CN211652634U - 兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的目的在于提供一种兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，包括石英膨胀计组件、机械位移采集器、电信号位移采集器、位移采集器支架、控温测温系统、信号处理器、数字万用表、PC机；石英膨胀计组件分别与位移采集器支架和控温测温系统相连；机械位移采集器和电信号位移采集器通过位移采集器支架固定于石英膨胀仪组件上；电信号位移采集器通过信号处理器与数字万用表相连，数字万用表连接PC机，完成数据自动采集。所述热膨胀测量系统通过兼容机械和电信号位移采集方法，能够更好的发挥两者优势，取长补短。机械和电信号位移采集方法同时使用时，还可进行数据比对，相互校正，缩短试验周期。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，属于热膨胀系数测量技术领域，主要用于固体材料的热膨胀测量。
背景技术
热膨胀系数是表征物体热膨胀特性的物理参数，也是材料应用过程中一项重要热学性能。热膨胀测量通常采用顶杆法，即通过测量与温度变化相应的试样长度变化量ΔL，计算得到试样的线性热膨胀和平均线膨胀系数。ΔL获取的准确性直接影响热膨胀测试结果的准确性，尤其在低膨胀合金的热膨胀测量中要求有更高精度的位移采集系统。同时，对于具有体积相变发生的材料，热膨胀测量又是获得体积相变信息的最好方法。
然而目前采用顶杆法的热膨胀位移测量系统大多存在结构复杂、精度较低、元器件易受干扰等问题，从而导致漂移或读数不稳定等现象。因此本实用新型提供一种结构简单、即能保证测量精度又可以实现自动采集的精密热膨胀测量系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统。
本实用新型技术方案如下：
一种兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：所述系统包括石英膨胀计组件1、机械位移采集器3-1、电信号位移采集器3-2、位移采集器支架、控温测温系统4、信号处理器5、数字万用表6、PC机7；
石英膨胀计组件1包括石英顶杆1-1、石英底座1-2、固定件1-4和探测台1-5，石英底座1-2上设有固定件1-4，石英底座1-2可通过固定件1-4与控温测温系统4相连；石英顶杆1-1顶端固定连接探测台1-5(探测台1-5上表面平坦光滑)；固定件1-4中心位置设有通孔，石英顶杆1-1通过该通孔伸入石英底座1-2内部，且石英顶杆1-1的底端与石英底座1-2之间留有空间，用于试样1-3的放置；
机械位移采集器3-1和电信号位移采集器3-2通过位移采集器支架固定于石英膨胀仪组件上，其中：机械位移采集器3-1直接与探测台1-5上表面接触，用于采集由试样长度变化引起的石英顶杆1-1的位移量，电信号位移采集器3-2探头与机械位移采集器3-1测量杆顶端接触，且保证电信号位移采集器3-2轴线与机械位移采集器3-1测量杆轴线保持一致，以使电信号位移采集器3-2能够在获取石英顶杆1-1位移量的同时将其转换为电信号；
电信号位移采集器3-2通过信号处理器5与数字万用表6相连，数字万用表6连接PC机7，完成数据自动采集。
作为优选的技术方案：
机械位移采集器3-1为千分表；电信号位移采集器3-2为直线位移传感器或光学编码器。
为获得准确的热膨胀信息，石英膨胀计组件必须保证其同轴度一致。探测台1-5与石英顶杆1-1同心且与石英顶杆1-1轴线相垂直，以保证石英顶杆1-1的位移信息被准确传递。
探测台1-5上设有凸台，在石英顶杆1-1和/或探测台1-5与固定件1-4中心通孔之间设有压缩弹簧，以起到卡位固定的作用，又可使石英顶杆1-1/探测台1-5留有至少10mm可上下移动的弹性空间，便于试样的安装。
石英膨胀计组件1整体采用滚珠丝杠和马达实现自动平稳升降。
考虑到石英材料的加工难度，石英顶杆1-1的直径为Φ5-6mm，石英底座1-2的外径为Φ19-22mm。试样1-3的横截面不应小于石英顶杆1-1底端的接触面，且试样1-3安装时需将石英顶杆1-1底端置于试样1-3横截面的中心位置。石英顶杆1-1与石英底座1-2筒壁以及试样1-3与石英底座1-2筒壁之间必须留出足够的空间，避免接触，以保证试样1-3随温度变化的自由膨胀。
试样1-3长度优选设置为L＝48mm，较长的试样1-3比短试样1-3能够提供更准确的热膨胀信息，但对炉体的加热、控温、保温有更高的要求。在保证试样1-3正常安装的前提下，石英膨胀计组件1不易过大。合适的组件尺寸，可以节省炉体的加工空间，使控温更容易进行，热传导更快捷，试样1-3的传热更均匀。为配合炉体设计，以保证试样1-3的整体长度处于加热炉的均温区内，石英顶杆1-1的加工长度为L＝325mm，石英底座1-2长度为L＝370mm。
可分别为机械、电信号位移采集器各设置一个位移采集器支架，且机械/电信号位移采集器支架可以不限形状，但必须能够稳定夹持机械、电信号位移采集器。
本实用新型的有益效果是：
利用电信号位移传感器采集位移信息的方法可以完成带有体积相变材料的自动连续测量，直观准确地获得相变信息；利用机械位移传感器采集位移信息的方法可以精密测量材料的热膨胀系数，尤其是低膨胀材料的热膨胀系数。石英的膨胀系数非常小，因此在热膨胀测试中由石英顶杆和石英底座引入的影响也很小，从而进一步提高测试精度。本申请所述热膨胀测量系统通过兼容机械和电信号位移采集方法，能够更好的发挥两者优势，取长补短。机械和电信号位移采集方法同时使用时，还可进行数据比对，相互校正，缩短试验周期。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的结构示意图。
图2为本实用新型对比例1的结构示意图。
图3为本实用新型对比例2的结构示意图。
附图标记：1、石英膨胀计组件；1-1、石英顶杆；1-2、石英底座；1-3、试样；1-4、固定件；1-5、探测台；2-1、机械位移采集器支架；2-2、电信号位移采集器支架；3-1、机械位移采集器；3-2、电信号位移采集器；4、控温测温系统；5、信号处理器；6、数字万用表；7、PC机。
具体实施方式
实施例1
(1)如图1所示，一种兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，包括石英膨胀计组件1、机械位移采集器3-1、电信号位移采集器3-2、位移采集器支架、控温测温系统4、信号处理器5、数字万用表6、PC机7；
石英膨胀计组件1包括石英顶杆1-1、石英底座1-2、固定件1-4和探测台1-5，石英底座1-2上设有固定件1-4，石英底座1-2通过固定件1-4与控温测温系统4相连；石英顶杆1-1顶端固定连接探测台1-5，探测台1-5与石英顶杆1-1同心且与石英顶杆1-1轴线相垂直；固定件1-4中心位置设有通孔，石英顶杆1-1通过该通孔伸入石英底座1-2内部，在石英顶杆1-1和/或探测台1-5与固定件1-4中心通孔之间设有压缩弹簧，石英顶杆1-1的底端与石英底座1-2之间留有空间，用于试样1-3的放置；
机械位移采集器3-1和电信号位移采集器3-2分别通过机械位移采集器支架2-1和电信号位移采集器支架2-2固定于石英膨胀仪组件上，其中：机械位移采集器3-1直接与探测台1-5上表面接触，用于采集由试样长度变化引起的石英顶杆1-1的位移量，电信号位移采集器3-2设置于机械位移采集器3-1之上，其探头与机械位移采集器3-1测量杆顶端接触，且保证电信号位移采集器3-2轴线与机械位移采集器3-1测量杆轴线保持一致，以使电信号位移采集器3-2能够在获取石英顶杆1-1位移量的同时将其转换为电信号；
电信号位移采集器3-2通过信号处理器5与数字万用表6相连，数字万用表6连接PC机7，完成数据自动采集。
机械位移采集器3-1采用精密千分表，电信号位移采集器3-2采用直线位移传感。
(2)测量室温环境下试样1-3的长度L0＝48.00mm，石英顶杆1-1直径为Φ5mm，长度L＝325mm；石英底座1-2外径Φ20mm，长度L＝370mm。
(3)将试样1-3平稳放置于石英顶杆1-1和石英底座1-2之间。
(4)将机械位移采集器支架2-1和电信号位移采集器支架2-2固定于石英膨胀仪组件1上。
(5)将机械位移采集器3-1和电信号位移采集器3-2稳定夹持在机械位移采集器支架2-1和电信号位移采集器支架2-2上。
(6)将电信号位移采集器3-2与信号处理器5相连并选择合适的放大倍数。
(7)将信号处理器5与数字万用表6相连。
(8)将数字万用表6与PC机7相连。
(9)开启控温测温系统4以实现不同条件下的温度精确控制和测量，完成数据自动采集。
(10)利用千分表和直线位移传感器获得不同温度下的ΔL，分别计算试样的热膨胀和平均膨胀系数。
热膨胀和平均膨胀系数计算公式：
线性热膨胀：ΔL/L0 (1)
平均线膨胀系数：
式中
为平均线膨胀系数(10-6·℃-1)；ΔT为温度的变化量(测试温度与基准温度的温度差，一般以20℃为基准温度)；试样与温度变化相应的长度变化量以及考虑石英膨胀计组件的热膨胀修正，最终得到ΔL；L0为基准温度下的试样长度。
采用本实施例所述热膨胀测量系统进行测量，可以提高采集精度，且不受电、磁干扰的影响，读数稳定，同时便于观察和获得试样在温度变化下发生相变的信息。
对比例1
(1)如图2所示，该测量系统与实施例1相比区别在于仅采用机械位移采集器，该机械位移采集器为精密千分表。
(2)将试样1-3平稳放置于石英顶杆1-1和石英底座1-2之间。
(3)将机械位移采集器支架2-1固定于石英膨胀仪组件1上。
(4)将机械位移采集器3-1稳定夹持于机械位移采集器支架2-1中。
(5)开启控温测温系统4以实现不同条件下的温度精确控制和测量。
(6)分别记录不同温度时的千分表读数，计算试样的热膨胀和平均膨胀系数。
采用该热膨胀测量系统进行测量时，由于机械千分表不能实现连续自动采集，需要人工读取和记录数值，不便于观察和获得试样在温度变化下发生相变的信息。
对比例2
(1)如图3所示，如图2所示，该测量系统与实施例1相比区别在于仅采用电信号位移采集器，该电信号位移采集器为精密直线位移传感器。
(2)将试样1-3平稳放置于石英顶杆1-1和石英底座1-2之间。
(3)将电信号位移采集器支架2-2固定于石英膨胀仪组件1上。
(4)将电信号位移采集器3-2稳定夹持于电信号位移采集器支架2-2中。
(5)将电信号位移采集器3-2与信号处理器5相连并选择合适的放大倍数。
(6)将信号处理器5与数字万用表6相连。
(7)将数字万用表6与PC机7相连。
(8)开启控温测温系统4以实现不同条件下的温度精确控制和测量，完成数据自动采集。
(9)利用不同温度下的ΔL计算试样的热膨胀和平均膨胀系数。
采用该热膨胀测量系统进行测量时，由于电信号位移采集器采集精度有限，且易受电、磁干扰的影响，读数不稳定，尤其对于有高精度测试要求的低膨胀合金材料，其测试结果不理想。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
此外，本文省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
Claims (6)
1.一种兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：所述系统包括石英膨胀计组件(1)、机械位移采集器(3-1)、电信号位移采集器(3-2)、位移采集器支架、控温测温系统(4)、信号处理器(5)、数字万用表(6)、PC机(7)；
石英膨胀计组件(1)包括石英顶杆(1-1)、石英底座(1-2)、固定件(1-4)和探测台(1-5)，石英底座(1-2)上设有固定件(1-4)，石英底座(1-2)可通过固定件(1-4)与控温测温系统(4)相连；石英顶杆(1-1)顶端固定连接探测台(1-5)；固定件(1-4)中心位置设有通孔，石英顶杆(1-1)通过该通孔伸入石英底座(1-2)内部，且石英顶杆(1-1)的底端与石英底座(1-2)之间留有空间，用于试样(1-3)的放置；
机械位移采集器(3-1)和电信号位移采集器(3-2)通过位移采集器支架固定于石英膨胀仪组件上，其中：机械位移采集器(3-1)直接与探测台(1-5)上表面接触，用于采集由试样长度变化引起的石英顶杆(1-1)的位移量，电信号位移采集器(3-2)探头与机械位移采集器(3-1)测量杆顶端接触，使电信号位移采集器(3-2)获取石英顶杆(1-1)位移量的同时将其转换为电信号；
电信号位移采集器(3-2)通过信号处理器(5)与数字万用表(6)相连，数字万用表(6)连接PC机(7)，完成数据自动采集。
2.按照权利要求1所述兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：机械位移采集器(3-1)为千分表；电信号位移采集器(3-2)为直线位移传感器或光学编码器。
3.按照权利要求1所述兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：探测台(1-5)与石英顶杆(1-1)同心且与石英顶杆(1-1)轴线相垂直。
4.按照权利要求1所述兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：在石英顶杆(1-1)和/或探测台(1-5)与固定件(1-4)中心通孔之间设有压缩弹簧。
5.按照权利要求1所述兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：石英膨胀计组件(1)整体采用滚珠丝杠和马达实现自动平稳升降。
6.按照权利要求1所述兼容机械和电信号位移采集方法的精密热膨胀测量系统，其特征在于：石英顶杆(1-1)尺寸要求：Φ5-6mm，长度L＝325mm；石英底座(1-2)尺寸要求：外径Φ19-22mm，长度L＝370mm；试样(1-3)长度L＝48mm。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114112363A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-01 | 华东理工大学 | 一种金属薄片高温高压鼓胀试验的位移测量系统 |
| CN115818930A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-03-21 | 彩虹显示器件股份有限公司 | 一种铂金通道澄清段热态膨胀的监测装置及方法 |
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