DD275741A1 - Optisches interferometer zur beruehrungslosen messung von laengenaenderungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung temperaturabhaengiger, elektrostriktiver, piezoelektrischer und relaxierender absoluter Laengenaenderungen. Ziel der Erfindung ist es, den geraetebedingten Nulleffekt auf ein Mindestmass zu beschraenken und den einsetzbaren Temperaturbereich moeglichst gross zu halten. Hierzu wird eine Interferometeranordnung in einer Vierstrahl-Variante benutzt, die es gestattet, die das Messsignal verfaelschenden Verkippungen der Probe zu kompensieren und eine minimale Laengenaenderung von l 80 nachzuweisen. Dies wird realisiert durch die Kombination von drei Teilerwuerfeln und einem externen Spiegel, mit dem geringfuegige Abweichungen von der Parallelitaet der Probe kompensiert werden koennen und ein fuer die Messung optimales Interferenzbild einstellbar ist. Durch entsprechende Wahl der Strahlfuehrung kann auch eine Zwei-Strahl-Variante mit verringertem Justieraufwand und Aufloesungsvermoegen von l 40 verwendet werden. Das Geraet dient vor allem der Untersuchung von ferroelektrischer Funktionskeramik, Glaesern, Polymeren, Metallen und Plastwerkstoffen in dem fuer diese interessanten Temperaturbereich.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Länyenänderungen keramischer und metallischer Werkstoffe, sowie Gläser, Polymere und Plaste im Hoch- und Tieftemperaturbereich mit einem Auflösungsvermögen der

Längenänderung von etwa (=1)=1,1O~⁶ bei einer Probenlängo von 30 mm, ^s

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Berühungslos arbeitende Dilatometer beruhen zum größten Teil entweder au^f interferometrischen, kathetrischen/7/ oder auf kapazitiven Längen-Meßverfahren {z.B./V). Bei letzterem wird die eine ebene Endfläche des Prüflings als Kondensatorplatte benutzt, wobei sich durch Ausdehnung des Prüflings die Kapazität des Kondensators verändert. Bei geringem Plattenabstand können beträchtliche Empfindlichkeiten erreicht werden, was sich jedoch nachteilig auf die Stabilität, absolute Meßgenauigkeit und breites anwendbares Temperaturgebiet auswirkt. In der Regel sind immer Eichmessungen notwendig. Interferometrisch arbeitende Laserdilatometer haben dagegen den Vorteil, daß die Längenänderung immer mit einer Naturkonstanten - der Lichtwellenlänge des Lasers - kalibriert wii d. Derartige Laserdilatometer benutzen in der Regel einen Referenz- und Probenstrahl, die nach Reflexion am Proben- und Referenzspiegel in einer Interferometeranordnung zur Interferenz kommen. Nach DE-OS 2344322 ist eine reflektierende Bezugsfiäche im Innern einer thermostatisierten Kammer angeordnet oder entsprechend DE-OS 2502086 wird als reflektierende Bezugsfläche ein Spiegelkörper in der Ebene der Probenunterseite benutzt. Es Ist aber auch möglich, daß die Referenzspiegel durch die die Probe umgebenden Quarzstempel gehaltert werden, so daß das Meßsignal Immer als Differenz der Ausdehnung von Probenmaterial und Quarz zu werten ist/2/.

Ein weiteres berührungsloses Meßverfahren besteht in der Möglichkeit, drei Proben, die vertikal auf einer Referenz-Spiegelfläche aufsitzen und mit einer teildurchlässigen, keilförmigen Glasplatte, die als Strahlungslöcher wirkt, überdeckt sind, mit einem konvergierenden Laserstrahl anzutasten/3/. Dieses Meßverfahren ist insofern problematisch, daß alle Proben gleiches thermisches Ausdehnungsverhalten zeigen müssen, was nicht für alle Materialien (z. B. Keramik) angenommen werden kann. An allen diesen berührungslosen Meßverfahren Ist nachteilig, daß ein Gerätenulleffekt existiert, der z.T. In unkontrollierbarer Welse das Meßsignal verfälscht. Vor allem Verkippungen der Probe, deren Unterlage oder sonstiger optischer Bauteile führen zu zusätzlichen lnterferenzstreifen/4/.

Durch Verwendung eines Vierstrahlinterferometers, wie ev z. B. in /5/ oder /6/ in zwei verschiedenen Varianten beschrieben Ist, kann der meßverfälschende Einfluß von Verkippungen optischer Interferometerteile weitgehend unterdrückt werden. Diese Interferometer haben jedoch den Nachteil eines relativ komplizierten und kompakten Aufbaus, der keine Variation der Strahlführung, sowohl ihres gegenseitigen Abstandes als auch ihrer Richtung zuläßt. Ein weiterer Nachteil vieler Dilatometer besteht in der punktförmlgen Temperaturmessung mittels Thermoelemente, die nicht die gewünschte integrale Temperatur über die Probe liefern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine berührungslose Messung einer absoluten Längenänderung hoher Meßgenauigkeit in Abhängigkeit von einem äußeren elektrischen Feld und der Probentemperatur in einem großen Temperaturbereich bei geringen Probenabmessungen. Der technische Aufwand sowie Abmessungen und Gewicht des Gerätes sollen minimal sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindur.g liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Interferometer zur berührungslosen Messung von Längenänderungen durch eine Mehrstrahl-Interferometeranordnung zu entwickeln, das keine extreme Anforderungen an die Planparallelität der Probenendfläche stellt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere vorzugsweise drei Strehlenteilerwürfel gemäß Fig. 2 so miteinander verbunden werden, daß die am ersten Würfel (A) erzeugte Strahlkomponente (b) auf einen Spiegel S^ und von diesem auf den als Probenunterlage dienenden Referenzspiegel reflektiert wird, daß die Komponente (a) direkt auf den Probenspiegel fällt und die von Proben- und Referenzspiegel reflektierten Strahlen an den um 90" zueinander geneigten halbdurchlässigen Flächen der beiden anderen Strahlenteilerwürfel (C, B) erneut auf den Proben- und Referenzspiegel reflektiert werden und nach zweiter Reflexion an diesen am ersten Strahlenteilerwürfel (A) zur Interferenz gelangen, wobei der Spiegel S₂ zum Zwecke der Korrektur der Ebenenlage von Proben- und Referenzspiegel um die Achsen senkrecht und parallel zur Zeichenebene drehbar gehaltert und mit einer Vortriebsvcrrich'tung V₂ in horizontaler Richtung verschiebbar ist. Zur Temperaturmessung wird ein Widerstandsthermometer (Platindraht) benutzt, das auf einem, die Probe umgebenden Zylinder aufgewickelt ist und damit eine integrale Temperaturmessung ermöglicht. Dem Widerstandsthermometer kann ein A/D-Wandler nachgeschaltet worden, der zusammen mit dem digitalen optischen Signal einer zentralen Verarbeitungseinheit bekannter Bauart (z. B. WP DD151023) zugeführt wird. Die optische Interferometeranordnung befindet sich außerhalb des Thermo-Kryostaten bei konstanter Raumtemperatur, wobei Probe- und Referenzstrahl durch ein Fenster in den Probenraum eingestrahlt werden. Damit ergibt sich ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem In der Arbeit /4/ beschriebenen berührungslos arbeitenden Interferometer, wo durch Verkippung der Probenunterlage zusätzliche Interferenzstreifendurchgänge erzeugt werden. Mit dieser Vierstrahlanordnung gelingt es, die nötigen vertikalen Abmessungen der Probe wesentlich zu reduzieren. Damit sind z. B. auch auf berührungslosem Weg elektromechanlsche Längenänderungen parallel der Feldrichtung meßbar, was bisher nur mit mechanischer Antastung möglich war.

Mit Hilfe des externen, in zwei Ebenen justierbaren Spiegels, kann während der Messung z. B. bei starker Verkippung der Probenunterlage eine Nachjustierung vorgenommen werden, ohne damit einen Einfluß auf die Meßgonauigkeit auszuüben. Zur Vereinfachung der Probenpräparation kann auf die Probe, die In diosem Falle auch innen hohl (z. B. röhrenförmig) win kann, ein dünner Quarzspiegel aufgelegt werden, dessen Eigenausdehnung vernachlässigt oder, falls höchste Ansprüche ocutellt werden, entweder berechnet oder durch zusätzliche Quarzspiegel auf der Unterseite kompensiert werden kann. Die obOio Einsatztemperatur ist neben der Heizleistung durch die Qualität der Spiegel begrenzt.

Ausführungtbelsplel

Die Erfindung zur berührungslosen absoluten Längenänderungsmessung soll am nachfolgendem Ausführungsbeispiel, welches Im Temperaturgebiet von - 150⁰C bis +600⁰C arbeitet, erläutert werden. In Fig. 1 ist der Gesamtaufbau, In Fig. 2 das Strahlenteiler· und Interferenzprir tip dargestellt. Die Probe 1 steht zentrisch auf einem Referenzspiegel 2, dar in Form einer Dreipunktlagerung 3 auf einer Invarplatte 4 aufliegt. Diese wird von einer Feder 5 auf ein mit Öffnungen versehenes Quarzrohr β gedrückt, das auf einer Grundplatte 16 befestigt ist. Auf einem Metallzylinder 16, der auf 4 aufliegt, ist zum Zwecke der integralen Temperaturmessung der Probe ein Platinwiderstandsdraht gewickelt. Diesem schließt sich ein zweiter äußerer Metalluylinder 8 en, auf dom eine weitere Widerstandswicklung 9 zur Temperaturregelung und eine Heizmanteldrahtwlcklung (160W) 10 aufgebracht sind. Zum Zweck einer Kühlung wird der Metallzylinder 8 konusförmlg mit einer Kühlkammer 11, die von flüssigem bzw. gasförmigem Stickstoff durchströmt wird, kontaktiert. Mittels Vakuumdurch'Ohrung 17 an der Grundplatte 15 werden alte elektrischen Anschlüsse 12 In den inneren Teil geführt, der nach außen durch einen ftaziplenten 13 abgeschlossen wird. Durch ein Glasfenstor 14 Im Rezlplenten gelangen die Laserstrahlen In das Innere des Thermo-Kryostaten. Die Interferometeranordnung (Flg.2) ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl L zunächst über einen justierbaren Spiegel S₁ auf den ersten der drei Teilwürfel A unmittelbar neben der Kante einfällt, In zwei Strahlen a und b vorlegt wird, wobei Strahl a unmittelbar senkrecht auf die Probe und Strahl b In horizontaler Richtung auf einen in zwei Ebenen justierbaren Spiegel S₂ fällt und von diesem ebonfalls In senkrechter Richtung auf den als Unterlage für die Probe dienenden Referenzsplegol 2 reflektiert wird. Beide Strahlen worden nach Reflexion am Proben* und Roferon^epiegel in sich zurückgeworfen und an den beiden 90* geneigten tellreflektlorenden Flächen der Teilerwürfel B und C erneut auf die Probe bzw. don Referenzepiegel golonkt. Von diesem erneut reflektiert Interferieren sie em Tellerwürfel A, wobei das Interferenzbild durch Justierung von Spiegel S₂ den Registrierbedingungen (Orientierung und Abstund der Interforonzstreifen) angepaßt werden kenn. Eine In horizontaler Richtung vorhandene Schlittenführung V, der gosamten Strnhlentelleranordnung (einschließlich S₂) bzw. eine separate Schlittenführung V₂ dos Spiegels S₂ gestatten don Probenstrahlenabstand a-a bzw. den

Referenzstrahlenabstand b-b den besonderen Meßbedingungen (Probengeometrien) anzupassen. Mit Hilfe einer elektronischen Zfihlvorrichtung bekannte Bauart (z. B. WP DD161023) werden die durch thermische oder elektromechanische Deformation durchlaufenden Streifen in vorwärts- oder rOckwSrtszShlender Weise registriert und auf einem Schreiber gegen die Temperatur aufgezeichnet. Infolge des Fehlens eines Nuüeffektes ist keine computergestützte Korrektur notwendig.

Claims (4)

1. Patentansprüche: ;

   1. Optisches Interferometer zur berührungslosen Messung von vertikalen Längenänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur, von elektrischen oder magnetischen Feldern oder von der Zeit, bestehend aus einem Interferometer, steuerbarer Heizvorrichtung mit Tieftemperaturkammer, Widerstandsthermometer und fotoelektrischer Registriereinrichtung, gekennzeichnet dadurch, j daß das Interferometer in der Vierstrahl-Variante aus drei kommerziellen Strahlenteilerwürfeln besteht, die entsprechende Fig. 2 so miteinander verbunden sind, daß die am ersten Würfel A erzeugte Strahlkomponente b auf einen Spiegel S₂ und von diesem auf den als Probenunterlage dienenden Referenzspiegel reflektiert wird, daß die Komponente a direkt auf den Probenspiegel fällt und die von Proben- und Referenzspiegel reflektierten Strahlen an den um 90° zueinander geneigten halbdurchlässigen Flächen der beiden anderen Strahlenteilerwürfel C, B erneut auf den Proben- und Referenzspiegel reflektiert werden und nach zweiter Reflexion an diesen am ersten Strahlenteilerwürfel A zur Interferenz gelangen, wobei der Spiegel S₂ zum Zwecke der Korrektur der Ebenenlage von Proben- und Referenzspiegel um die Achsen senkrecht und parallel zur Zeichenebene drehbar gehaltert und mit einer Vortriebsvorrichtung V₂ in horizontaler Richtung verschiebbar ist.
2. 2. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 als Zweistrahl-Variante, gekennzeichnet dadurch, daß nur die nach der ersten Reflexion an Proben- und Referenzspiegel erzeugten Strahlen zur Interferenz gebracht werden.
3. 3. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Probe, umgeben von einem Widerstandsthermometer und thermostabilisierbarer Kühlkammer in einem radialen Temperaturfeld befindet.
4. 4. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 oder 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß zum Zwecke der Verhinderung von Luftkonvektionen im Gebiet der Strahlen bei hohen Temperaturen innerhalb des Thermostaten mit Vorvakuum (1 bis 10 Pa) und außerhalb mit einer Luftverwirbelung gearbeitet wird.