶探头用压线方式固定或者焊头涂抹导热硅脂与样品表面粘接。
其中，所述激光器作为干涉光源，用于产生可见光范围波长光束。
其中，所述分光镜和探测器之间布置扩束镜和光阑。
其中，所述扩束镜选用一片凹透镜。
其中，所述光阑用于在干涉波形中截取小片区域，选取范围小于一个明/暗条纹宽度。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的固体材料热膨胀系数测试装置，测试样品两端面紧密贴合的两锲形镜片形成法布里-玻罗干涉腔，该光路的干涉光程差仅与试样长度有关，无零漂效应，具有结构简单，可靠性高，测试精度高的突出优势。
附图说明
图1为热膨胀系数测试装置核心部分。
图2为热膨胀系数干涉测试装置外围部分。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1和图2所示，本实施例固体材料热膨胀系数测试装置包括激光器、分光镜、真空室、法布里-玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里-玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里-玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里-玻罗干涉腔，经由法布里-玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。
激光器、分光镜和探测器位于真空室内或外部。
所述法布里-玻罗干涉腔布置在样品夹槽里，所述法布里-玻罗干涉腔由两片锲形镜片形成，锲形镜片材料在测试波长下透明即可，锲角1～2°。两片锲形镜片和样品夹槽之间布置弹簧，所述弹簧用于确保锲形镜片始终紧密贴合待测样品端面，弹力不可太大，起到固定夹持作用即可。所述样品夹槽用于固定安装待测样品、锲形镜片和弹簧。
所述测试样品加工为长方体块状，端面抛光，平行度优于20”。
所述热电偶探头固定于样品侧面，用于测量样品的真实温度，可用压线等方式固定，焊头涂抹导热硅脂等材料使之与样品表面粘接。
所述激光器作为干涉光源，用于产生波长稳定、相干性好的激光光束，波长通常选取可见光范围，比如632.8nm。
分光镜和探测器之间布置扩束镜和光阑。
所述分光镜用于透射测试光束，测试光束进入真空室中，在两片锲形镜片之间发生法布里-玻罗干涉，干涉结果光束反射至分光镜，然后反射至扩束镜、光阑和探测器。
所述扩束镜用于将光束直径扩大，可选用一片凹透镜。
所述光阑用于在干涉波形中截取小片区域，选取范围小于一个明/暗条纹宽度。
所述探测器用于探测干涉光强，监测波形移动情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，包括激光器、分光镜、真空室、法布里-玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里-玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里-玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里-玻罗干涉腔，经由法布里-玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。
2.如权利要求1所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述激光器、分光镜和探测器位于真空室内或外部。
3.如权利要求2所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述法布里-玻罗干涉腔布置在样品夹槽里，样品夹槽位于真空室内，所述法布里-玻罗干涉腔由两片锲形镜片形成，锲形镜片材料在测试波长下透明，锲角1～2°。
4.如权利要求3所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，两片锲形镜片和样品夹槽之间布置弹簧。
5.如权利要求4所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述测试样品为长方体块状，端面抛光，平行度优于20”。
6.如权利要求5所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述热电偶探头固定于样品侧面，用于测量样品的真实温度，热电偶探头用压线方式固定或者焊头涂抹导热硅脂与样品表面粘接。
7.如权利要求6所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述激光器作为干涉光源，用于产生可见光范围波长光束。
8.如权利要求7所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述分光镜和探测器之间布置扩束镜和光阑。
9.如权利要求8所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述扩束镜选用一片凹透镜。
10.如权利要求9所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述光阑用于在干涉波形中截取小片区域，选取范围小于一个明/暗条纹宽度。
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