CN212748813U - 一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置，属于超声检测技术领域，测量装置包括超声脉冲发射接收装置、水浸式耦合检测单元和超声回波信号采集显示系统，超声脉冲发射接收装置采用超声脉冲收发仪发射超声波至水浸式耦合检测单元，水浸式耦合检测单元获取待测超低膨胀玻璃样品的表面回波和底面回波，再次由超声脉冲发射接收单元接收，超声回波信号采集显示模块采集并显示接收到的回波信号，观测待测超低膨胀玻璃样品的表面回波和底面回波之间的时间间隔，结合已测的样品的厚度获得待测超低膨胀玻璃样品不同位置处的超声波传播速率，再根据超低膨胀玻璃的热膨胀系数与超声波传播速率成线性关系的原理，实现对超低膨胀玻璃热膨胀系数的快速无损测量。

Description

一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于水浸式超声脉冲回波的超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置，属于超声检测技术领域，可用于快速无损地测量超低膨胀玻璃的热膨胀系数。

背景技术

超低膨胀玻璃由于具有以下的优势特点：(1)热膨胀系数(CTE)接近于零，保证其在恶劣的温度环境下具有较好的尺寸稳定性；(2)光学可加工性能好，易获得高质量光学面形；(3)区别于微晶玻璃由玻璃相和微晶相组成，ULE是均匀的玻璃单相材料，组成稳定，从而具有优良的热加工性能，可进行拼接加工，易于向大尺寸发展，同时也可进行复杂轻量化结构制造，减轻反射镜重量的同时保证较大的刚度。已经成为国外许多地基光学系统、空间光学系统、激光系统主镜镜坯的主要基体材料。

在超低膨胀玻璃的加工过程中，由于内部TiO₂组分分布不均匀，会导致形成的超低膨胀玻璃的热膨胀系数呈微区分布不均匀，当这种不均匀性超出一定范围，使用超低膨胀玻璃加工成型的大镜面就会产生残余应力，最终影响光学镜面的加工质量和像质的稳定性。因此需要快速准确的测量出超低膨胀玻璃不同位置处的热膨胀系数来筛选热膨胀系数均匀的镜坯材料。

对于超低膨胀玻璃热膨胀系数的测量，国内主要是自主采购高精度的激光干涉型热膨胀系数测量设备进行测量研究，而国外开展了大量的超低膨胀玻璃热膨胀系数的测量研究，主要方法有斐索干涉法、法布里泊罗干涉法、双通迈克尔逊干涉法、双光路光学外差干涉法、修正的迈克尔逊干涉法、光弹性分析法等。

斐索干涉法在5℃-35℃温度范围内，平均热膨胀系数测量的最大误差为7ppb/℃，多次读数后测量的概然误差为2-3ppb/℃，但是测量过程中样品的准备和测量非常耗时(约两周)。

法布里泊罗干涉法测量绝对热膨胀系数的精度能够达到1ppb/℃，这种测量方法适合于测量0-1ppm/℃范围热膨胀系数的材料，测量精度受限于激光的频率稳定性、温度变化的不确定度和F-P共振峰值的可复位性。

双通迈克尔逊干涉法能够测量大多数材料在2-500℃范围内的绝对热膨胀系数，能够可视化干涉条纹和温度信息。干涉仪具有高的分辨力和准确度，炉子的设计对样品形状和尺寸的限制最小，但是该热膨胀仪测量过程慢，温度很难快速平衡，单次测量需要6-8小时，准确度不及法布里泊罗干涉仪。

双光路光学外差干涉法测量热膨胀系数的标准不确定度为2.1×10^-8K^-1，双光路光学系统的引入极大地降低了测量前和测量期间对样品端面平行度的要求，在降低实验不确定度方面有着相当大的改善空间。

修正的迈克尔逊干涉法要求待测样品的长度为10-15mm，直径为5-7mm，两端为圆形。在-150℃-150℃温度范围内，对超低膨胀玻璃热膨胀系数测量重复性为±3.8×10^-8K^-1，测量的不确定度能够达到±4.0×10^-8K^-1。

光弹性分析法是通过测量中间密封层的光学延迟来推导得出中间密封层玻璃和两端密封层玻璃的热膨胀系数差，再结合已知热膨胀系数的标准件来实现样品热膨胀系数的绝对测量，为了节约材料，通常将标准件作为三明治密封的中间层。这种光弹性分析法测量热膨胀系数差的不确定度高达0.15ppb/℃，测量不准确。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有干涉法测量和光弹性分析测量对超低膨胀玻璃存在破坏性，测量耗时耗力的不足，提供一种新的测量装置，即一种基于水浸式超声脉冲回波的超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置。该测量装置操作简便，能够快速非破坏性地实现对超低膨胀玻璃热膨胀系数的测量，同时对测量环境要求不高。

本实用新型提供一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置，包括：

超声脉冲收发仪、超声水浸探头、探头夹持固定装置、探头线缆、局部蓄水吸盘、内置数据采集卡的主机、显示器、数据采集与显示系统、待测超低膨胀玻璃样品；

所述水浸式检测单元包括局部蓄水吸盘、超声水浸探头、探头夹持固定装置、以及待测超低膨胀玻璃样品；利用探头夹持固定装置将超声水浸探头的位置固定并保持与待测超低膨胀玻璃样品预定的距离，确保探头端面与待测样品之间填充耦合剂(水)，并采用局部蓄水吸盘将水层进行密封包裹，实现探头与样品之间的局部水浸耦合；

其中，所述超声脉冲收发仪通过探头线缆连接到水浸式检测单元中的超声水浸探头，发出超声信号，同时将内嵌数据采集卡的主机连接到超声脉冲收发仪，采集超声信号，通过与数据采集卡配套的数据采集与显示系统显示采集到的超声信号；

通过显示器上的数据采集与显示系统获取的超声表面波和底面波之间的时间间隔，结合千分尺测得的超低膨胀玻璃样品的厚度得到超声波传播速率，代入已经获得的热膨胀系数α与超声波传播速率V之间的线性公式，完成待测超低膨胀玻璃样品热膨胀系数的测量。

进一步的，水浸式耦合检测单元选择局部水浸方式，包括探头夹持固定装置和局部蓄水吸盘，通过抽真空的方式将局部蓄水吸盘固定在待测超低膨胀玻璃样品表面，之后向蓄水吸盘注入蒸馏水至淹没超声水浸探头端面，形成局部水浸式耦合。

进一步的，超声脉冲收发仪接收到的模拟回波信号经数据采集卡A/D转换为数字回波信号后，由LabVIEW数据采集显示系统进行读取显示。

进一步的，超低膨胀玻璃的热膨胀系数α与其超声波传播速率V之间的线性公式为α_p＝A(V-B)，其中，根据V＝2d/Δt计算得出待测超低膨胀玻璃样品不同测量点位置处的超声波传播速率V，d为待测超低膨胀玻璃样品不同采样测量点位置处的厚度，A、B为系数，Δt为不同采样测量点位置对应的超声一次表面回波与底面回波之间的时间间隔。

有益效果

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型测量装置操作较简单，对测量环境要求不高；通过监测超声波在待测超低膨胀玻璃上下表面间回波的时间间隔，获取超低膨胀玻璃的超声波传播速率，无需破坏性地进行样品制作，提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种基于水浸式超声脉冲回波的超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置的示意图；

图2为水浸式检测单元6的示意图；

图3为获取的待测超低膨胀玻璃表面和底面的超声回波波形图。

附图标记说明：1.超声脉冲收发仪，2.主机，3.数据采集卡，4.数据采集与显示系统，5.探头线缆，6.水浸式检测单元，7.探头夹持固定装置，8.超声水浸探头，9.局部蓄水吸盘，10.待测超低膨胀玻璃样品，11.采样测量点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明装置的示意图，由超声脉冲收发仪1通过探头线缆5连接超声水浸探头8，对待测超低膨胀玻璃样品10的采样测量点11进行检测，借助采样率2.5GS/s的数据采集卡3快速高精度地采集超声脉冲收发仪1发射接收到的超声信号，并由PC端通过LabVIEW编写的数据采集与显示系统4显示采集到的信号，手动读取待测超低膨胀玻璃样品10上下表面回波之间的时间间隔，再由高精度千分尺测量待测超低膨胀玻璃样品10的厚度d，由V＝2d/Δt计算出待测超低膨胀玻璃样品10不同位置的超声波传播速率。

从待测超低膨胀玻璃样品10不同采样测量点位置处切取制备一定数量n(n至少为50)的小尺寸超低膨胀玻璃样品，采用高精度激光干涉热膨胀测量仪测量标定它们的绝对热膨胀系数，将标定的不同超低膨胀玻璃样品的绝对热膨胀系数与其对应位置测得的超声波传播速率进行线性拟合，确定二者之间的线性数学表达式α_p＝A(V-B)。其中α_p为测量位置处的热膨胀系数；A、B为线性数学模型的参数；V为测得ULE材料的超声波传播速率。

图1为本发明一实施例提供的一种基于水浸式超声脉冲回波的超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置的示意图，其中，超声脉冲收发仪1通过探头线缆5连接到水浸式检测单元6中的超声水浸探头8来发出超声信号，同时将内嵌数据采集卡3的主机2连接到超声脉冲收发仪1来采集超声信号，最后通过与数据采集卡3配套的数据采集与显示系统4来显示采集到的超声信号。

图2为水浸式检测单元6的示意图，利用探头夹持固定装置7将超声水浸探头8的位置固定并保持与待测超低膨胀玻璃样品10一定的距离，确保探头端面与待测样品之间填充耦合剂(水)，并采用局部蓄水吸盘9将水层进行密封包裹，实现探头与样品之间的局部水浸耦合。

图3为图1所示装置获取的待测超低膨胀玻璃表面和底面的超声回波波形图，其中，超声水浸探头发出的初次进入耦合剂—水中的声波为初始波，初始波在水中传播一定距离后初次到达待测样品表面，一部分声波发生反射，称为反射波；另一部分继续在待测样品中传播。经样品厚度的距离到达样品底面后再次发生反射和透射，反射回去的声波称为底面波。

将水浸式超声脉冲回波法直接测得的待测超低膨胀玻璃样品10不同位置处的超声波传播速率代入已确定的线性数学表达式，推算得出待测超低膨胀玻璃样品10不同位置处的绝对热膨胀系数α_p。具体测量步骤如下：

步骤1：将局部蓄水吸盘吸附在待测超低膨胀玻璃样品上，在局部蓄水吸盘中注入一定量的蒸馏水淹没超声水浸探头端面即可，通过探头夹持固定装置调整超声水浸探头与待测超低膨胀玻璃样品间的距离，使显示器上的数据采集与显示软件能够获得清晰完整的一次回波，之后固定超声水浸探头；

步骤2：移动局部蓄水吸盘至待测超低膨胀玻璃样品不同采样测量点位置，通过数据采集与显示软件观测不同采样测量点位置对应的超声一次回波信息；

步骤3：读取数据采集与显示软件观测得的不同采样测量点位置对应的超声一次表面回波与底面回波之间的时间间隔Δt，并记录下来；

步骤4：结合步骤3获得的时间间隔与千分尺测得的待测超低膨胀玻璃样品不同采样测量点位置处的厚度d，由V＝2d/Δt计算得出待测超低膨胀玻璃样品不同测量点位置处的超声波传播速率V；

步骤5：从步骤2提到的不同采样测量点位置处切取制备一定数量的小尺寸待测超低膨胀玻璃样品，采用高精度激光干涉热膨胀测量仪测量标定它们的绝对热膨胀系数，将标定的不同待测超低膨胀玻璃样品的绝对热膨胀系数与其对应位置测得的超声波传播速率进行线性拟合，确定二者之间的线性数学表达式：

α_p＝A(V-B)

步骤6：根据步骤1、2、3、4所述，获得超低膨胀玻璃所需测量位置处的超声波传播速率，代入α_p＝A(V-B)，推导得出所需测量位置处的热膨胀系数α_p。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，且应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置，其特征在于，包括：

超声脉冲收发仪、超声水浸探头、探头夹持固定装置、探头线缆、局部蓄水吸盘、内置数据采集卡的主机、显示器、数据采集与显示系统、待测超低膨胀玻璃样品；

水浸式检测单元包括局部蓄水吸盘、超声水浸探头、探头夹持固定装置、以及待测超低膨胀玻璃样品；利用探头夹持固定装置将超声水浸探头的位置固定并保持与待测超低膨胀玻璃样品预定的距离，确保探头端面与待测样品之间填充耦合剂，并采用局部蓄水吸盘将水层进行密封包裹，实现探头与样品之间的局部水浸耦合；

其中，所述超声脉冲收发仪通过探头线缆连接到水浸式检测单元中的超声水浸探头，发出超声信号，同时将内嵌数据采集卡的主机连接到超声脉冲收发仪，采集超声信号，通过与数据采集卡配套的数据采集与显示系统显示采集到的超声信号；

通过显示器上的数据采集与显示系统获取的超声表面波和底面波之间的时间间隔，结合千分尺测得的超低膨胀玻璃样品的厚度得到超声波传播速率，代入已经获得的热膨胀系数α与超声波传播速率V之间的线性公式，完成待测超低膨胀玻璃样品热膨胀系数的测量。

2.根据权利要求1所述的一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置，其特征在于：

水浸式耦合检测单元选择局部水浸方式，包括探头夹持固定装置和局部蓄水吸盘。

3.根据权利要求1所述的一种超低膨胀玻璃热膨胀系数测量装置，其特征在于：

超声脉冲收发仪接收到的模拟回波信号经数据采集卡A/D转换为数字回波信号后，由LabVIEW数据采集显示系统进行读取显示。

Images