CN85103687A - 陶瓷及其同类材料的热变形测量系统 - Google Patents

Abstract

陶瓷及其同类材料的热变形测量系统至少包括一个向样品的端部投射光束的照明器，至少有一个装有套筒透镜的变形测量照像机及能消除红外线的滤光片和数据处理装置。

Description

本发明是有关陶瓷及其同类材料采用无压杆形式的热变形测量系统。本系统能对大多数的陶瓷及其同类材料高温下变形〔例如，热线性膨胀系数（以下称作热膨胀系数）或蠕变变形速率〕进行精确而自动的测量。

细陶瓷，耐火材料，陶器以及瓷器，玻璃或含有金属合成材料或各种各样金属的陶瓷的热膨胀系数，特别是耐火材料的热膨胀系数是材料的最重要的特性之一，知道这个特性就可以确定加热炉衬里的耐火材料的膨胀范围。

通常都以JISR2617及JISR2207为标准构成测量系统，如图13所示，使用加压杆形式或无压杆形式来测量和计算热膨胀系数，加压杆式的工作是这样的：样品2放置在电炉1内的样品架4上，并与变形检测器式光学镜筒3相接;这样就可以检测样品的膨胀及收缩，其变形可由测微仪读出，也可由差分变换式的变形测量装置6上读出，或者只要将此变形在记录仪7上记录下来，便可在测量完成后由曲线上可以读出其值，并由此来计算膨胀系数。如图13中所示，标号5表示差分变换器，11表示加热器，12表示热电偶。

然而，根据上述方法，当如上测量压力时，样品与检测棒相接，在这种情况下，当高温时样品就变软了，由于测量压力所引起的压缩力就使得样品本身发生变形，这样要测量真实的膨胀系数就变得困难了。在这种情况下往往需要补偿引起误差的样品架与变形检测器之间的膨胀速率的差值。

所以，近来采用了无压杆形式的测量方法。图14给出了一种无压杆式的测量示意图：放在电加热器1中的样品2两端的变形可以通过带刻度的望远镜10直接读出。根据这个方法，当炉内处于高温情况下，样品及其周围空的亮暗差别是很难产生的，所以要分辨出来是很困难的，往往只凭于经验，因此引起测量误差，并需要利用所获得的数据来计算出对样品原来长度的变化率，再以图示方式给出温度与膨胀系数之间的对应关系。图14中，8表示温度计9表示发光器，11表示加热器，12表示热电偶。

此外，给出了另一种测量样品的无压杆式方法：在每种温度上都用照像机拍出样品的变形，为了从照片上读出样品的变形量，使用了带刻度的望远镜透镜，但是这种方法在处理数据时需花费大量的时间，就其效率观点来看，本方法受到人们的怀疑。

在设计一种加热炉子结构时，必须知道陶瓷及其同类材料的加压蠕变变形速率。较长时间及热态加载下的变形是炉体设计最重要的特性之一。众所周知，我们必需熟知这一特性。

一般蠕变变形速率测量的例子是按R-78（欧洲共同体标准）标准做的。这种测量被称为加压杆式，按照这种方法规定，放置在电炉内部的样品架及耐熔盘上的样品，利用光学位移检测镜筒就可将其变形传递出去。利用接到记录仪上的转换尺寸-测量装置来测量变形。当算出蠕变变形速率时，从测量后记录仪上的曲线可以直接读出变形量。

利用热电偶分别测量样品的内部及外部温度时，压加装置就通过加载管进行加压。

但由于本方法是差分式的，有时会在样品2及变形检测镜筒3之间出现温差，或者由于高温变形检测镜筒本身软化和变形，这样就引起了测量误差。因此就需要一个不使用差分光带而直接测量变形的方法。

为了改进上面所提到的方法的缺点本项发明的发明者已进行了多种研究。他们成功地研制出陶瓷及其同类材料的热变形测量系统，这个系统能够实现自动而高精度的测测量。

陶瓷及其同类材料的热变形测量系统的发明内容包括：至少有一个向样品的边缘部份发射光束的照明器和至少有一个用套筒透镜装备的变形测量照像机，以及能消除红外线的泸光片和数据处理装置。

参照以下各图，将详细地说明本发明：

图1给出了具体设备配置关系原理图，这里给出了所发明的用来测量热膨胀系数的变形测量系统。

图2曲线给出了利用图1的装备来测量热膨胀系数时，温度和热膨胀系数之间的对应关系;

图3是另一种具体装置的方框图，本装置与图1的装置很相似，不过它带有一对三棱镜也是用来测量小尺寸样品的热膨胀系数;

图4是利用对红外线光敏感的固体扫描光电二极管在示波器上所观察到的波形图;

图5为在示波器上给出的由于使用泸光片使得亮区和暗区之间的区别变得非常清晰的波形图;

图6曲线是使用图3的仪器来测量热膨胀系数时，它给出温度与热膨胀系数之间的对应关系;

图7给出应用所发明的变形测量系统的具体设备的配置关系原理图，这是一个蠕变测量装置;

图8是图7的重要组成部份的侧面图;

图9是使用图7蠕变测量装置所得到的时间与变形速率之间的对应关系曲线;

图10给出应用所发明的变形测量系统的具体设备的配置关系原理图，这是一种热弹性系数测量装置;

图11是图10的重要组成部份的剖视图;

图12给出了使用弹性系统测量装置时所得到的温度与弹性系数之间的对应关系曲线;

图13及图14是两种原有的测量热膨胀系数装置的原理图。

按本发明所制成的陶瓷及其同类材料热变形测量系统，可通过举例来详细说明。在变形测量照像机的检测部位上使用了固体光电二极管线性阵列，参看图1。

图1所示样品2的两侧，由与样品轴线成直角的照明器9来照射，光线由于样品2截断所构成的暗区及光线直接传播所构成的亮区都投射到固体光电二极管线性阵列表面上的放大度盘上，因此，通过亮区L同暗区D的比率值就可以测量变形量。在这种情况下单个照像机与二个固体光电二极管线性阵列相协同;也有可能使用两对互相独立的变形测量照像机，这种照像机装有套筒式透镜及泸光片。

当使用两个变形测量照像机时，对变形响应的数字输出信号是由附加的各自数据处理器16的输出获得。上述的输出及数字温度计的数字信号输出通过个人计算机结口17并利用通用方法而编制的程序进入个人计算机18，启动存贮器，那么温度与热膨胀系数的对应关系通过数字绘图器20以曲线方式画出来。

根据发明测量热膨胀系数的方法，如若套筒透镜14能读出样品2的非常小的变形，应防止热量对它的影响，需要把它装在离电炉远一些地方。因此最好使用那种自由工作距离（从透镜的顶端到被测物之间的距离）在200-700mm范围（优选300-500mm）的透镜，它的F数在5-8范围内，如果工作距离小于这个范围，就要在靠近高温电炉1处加进套筒透镜14，这样就可以进行测量，而避免由于高温的影响带来的测量误差，另一方面，如果F数大于此值就很难获得在测量时所需要的总光通量;反过来如果F数小于此值，那么透镜的直径就变大了，使两个平行的套筒透镜14间的中心距离就太大了，以致无法测量样品2，除非加长被测样品2。

为了使用套筒透镜，必须把透镜的倍率加大×10倍左右，这样除了满足工作距离及亮度要求外，还能满足1um的测量分辨率。

在测量热膨胀系数的仪器中，按发明已制造出了套筒透镜14，它能满足×10倍复合透镜的条件及200-700mm范围的自由工作距离的需要，这样就介决了上述所存在的问题。

另外电炉1内的样品2，在其温度升到700℃以上时，它本身就发射红外线，这样就用固体光电二极管线性阵列来测量对红外线灵敏的变形值，在示波器23上的类似波形示于图4中，在固体光电二极管线性阵列表面的亮区与暗区之间没有产生什么差异，而在高温时无法进行测量。为了解决这个问题，从各个角度来对可以消除红外光谱区里的光的泸光片进行研究。已经找到一种泸光片它能完全消除由样品所产生的红外线，并不降低发光强度。泸光片13可以消除红外区中波长大于0.8um的光。为了获得在测量时所需的足够大的对比度和足够强的光线，它们的光传播系数必须大于90%。在这种情况下，单个泸光片就无需消除大于0.8mm所有的波长的光，而两个或更多的泸光联合使用才是正确的。

为了利用发光器9使照度能从低温到高温范围内在固体扫描光电管表面上产生足够的对比度，光源应用白炽灯，氙灯，卤灯或激光束。但是从安装简单，操作容易的观点来看，最好使用具有电压调节的白炽灯或具有反光镜的卤灯，在这种情况下，光学系统最好是远心透镜系统。在任何情况下都要利用聚光器来收集光。最好使用直线传播的平行光束，在样品表面上光束截面的直径大于10mm，亮度大于100，000nt。

可以通过用所发明的热膨胀系数测量装置测量样品的实例来描述本项发明。

举例1

用二氧化硅块作为样品，宽20mm×高15mm×长80-85mm的样品放置于图1系统的电炉1内，使用套筒透镜14，其自由工作距离为480mm，F数是8;玻璃泸光片13可消除红外区内大于0.8mm的波长的光;温度上升速率调至每分钟4℃，从室温到1500℃之间每5℃读一次数据。这样就得到温度与热膨胀系数之间的对应曲线，其结果示于图2。

对于细陶瓷及其同类材料通常用在小尺寸的场合比较多，这样必须用小尺寸样品来测量热膨胀系数。

以前有一种方法来测量小尺寸样品的位移，用单个变形测量照像机测量样品两端的变形，但这种照像机只能测量尺寸为2-5mm的小样品的变形，反之，用低倍率的透镜放大测量区时就产生一个问题，那就是读数的精确度是非常低的。

可以用所发明的热膨胀系数测量装置，使用三棱镜来测量细陶瓷的小尺寸样品。下面参照图3将详细进行讨论。

用与样品的轴线成直角的照明器9来照射样品的两端的方法来测量样品2的变形，因为三棱镜21放置在照明器的对面，由样品2所截断形成的暗区像及光可直接传播的亮区像都被偏轴90°，通过套筒透镜14把暗区和亮区像放大并投射到变形测量照像机15的检测区上。此照像机与样品的轴线是平行的，基于亮区L与暗区D之间的比率就可测量和计算变形量。

本系统中的三棱镜21可把光偏转90°，它们的光传递系数大于95%，并不应使图像产生失真，从理论上讲，三棱镜21的材料应是石英玻璃，但从成本观点来看如果光的传递系数大于95%时，使用硬玻璃也可满足需要。上述的变形测量照像机15的检测部份可使用固体光电管线性阵列或光电倍增管。

图3给出了具有两对三棱镜和两对照像机的系统实例。然而三棱镜及照像机的数量也是可以改变的，如可用单一照像机来构成一测量热变形速率系统。

在测量热膨胀系数时，当样品2的温度高于700℃时，样品2本身要发射红外线，照像机15的检测部份的固体光电管线性阵列就感受到这个红外线。图4给出了示波器上的图形，在光电管线性阵列表面上亮区L与暗区口之间不再存在差异了。为了消除红外线的影响，就需使用能消除红外线的泸光片13。能消除红外线的泸光片13使测量端面有亮暗差异，所获得的亮区L及暗区D之间明显的差异波形图示于图5中。泸光片最好能消除由样品2发射出的红外区中大于0.8um波长的光，并且不降低从照明器来的光束量，它们的光传递系数大于90%。在这种情况下使用单一泸光片或两个泸光片都可以。

另外变形测量照像机15的检测部份也可用光电倍增管，它对红外线不灵敏，但样品2的测量端面的轮廓变得模糊不清，这样就降低了测量精度，因此最好使用泸光片。照明器9的结构与前面提到的照明器9相合。

下面将描述测量小尺寸样品的热膨胀系数实例。

举例2

使用含有99.5%的矾土的再结晶矾土样品，把5mm宽×5mm高×45mm长的样品放置在图3这个系统的电炉1中，变形测量照像机15与套筒透镜联合使用，其自由工作距离为460mm，F数为8，泸波片13能消除红外区内大于0.8um的所有波长的光。使用固体光电管线性阵列，温度上升速率调至每分钟4℃，从室温到1500℃每5℃读一次数据，所获得的温度与热变形系数之间的对应曲线示于图6中。

我们成功地研制了热膨胀系数测量装置，它对小尺寸样品可以读到高达1um的准确度，从低温到高温都可以进行精密的测量，其中联合使用了具有检测部份的变形测量照像机，三棱镜套筒透镜，消除红外线的泸光片及计算机等。

根据本发明制成的适用陶瓷及其同类材料的热变形测量系统的具体蠕变测量装置，可参照图7，图8加以详细说明：

按图7和图8的样式来测量样品2的变形。用与样品2轴线成直角的照明器来照明射样品上，下边的耐熔园盘22，把由耐熔园盘所截断形成的暗区与光直接传播的亮区利用透镜加以放大投射到变形测量照像机的检测部份上，根据亮区L和暗区D的相互比率就可以测量和计算出变形量。由数据处理器输出响应变形的数字输出信号，这个输出与数字温度计19的数字信号输出利用通用程序通过计算机接口17加到个人计算机18中。开启存贮器，这样时间与蠕变变形的对应关系通过打印机25和数字绘图器20以数字和曲线方式给出。

实际上，为了提高测量精度，使用了两对照明器9，两对套筒透镜14及两对变形测量照像机15，来分别测量下耐熔园盘22的上表面和上耐熔园盘22的下表面。由于样品2的高度较小，若把两个套筒透镜14及两个变形测量照像机并排来排列这是不可能的。在这种情况下，可以把每个照明器9分别与套筒透镜14及变形测量照像机15排列成一直线，它们与水平方向形成如图7给出的一个角度。

放在电炉1中的样品2上，下两端面放置耐熔园盘22，当温度高到800℃以上时，园盘本身就发射红外线。

为了解决这个问题，像上面所提到热膨胀系数测量装置的例子一样，也使用了泸光片13，该泸光片可消除在红外区内大于0.8um的波长的光线。

前面已经描述了照明器9的结构。

本发明的发明者已成功地研制成前面提过的蠕变测量装置，可以读出高达1um的准确度，使用这个系统从低温到高温都可以进行高精度的测量。

下面对所发明的蠕变测量装置的测量实例进行讨论。

举例3

用耐火砖作为样品材料，把直径为30mm×高为30mm的样品放入图7系统中的电炉1中去，电炉1的温度以每分钟4℃的速率加到1300℃，然后通过加载装置24把2kg/Cm²的负荷加到样品上，立即利用计算机18以每十分钟一次对样品的变形进行测量和计算。这个系统里使用一对白炽灯的照明器9，套筒透镜14的自由工作距离为480mm，F数为8;玻璃泸光片13可以消除在红外区内大于0.8um波长的光。时间与形变的对应关系用绘图器20来描述，其结果示于图9中。

本热变形测量系统在材料弯曲过程中可以作热弹性系统测量仪器用。参照图10及图11将对此用途的一个具体装置进行详细地描述。

用一实例来说明热弹性系数测试仪：在变形测量照像机中使用了固体光电管线性阵列。样品2的弯曲位移用图10，图11所示的方法来测量。样品2中心的下部及样品2与支撑辊28相接触的部份用两对与样品轴线成直角的照明器9来照射，由样品2截断后形成的暗区及光可以直接传播的亮区用套筒透镜14进行放大并投射到固体光电管线性陈列表面上，利用亮区L和暗区D之间的比率就可以测量和计算此变形量，（照明器9及变形测量照像机15分别画出一个）。这样每个数据处理器16的输出差值就计算出来了，它是响应变形的数字输出信号，这个输出与数字温度计19的数字信号输出利用通用程序通过计算机结口17送入个人计算机18中去，开存贮器，当结果用打印机25打出来的同时在打印机25上又描绘了温度与弹性系数之间的对应曲线。

另外，在本热弹性系数测量仪中，套筒透镜14，能消除红外线的泸光片13及照明器9的结构及各种状态都与它们在热膨胀系数测量装置中的结构及各种状态极为相似，而且标志及号码也相同。

下下面对测量热弹性系数实例进行描述。

举例4

把10mm宽×2.5mm厚×60mm长的矾土样品放置在本系统的电炉1中的矾土支撑台27和支撑辊28之上，如图10所示。用炉外面的油压负荷装置24向样品加负荷，其值为样品断裂强度的50%-70%，每加温100℃以三点弯曲制测量方式测量一次直到1500℃。这时，样品2的负荷点下面立即变形，而最靠近支撑辊28与样品2相接触点的变形被具有固体光电管线性阵列的照像机测量拍照出来。本系统中包括：套筒透镜14，其自由工作距离为460mm，F数为8;玻璃泸光片13，它可在红外区内消除大于0.8um波长的光。通过下面的运算方程可以描述温度与弹性系数之间对应关系，其结果示于图12上。运算方程式为：

E= (L³(P))/(4wt³y) (kg^fmm²)

P：负荷（kg^f）

l：支撑辊之间的距离（mm）

w：样品的宽度（mm）

t：样品的厚度（mm）

y：负荷点的位移率（mm）

Claims (7)

1、陶瓷及其同类材料的热变形测量装置至少包括一个给样品端部投射光束的照明器，至少有一个装有套筒透镜的变形测量照橡机以及能消除红外线的滤光片和数据处理装置。

2、陶瓷及其同类材料的热变形测量装置至少包括一个给样品端部投射光束的照明器，至少有一个装有套筒透镜的变形测量照像机以及能消除红外线的滤光片，偏光装置和数据处理装置。

3、如权项1或2所叙述的陶瓷及其同类材料的热变形测量系统，每个变形测量照像机都带有固体光电管线性阵列。

4、如权项1或2所描述的陶瓷及其同类材料的热变形测量系统，每个变形测量照像机都带有光电倍增管。

5、如权项1或2所描述的陶瓷及其同类材料的热变形测量系统，它与数据处理装置、计算机以及数字绘图器相联接。

6、如权项1或权项2所描述的陶瓷及其同类材料的热变形测量系统，滤光片能消除红外区内波长大于0.8um的光。

7、如权项1或2所描述的陶瓷及其同类材料的热变形测量系统，套筒透镜的自由工作距离为200-700mm。

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