CN2053326U - 由干涉法测材料线膨胀系数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种由于干涉法测材料线膨胀系数的装置。它主要由光源、光学干涉系统、干涉检测部件、测温和控温器件以及记录器件等构成。该装置的主要特点是测量准确，可测量小膨胀系数材料，同时还可对厚度极薄的金属薄片试样的线膨胀系数进行测量。本实用新型所述装置的测量范围可高至600℃左右，它可由计算机进行数据收集、处理及输出，从而实现了测量的自动化。

Description

本实用新型涉及一种物理测试仪器，具体地说，涉及一种采用干涉原理测量材料的线膨胀系数的装置。

众所周知，用于测量材料线膨胀系数的许多类型的膨胀仪已在科研及生产中应用，这些膨胀仪几乎都是以棒状的刚性材料作为试样，不能对生产中大量的薄带金属产品进行测量，在生产中只能取其中间坯料的测量结果作为成品薄带的线膨胀系数，这样不经济也不科学，况且，近年来发展起来的一系列非晶态合金由于采用急冷法制取，故只有薄带产品（试样厚度只有10－30μm左右），得不到中间坯料，用常规膨胀仪器难以精确测量。目前报导的测量小膨胀系数的仪器，都是采用差动变压器或三端电容法为测长传感器，它们虽然都有较高的测长灵敏度，但是由于零点漂移大，线性度差和需要传递杆等缺点，因而稳定性差，测量精度不高，作为非晶态合金之类的小膨胀系数测量，难以胜任。

本实用新型的目的是提供一种利用干涉原理精确测量材料，特别是小膨胀材料的线膨胀系数的装置。

本实用新型的进一步目的是提供一种利用干涉原理精确测量薄带金属试样的线膨胀系数的装置。

本实用新型的构思如下：

本实用新型所述装置是基于等厚干涉原理而构造出的。将试样放在两块干涉片（玻璃板）之间，当有单色光垂直照射时，光在与试样接触的两干涉片表面分别被反射。由于两束反射光之间有光程差，反射后形成等厚干涉条纹，所引起的光程差为：

δ＝2Ln＋λ／2

式中L为两反射面之间的距离，等于试样的长度；λ为入射光波长；n为两干涉片之间介质的折射率，在真空中时，n＝1，构成反射光干涉的条件为：

δ＝2L＋λ／2＝Nλ    N＝1，2，3，…明条纹

δ＝2L＋λ／2＝（2N＋1）λ／2    N＝0，1，2，…暗条纹

当将试样加热时，由于试样膨胀，两块干涉片之间距离增大，从而产生干涉条纹的移动，移动过一个条纹，表示光程差改变了一个波长λ，即试样伸长了λ／2，因此试样的伸长量为

△L＝N· (λ)/2 （N为干涉条纹移过数目）

试样的平均线膨胀系数为：

α＝ (Nλ)/(2L_O(T-To))

式中Lo为室温To下试样的长度，T为试样加热温度。

当在非真空气氛下测量时，要考虑气体的折射率，得到结果为：

△L／Lo＝（Nλ／2Lon₂）＋［（n₁－n₂）／n₂］

（式中：n₁为T₁温度下两干涉片之间介质的折射率；n₂为T₂温度下介质的折射率。）

根据上述构思，本实用新型所述测量材料线膨胀系数的装置包括：产生单色平行光的光源；用于产生干涉现象的位于试样两端的上干涉片和下干涉片；用于检测由上、下干涉片产生的干涉条纹的干涉检测部件；用于记录由干涉检测部件得到的信号的记录器件；用于对试样加热的加热炉；用以测量和控制炉温的测温器件和控温器件。

能够产生平行单色光光源的方法和装置对该技术领域的熟练技术人员来说有多种多样，但对于本实用新型来说，为了得到单色性好和稳定性好的光源，最好选用由激光器、光发散元件、半反射镜和半球镜而产生的单色平行光光源。上述干涉检测部件最好包括摄像机、显示器和光电检测器件。由激光器射出的光束由光发散元件扩散成发散光，再由半反射镜将其反射至半球镜上，从而由半球镜将发散光会聚成平行光束，该平行光束照射到加热炉中的位于试样两端面处的两块干涉片（上、下干涉片）上，反射回来的光线透过所述半反射镜射向摄像机，在与摄像机连接的显示器上显示出干涉图像，再由光电检测器件将显示器上的光信号转换成电信号而由记录器件记录下来。

上述光发散元件可为双凸透镜、玻璃球或其他能使光发射的元件；上述上、下干涉片可以是圆形、方形或其他任意形状的薄片，薄片厚度一般在4－10mm范围内，为了节省材料，希望该厚度越薄越好，薄片材料可选用石英、宝石、高温玻璃或其他耐高温和透明度高的材料。所述光电转换器件可采用放在显示器屏幕上的光导纤维和／或光敏元件诸如光电阻、光敏三极管、光敏二极管等，为了消除自然光、温度变化等因素引起的干扰，最好采用二个或四个光导纤维和／或光敏元件，把它们构成桥路，一个接受Sinθ光信号，另一个接受－Sinθ光信号，即光信号相位相反，这样，由上述因素产生的影响可以抵消，同时还可抵消信号中的直流成分。

上述测温器件一般包括热电偶和电压表或D／A转变器。

上述控温器件一般包括控温热电偶和PID控制仪，当然也可采用手工控温。为了准确和自动控温，最好与计算机相连，这对于该技术领域熟练人员来说是不难理解的。

所述记录器件可采用记录仪诸如X－Y记录仪、数字仪表和计算机等，为了实现检测的自动化、提高测量的准确性和效率以及减少人为误差，最好采用计算机。所述计算机不仅能记录数据，它还能用于控制加热温度，同时还可以对测量数据进行处理，如果再配上一台打印机，就能直接输出测量结果。

上面所描述的测量材料线膨胀系数的装置可用于测量棒状、片状和管状等试样的线膨胀系数。当用该装置测量厚度极薄的金属薄带试样的线膨胀系数时，怎样将薄带试样安置在两个干涉片之间构成干涉具则成为能否测量薄带状试样的关键，为了使薄带试样按长度方向具有承受干涉片载荷的能力，同时又能竖立，作为本实用新型的一个重要内容，采用一管壁上沿轴线方向加工有三个能容纳弯折或弯曲金属薄片试样的狭缝或孔的异型管，当试样分别插入狭缝或孔中时，薄片试样自然形成弯曲或弯折，从而大大提高了薄片试样的轴向承载能力。所述试样应略长于异型管的长度，高出异型管两端的试样分别构成三只脚，既能稳定地放置在下干涉片上，又能平稳地支承上干涉片。

为了减少或消除加热炉中气氛对干涉条纹的影响，加热炉最好抽成真空状态。

本实用新型所述的装置具有下列优点：

Ⅰ.由于测量方法是绝对测量，不存在零点漂移和线性度等问题，也不存在传递误差，测试方法准确可靠，能用于测量小膨胀系数材料。

Ⅱ.当采用激光作为单色光光源时，由于其单色性强，故测量尺度可靠。

Ⅲ.将干涉条纹显示在荧光屏上，避免激光损伤眼睛，同时放大了干涉图像，增加了干涉条纹的清晰度，为光电检测提供了方便。

Ⅳ.能以优于8×10^－9M的测长分辨力、0.08×10^－6／℃的测试精度，测量≥16微米厚金属薄带试样在≤600℃温度下的膨胀系数。

Ⅴ.当采用计算机时，测量过程实现了自动化，可将实时采集数据提高到250个，采用计算机述能对测量数据进行快速分析处理。除能立即给出材料的平均线膨胀系数外，还可通过拟合高次方程来精确地求出任意温度下的瞬时线膨胀系数。

下面将通过实施例对本实用新型的装置进行进一步的描述，但不应认为是对本实用新型的限定。基于本实用新型的构思而作出的任何显而易见的改进和变化都应在本实用新型的保护范围之内。

图1是本实用新型实施例1所述线膨胀系数测量装置的示意图。

图2是本实用新型实施例2所述线膨胀系数测量装置的示意图。

图3是本实用新型实施例2所述异型管的结构示意图。

实施例1

参见图1，本实施例所述的线膨胀系数测量装置由激光器、玻璃球1、半反射镜2、摄像机、半球镜3、加热炉4、上干涉片5、下干涉片6、显示器、光电检测器件、X－Y记录仪、数字电压表、可控硅执行元件、PID控制仪、测温热电偶8和控温热电偶9构成。所述玻璃球的直径为约2mm；所述干涉片为光学石英玻璃圆片，直径为30mm左右，厚度为5mm；所述光电检测器件包括两支光导纤维、光电阻、放大器和整形线路；所采用的试样20为棒状金属试样；所述加热炉处于真空状态。

本实施例所述装置的工作过程如下：

激光器发射出的光束经玻璃球1扩散成发散光，再经半反射镜2反射到半球镜3而会聚成直径约为30mm的平行光束。上干涉片5、下干涉片6和处于其间的试样构成干涉腔。当来自半球镜3的平行光束垂直照射到干涉腔上时，上干涉片5和下干涉片6反射回的光都射向改装成短焦距的工业摄像机上，因上、下干涉片的反射光有光程差，所以在显示器的屏幕上显示出清晰的等厚干涉条纹图像。

由控温热电偶9、可控硅执行元件和PID控制仪组成的控温部分可控制加热炉4温度的变化。由于温度的变化，位于上、下干涉片之间的试样长度发生变化，上、下干涉片之间的光程差也发生变化，显示器屏幕上的干涉条纹随温度变化发生位移。由在屏幕上的两支光导纤维、光电阻、放大器和整形线路构成的光电检测器将干涉条纹的明暗光信号转变成脉冲电信号，输入X－Y记录仪，从而采集到干涉条纹数。由测温热电偶8和数字电压表构成的测温部件将温度信号也输入上述X－Y记录仪，从而采集到加热温度。

假定室温T_o时试样长度为L_o，激光波长为λ和加热温度为T，通过上述公式α＝Nλ／2Lo（T－T_o）就可计算出相应温度下的平均线膨胀系数α。

实施例2

参照图2，本实施例所述的线膨胀系数测量装置与实施例1所描述的基本相同，它包括激光器、玻璃球1、半反射镜2、摄像机、半球镜3、加热炉4、上干涉片5、下干涉片6、显示器、光电检测器件、数字电压表、可控硅执行元件、PID控制仪、测温热电偶8和控温热电偶9，不同之处在于：

（1）待测试样为纯铂薄片试样（厚度为0.06mm，宽为6mm，长为20mm，纯度为99.99％），由于薄片材料轴向受力时易弯曲，不易竖立，因此不能将该薄片试样直接放置在上、下干涉片5，6之间。为此，本实施例还包括一长为10－20mm，外径为28mm，壁厚为2mm的不锈钢管10（当然其他形状和尺寸的异型管也是可行的），参见图3，在管壁上沿轴向对称加工出三个弯曲或弯折狭缝11，其形状可为“∧”形或“⌒”形。为了节省材料和使加热温度均匀，在不锈钢管管壁上还可对称地加工成具有三个空缺12。将三条长度相同的上述薄片试样14分别插入三个狭缝11中，试样也自然形成弯曲或弯折，试样略长于钢管的长度，高出钢管两端部分的试样分别构成三个脚，既能稳定地放置在下干涉片6上，又能平稳地支承上干涉片5。上述上、下干涉片5，6和试样14以及不锈钢管10构成类似于实施例1的干涉腔。

（2）所述记录器件不采用实施例1所述的X－Y记录仪，而是采用计算机，并且将PID控制仪与计算机相连（见图2），由计算机按指定加热程序控制，计算机输出的控制信号与控温热电偶的电压同时输入PID控制仪进行比较，然后控制可控硅执行元件对炉子加热。计算机将自动采集干涉条纹数和加热温度值，根据线性升温过程相邻两条纹时间间隔相近的原理，通过计算机中的计数定时卡，还可对干涉条纹的尾数部分进行细分，这样可以提高测量的准确性。通过上述公式α＝Nλ／2Lo（T－To），计算机可迅速将其值计算出来，得到相应温度下的平均线膨胀系数α。计算机的程序中，用最小二乘法原理编制了高次拟合方程程序，根据实测的数据，求出经验拟合方程。然后，可由打印机打印出平均线膨胀系数α值、△L／L随温度变化的关系曲线和经验拟合方程，从而可求得任何温度下的瞬时线膨胀系数值，这是目前使用的膨胀仪难以办到的。

当了验证本实用新型所述仪器的可靠性和准确性，对上述试样反复测量了五次，每次实验前都重新调整激光器和重新安装试样，每次获得的各温度下的测量结果α及五次平均值α和标准误差σ列于下表，表中还列举了国标GB4339－84计算得到的α值以及此值与测量平均值的比值。

表  纯铂标准试样测量值，标准误差和系统误差

表  纯铂标准试样测量值，标准误差和系统误差

从表中数据可以看出：

（1）与国家标准相比，膨胀系数测量系统误差小于1％。

（2）20－200℃之间的平均线膨胀系数的标准误差≤.075×10^－6／℃；20－500℃之间≤0.0051×10^－6／℃。

Claims (17)

1、一种高精度测量材料线膨胀系数的装置，其特征在于它包括：

(Ⅰ)产生单色平行光的光源；

(Ⅱ)用于产生干涉现象的位于试样两端的上干涉片和下干涉片；

(Ⅲ)用于检测由上、下干涉片产生的干涉条纹的干涉检测部件；

(Ⅳ)用于记录由干涉检测部件得到的信号的记录器件；

(Ⅴ)用以对试样加热的加热炉；

(Ⅵ)用以测量和控制炉温的测温器件和控温器件。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述单色平行光光源是通过激光器、光发散元件、半反射镜和半球镜而产生的。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述干涉检测部件包括摄像机、显示器和光电检测器件。

4、如权利要求2所述的装置，其特征在于所述光发散元件为双凸透镜或玻璃球。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述干涉片材料选用石英、宝石或高温玻璃。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于所述光电检测器件为光导纤维和1或光敏元件。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于所述光导纤维和1或光敏元件的个数为两个或四个。

8、如权利要求6所述的装置，其特征在于所述光敏元件为光电阻、光敏三极管或光敏二极管。

9、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述测温器件包括热电偶和电压表或D／A转变器。

10、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述控温器件包括控温热电偶和PID控制仪。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于所述控温热电偶和PID控制仪与计算机相连。

12、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述记录器件可为X－Y记录仪、数字仪表和计算机。

13、如权利要求1所述的装置，其特征在于它进一步包括位于上、下干涉片之间的管壁上沿轴向加工有三个能容纳弯折或弯曲金属薄片试样的狭缝或孔的异型管。

14、如权利要求13所述的装置，其特征在于所述异型管为不锈钢圆管。

15、如权利要求14所述的装置，其特征在于所述圆管的管壁上对称地加工有三个空缺。

16、如权利要求1所述的装置，其特征在于它进一步包括打印机。

17、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述加热炉处于真空状态。

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