專利名稱：由干涉法測材料線膨脹系數(shù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種物理測試儀器，具體地說，涉及一種采用干涉原理測量材料的線膨脹系數(shù)的裝置。
眾所周知，用于測量材料線膨脹系數(shù)的許多類型的膨脹儀已在科研及生產(chǎn)中應(yīng)用，這些膨脹儀幾乎都是以棒狀的剛性材料作為試樣，不能對生產(chǎn)中大量的薄帶金屬產(chǎn)品進行測量，在生產(chǎn)中只能取其中間坯料的測量結(jié)果作為成品薄帶的線膨脹系數(shù)，這樣不經(jīng)濟也不科學(xué)，況且，近年來發(fā)展起來的一系列非晶態(tài)合金由于采用急冷法制取，故只有薄帶產(chǎn)品(試樣厚度只有10－30μm左右)，得不到中間坯料，用常規(guī)膨脹儀器難以精確測量。目前報導(dǎo)的測量小膨脹系數(shù)的儀器，都是采用差動變壓器或三端電容法為測長傳感器，它們雖然都有較高的測長靈敏度，但是由于零點漂移大，線性度差和需要傳遞桿等缺點，因而穩(wěn)定性差，測量精度不高，作為非晶態(tài)合金之類的小膨脹系數(shù)測量，難以勝任。
本實用新型的目的是提供一種利用干涉原理精確測量材料，特別是小膨脹材料的線膨脹系數(shù)的裝置。
本實用新型的進一步目的是提供一種利用干涉原理精確測量薄帶金屬試樣的線膨脹系數(shù)的裝置。
本實用新型的構(gòu)思如下本實用新型所述裝置是基于等厚干涉原理而構(gòu)造出的。將試樣放在兩塊干涉片(玻璃板)之間，當有單色光垂直照射時，光在與試樣接觸的兩干涉片表面分別被反射。由于兩束反射光之間有光程差，反射后形成等厚干涉條紋，所引起的光程差為
δ＝2Ln＋λ／2式中L為兩反射面之間的距離，等于試樣的長度；λ為入射光波長；n為兩干涉片之間介質(zhì)的折射率，在真空中時，n＝1，構(gòu)成反射光干涉的條件為δ＝2L＋λ／2＝NλN＝1，2，3，…明條紋δ＝2L＋λ／2＝(2N＋1)λ／2N＝0，1，2，…暗條紋當將試樣加熱時，由于試樣膨脹，兩塊干涉片之間距離增大，從而產(chǎn)生干涉條紋的移動，移動過一個條紋，表示光程差改變了一個波長λ，即試樣伸長了λ／2，因此試樣的伸長量為△L＝N· (λ)/2 (N為干涉條紋移過數(shù)目)試樣的平均線膨脹系數(shù)為α＝ (Nλ)/(2LO(T-To))式中Lo為室溫To下試樣的長度，T為試樣加熱溫度。
當在非真空氣氛下測量時，要考慮氣體的折射率，得到結(jié)果為△L／Lo＝(Nλ／2Lon2)＋［(n1－n2)／n2］(式中n1為T1溫度下兩干涉片之間介質(zhì)的折射率；n2為T2溫度下介質(zhì)的折射率。)根據(jù)上述構(gòu)思，本實用新型所述測量材料線膨脹系數(shù)的裝置包括產(chǎn)生單色平行光的光源；用于產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的位于試樣兩端的上干涉片和下干涉片；用于檢測由上、下干涉片產(chǎn)生的干涉條紋的干涉檢測部件；用于記錄由干涉檢測部件得到的信號的記錄器件；用于對試樣加熱的加熱爐；用以測量和控制爐溫的測溫器件和控溫器件。
能夠產(chǎn)生平行單色光光源的方法和裝置對該技術(shù)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說有多種多樣，但對于本實用新型來說，為了得到單色性好和穩(wěn)定性好的光源，最好選用由激光器、光發(fā)散元件、半反射鏡和半球鏡而產(chǎn)生的單色平行光光源。上述干涉檢測部件最好包括攝像機、顯示器和光電檢測器件。由激光器射出的光束由光發(fā)散元件擴散成發(fā)散光，再由半反射鏡將其反射至半球鏡上，從而由半球鏡將發(fā)散光會聚成平行光束，該平行光束照射到加熱爐中的位于試樣兩端面處的兩塊干涉片(上、下干涉片)上，反射回來的光線透過所述半反射鏡射向攝像機，在與攝像機連接的顯示器上顯示出干涉圖像，再由光電檢測器件將顯示器上的光信號轉(zhuǎn)換成電信號而由記錄器件記錄下來。
上述光發(fā)散元件可為雙凸透鏡、玻璃球或其他能使光發(fā)射的元件；上述上、下干涉片可以是圓形、方形或其他任意形狀的薄片，薄片厚度一般在4－10mm范圍內(nèi)，為了節(jié)省材料，希望該厚度越薄越好，薄片材料可選用石英、寶石、高溫玻璃或其他耐高溫和透明度高的材料。所述光電轉(zhuǎn)換器件可采用放在顯示器屏幕上的光導(dǎo)纖維和／或光敏元件諸如光電阻、光敏三極管、光敏二極管等，為了消除自然光、溫度變化等因素引起的干擾，最好采用二個或四個光導(dǎo)纖維和／或光敏元件，把它們構(gòu)成橋路，一個接受Sinθ光信號，另一個接受－Sinθ光信號，即光信號相位相反，這樣，由上述因素產(chǎn)生的影響可以抵消，同時還可抵消信號中的直流成分。
上述測溫器件一般包括熱電偶和電壓表或D／A轉(zhuǎn)變器。
上述控溫器件一般包括控溫?zé)犭娕己蚉ID控制儀，當然也可采用手工控溫。為了準確和自動控溫，最好與計算機相連，這對于該技術(shù)領(lǐng)域熟練人員來說是不難理解的。
所述記錄器件可采用記錄儀諸如X－Y記錄儀、數(shù)字儀表和計算機等，為了實現(xiàn)檢測的自動化、提高測量的準確性和效率以及減少人為誤差，最好采用計算機。所述計算機不僅能記錄數(shù)據(jù)，它還能用于控制加熱溫度，同時還可以對測量數(shù)據(jù)進行處理，如果再配上一臺打印機，就能直接輸出測量結(jié)果。
上面所描述的測量材料線膨脹系數(shù)的裝置可用于測量棒狀、片狀和管狀等試樣的線膨脹系數(shù)。當用該裝置測量厚度極薄的金屬薄帶試樣的線膨脹系數(shù)時，怎樣將薄帶試樣安置在兩個干涉片之間構(gòu)成干涉具則成為能否測量薄帶狀試樣的關(guān)鍵，為了使薄帶試樣按長度方向具有承受干涉片載荷的能力，同時又能豎立，作為本實用新型的一個重要內(nèi)容，采用一管壁上沿軸線方向加工有三個能容納彎折或彎曲金屬薄片試樣的狹縫或孔的異型管，當試樣分別插入狹縫或孔中時，薄片試樣自然形成彎曲或彎折，從而大大提高了薄片試樣的軸向承載能力。所述試樣應(yīng)略長于異型管的長度，高出異型管兩端的試樣分別構(gòu)成三只腳，既能穩(wěn)定地放置在下干涉片上，又能平穩(wěn)地支承上干涉片。
為了減少或消除加熱爐中氣氛對干涉條紋的影響，加熱爐最好抽成真空狀態(tài)。
本實用新型所述的裝置具有下列優(yōu)點Ⅰ.由于測量方法是絕對測量，不存在零點漂移和線性度等問題，也不存在傳遞誤差，測試方法準確可靠，能用于測量小膨脹系數(shù)材料。
Ⅱ.當采用激光作為單色光光源時，由于其單色性強，故測量尺度可靠。
Ⅲ.將干涉條紋顯示在熒光屏上，避免激光損傷眼睛，同時放大了干涉圖像，增加了干涉條紋的清晰度，為光電檢測提供了方便。
Ⅳ.能以優(yōu)于8×10－9M的測長分辨力、0.08×10－6／℃的測試精度，測量≥16微米厚金屬薄帶試樣在≤600℃溫度下的膨脹系數(shù)。
Ⅴ.當采用計算機時，測量過程實現(xiàn)了自動化，可將實時采集數(shù)據(jù)提高到250個，采用計算機述能對測量數(shù)據(jù)進行快速分析處理。除能立即給出材料的平均線膨脹系數(shù)外，還可通過擬合高次方程來精確地求出任意溫度下的瞬時線膨脹系數(shù)。
下面將通過實施例對本實用新型的裝置進行進一步的描述，但不應(yīng)認為是對本實用新型的限定。基于本實用新型的構(gòu)思而作出的任何顯而易見的改進和變化都應(yīng)在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。


圖1是本實用新型實施例1所述線膨脹系數(shù)測量裝置的示意圖。
圖2是本實用新型實施例2所述線膨脹系數(shù)測量裝置的示意圖。
圖3是本實用新型實施例2所述異型管的結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例1參見圖1，本實施例所述的線膨脹系數(shù)測量裝置由激光器、玻璃球1、半反射鏡2、攝像機、半球鏡3、加熱爐4、上干涉片5、下干涉片6、顯示器、光電檢測器件、X－Y記錄儀、數(shù)字電壓表、可控硅執(zhí)行元件、PID控制儀、測溫?zé)犭娕?和控溫?zé)犭娕?構(gòu)成。所述玻璃球的直徑為約2mm；所述干涉片為光學(xué)石英玻璃圓片，直徑為30mm左右，厚度為5mm；所述光電檢測器件包括兩支光導(dǎo)纖維、光電阻、放大器和整形線路；所采用的試樣20為棒狀金屬試樣；所述加熱爐處于真空狀態(tài)。
本實施例所述裝置的工作過程如下激光器發(fā)射出的光束經(jīng)玻璃球1擴散成發(fā)散光，再經(jīng)半反射鏡2反射到半球鏡3而會聚成直徑約為30mm的平行光束。上干涉片5、下干涉片6和處于其間的試樣構(gòu)成干涉腔。當來自半球鏡3的平行光束垂直照射到干涉腔上時，上干涉片5和下干涉片6反射回的光都射向改裝成短焦距的工業(yè)攝像機上，因上、下干涉片的反射光有光程差，所以在顯示器的屏幕上顯示出清晰的等厚干涉條紋圖像。
由控溫?zé)犭娕?、可控硅執(zhí)行元件和PID控制儀組成的控溫部分可控制加熱爐4溫度的變化。由于溫度的變化，位于上、下干涉片之間的試樣長度發(fā)生變化，上、下干涉片之間的光程差也發(fā)生變化，顯示器屏幕上的干涉條紋隨溫度變化發(fā)生位移。由在屏幕上的兩支光導(dǎo)纖維、光電阻、放大器和整形線路構(gòu)成的光電檢測器將干涉條紋的明暗光信號轉(zhuǎn)變成脈沖電信號，輸入X－Y記錄儀，從而采集到干涉條紋數(shù)。由測溫?zé)犭娕?和數(shù)字電壓表構(gòu)成的測溫部件將溫度信號也輸入上述X－Y記錄儀，從而采集到加熱溫度。
假定室溫To時試樣長度為Lo，激光波長為λ和加熱溫度為T，通過上述公式α＝Nλ／2Lo(T－To)就可計算出相應(yīng)溫度下的平均線膨脹系數(shù)α。
實施例2參照圖2，本實施例所述的線膨脹系數(shù)測量裝置與實施例1所描述的基本相同，它包括激光器、玻璃球1、半反射鏡2、攝像機、半球鏡3、加熱爐4、上干涉片5、下干涉片6、顯示器、光電檢測器件、數(shù)字電壓表、可控硅執(zhí)行元件、PID控制儀、測溫?zé)犭娕?和控溫?zé)犭娕?，不同之處在于(1)待測試樣為純鉑薄片試樣(厚度為0.06mm，寬為6mm，長為20mm，純度為99.99％)，由于薄片材料軸向受力時易彎曲，不易豎立，因此不能將該薄片試樣直接放置在上、下干涉片5，6之間。為此，本實施例還包括一長為10－20mm，外徑為28mm，壁厚為2mm的不銹鋼管10(當然其他形狀和尺寸的異型管也是可行的)，參見圖3，在管壁上沿軸向?qū)ΨQ加工出三個彎曲或彎折狹縫11，其形狀可為“∧”形或“⌒”形。為了節(jié)省材料和使加熱溫度均勻，在不銹鋼管管壁上還可對稱地加工成具有三個空缺12。將三條長度相同的上述薄片試樣14分別插入三個狹縫11中，試樣也自然形成彎曲或彎折，試樣略長于鋼管的長度，高出鋼管兩端部分的試樣分別構(gòu)成三個腳，既能穩(wěn)定地放置在下干涉片6上，又能平穩(wěn)地支承上干涉片5。上述上、下干涉片5，6和試樣14以及不銹鋼管10構(gòu)成類似于實施例1的干涉腔。
(2)所述記錄器件不采用實施例1所述的X－Y記錄儀，而是采用計算機，并且將PID控制儀與計算機相連(見圖2)，由計算機按指定加熱程序控制，計算機輸出的控制信號與控溫?zé)犭娕嫉碾妷和瑫r輸入PID控制儀進行比較，然后控制可控硅執(zhí)行元件對爐子加熱。計算機將自動采集干涉條紋數(shù)和加熱溫度值，根據(jù)線性升溫過程相鄰兩條紋時間間隔相近的原理，通過計算機中的計數(shù)定時卡，還可對干涉條紋的尾數(shù)部分進行細分，這樣可以提高測量的準確性。通過上述公式α＝Nλ／2Lo(T－To)，計算機可迅速將其值計算出來，得到相應(yīng)溫度下的平均線膨脹系數(shù)α。計算機的程序中，用最小二乘法原理編制了高次擬合方程程序，根據(jù)實測的數(shù)據(jù)，求出經(jīng)驗擬合方程。然后，可由打印機打印出平均線膨脹系數(shù)α值、△L／L隨溫度變化的關(guān)系曲線和經(jīng)驗擬合方程，從而可求得任何溫度下的瞬時線膨脹系數(shù)值，這是目前使用的膨脹儀難以辦到的。
當了驗證本實用新型所述儀器的可靠性和準確性，對上述試樣反復(fù)測量了五次，每次實驗前都重新調(diào)整激光器和重新安裝試樣，每次獲得的各溫度下的測量結(jié)果α及五次平均值α和標準誤差σ列于下表，表中還列舉了國標GB4339－84計算得到的α值以及此值與測量平均值的比值。
表 純鉑標準試樣測量值，標準誤差和系統(tǒng)誤差表 純鉑標準試樣測量值，標準誤差和系統(tǒng)誤差
從表中數(shù)據(jù)可以看出(1)與國家標準相比，膨脹系數(shù)測量系統(tǒng)誤差小于1％。
(2)20－200℃之間的平均線膨脹系數(shù)的標準誤差≤.075×10－6／℃；20－500℃之間≤0.0051×10－6／℃。
權(quán)利要求1.一種高精度測量材料線膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于它包括(Ⅰ)產(chǎn)生單色平行光的光源；(Ⅱ)用于產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的位于試樣兩端的上干涉片和下干涉片；(Ⅲ)用于檢測由上、下干涉片產(chǎn)生的干涉條紋的干涉檢測部件；(Ⅳ)用于記錄由干涉檢測部件得到的信號的記錄器件；(Ⅴ)用以對試樣加熱的加熱爐；(Ⅵ)用以測量和控制爐溫的測溫器件和控溫器件。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述單色平行光光源是通過激光器、光發(fā)散元件、半反射鏡和半球鏡而產(chǎn)生的。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述干涉檢測部件包括攝像機、顯示器和光電檢測器件。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述光發(fā)散元件為雙凸透鏡或玻璃球。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述干涉片材料選用石英、寶石或高溫玻璃。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述光電檢測器件為光導(dǎo)纖維和1或光敏元件。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述光導(dǎo)纖維和1或光敏元件的個數(shù)為兩個或四個。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述光敏元件為光電阻、光敏三極管或光敏二極管。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述測溫器件包括熱電偶和電壓表或D／A轉(zhuǎn)變器。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述控溫器件包括控溫?zé)犭娕己蚉ID控制儀。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述控溫?zé)犭娕己蚉ID控制儀與計算機相連。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述記錄器件可為X－Y記錄儀、數(shù)字儀表和計算機。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于它進一步包括位于上、下干涉片之間的管壁上沿軸向加工有三個能容納彎折或彎曲金屬薄片試樣的狹縫或孔的異型管。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述異型管為不銹鋼圓管。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于所述圓管的管壁上對稱地加工有三個空缺。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于它進一步包括打印機。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述加熱爐處于真空狀態(tài)。
專利摘要本實用新型涉及一種由于干涉法測材料線膨脹系數(shù)的裝置。它主要由光源、光學(xué)干涉系統(tǒng)、干涉檢測部件、測溫和控溫器件以及記錄器件等構(gòu)成。該裝置的主要特點是測量準確，可測量小膨脹系數(shù)材料，同時還可對厚度極薄的金屬薄片試樣的線膨脹系數(shù)進行測量。本實用新型所述裝置的測量范圍可高至600℃左右，它可由計算機進行數(shù)據(jù)收集、處理及輸出，從而實現(xiàn)了測量的自動化。
文檔編號G01B11/16GK2053326SQ8920688
公開日1990年2月21日 申請日期1989年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1989年5月5日
發(fā)明者王培玉, 張金鳳 申請人:上海鋼鐵研究所