專利名稱：一種熱膨脹系數(shù)的非接觸測量方法及裝置的制作方法
物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)是重要的物理性能，對工程技術(shù)應用和科學研究工作都有重要意義。近年來，非晶態(tài)材料、表面涂層、鍍膜材料、半導體薄膜材料等發(fā)展很快，成為材料科學研究的熱點。大規(guī)模集成電路與微電子技術(shù)、硬質(zhì)膜、超導膜、空間站所用熱控涂層材料等，在高技術(shù)中起著重要作用。當應用于受熱、高溫條件下，熱膨脹性能至關(guān)重要。例如，空間站所用涂層材料必須要使涂層材料與基體材料之間的熱應力減小，使其不至于在高溫下剝離，因此要求兩者之間的熱膨脹系數(shù)盡可能接近或匹配。薄膜材料具有無鋼性、易碎、易彎曲的特點，也不易得到大尺寸的試樣。常規(guī)熱膨脹儀如頂桿法、干涉法不能進行薄膜熱膨脹的測量。目前關(guān)于薄膜熱膨脹測量研究報道有X光法，但僅適用于晶態(tài)材料，且存在數(shù)據(jù)處理較繁的問題；單狹縫衍射方法，僅見到介紹其原理的會議報道，未見到儀器成型的報道；干涉牛頓環(huán)方法，誤差很大，達到20％，且當薄膜與基體的熱膨脹系數(shù)相近時，受到了限制；對于非晶條帶，有由差動變壓器法基礎(chǔ)上改進的機械杠桿法，以及把條帶卷起來形成塊狀樣品從而進行測量的方法，但不適用厚度在15μm以下無剛性薄膜的熱膨脹測量。到目前為止，未見有用于薄膜熱膨脹測量的成熟方法。
利用電荷藕合原理制成的固體攝像器件CCD(ChargeCoupled Device)為實現(xiàn)熱膨脹的非接觸、自動化測量提供了可能。盡管應用大規(guī)模集成電路技術(shù)制成的CCD光敏元間距最小只有幾個微米，成像的分辨率較高，但仍不能滿足熱膨脹系數(shù)的測量的要求，必須突破光敏元間距對其分辯率的限制。
國際上關(guān)于應用CCD進行熱膨脹非接觸測量的有意大利羅馬大學和日本株式會社理學公司，其中羅馬大學的研究，試樣為原長20mm的圓柱棒，試樣被整體放大10倍，用兩只CCD器元件對試樣的像邊緣進行定位測長，通過對CCD光敏元間距細分和光學放大，測長分辯率達到0.15μm；理學公司的測量系統(tǒng)中，試樣原長為20mm或40mm，長度測量分辯率達到1μm。這兩個研究機構(gòu)的測量系統(tǒng)的放大倍數(shù)低于20倍，主要是受光電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計思想的限制，體積大，結(jié)構(gòu)復雜，造價高，除此之外，都是針對塊狀樣品。
本發(fā)明的目的在于提供一種由CCD技術(shù)實現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)非接觸測量方法及裝置，在保證裝置具有高精度的同時，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，易于安裝調(diào)試，并且能完成對薄膜熱膨脹的測量。
本發(fā)明提供了一種熱膨脹系數(shù)的非接觸測量方法，包括對試樣的光學放大，用固體攝像器件CCD對光信號采集及光電信號的處理，其特征在于光學放大部分采用二級放大，第二級僅對第一級所成像的兩個像邊緣再次分別放大，并最終聚焦成像在一只CCD上。由于試樣需放入爐中加熱，因而光學放大系統(tǒng)的物距較長。若把試樣整體放大，光程很長，必然帶來設(shè)備結(jié)構(gòu)的寵大，因此會限制光學放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)。為得到高的放大倍數(shù)而采用了兩極放大，僅對試樣邊緣局部放大，以縮短光程，簡化結(jié)構(gòu)。一般來講，近軸物點成像具有好的像質(zhì)，因而第一級的放大倍數(shù)不宜過大，設(shè)計為1∶1，第二級僅對第一級所成像的兩個像邊緣再次分別放大，由于物距可以很小，第二級放大倍數(shù)可以設(shè)計得很大，從20～100倍，從而大大提高了長度變化的測量精度。在光學鏡頭設(shè)計時，已考慮到要求第二級透鏡組在偏離主光軸情況下的成像仍有很好的像質(zhì)。因此第二級透鏡組的設(shè)計與第一級鏡頭組設(shè)計要互相匹配，即兩級的殘余像差符號設(shè)計成相反，大小相等，從而使總像差小到可以忽略的程度。另外對試樣兩端邊緣的同時測量，可以得到絕對的膨脹伸長量，比單邊測量具有更高的測量精度。
本發(fā)明還提供了實現(xiàn)上述測量方法的測量裝置，包括照明系統(tǒng)，試樣架系統(tǒng)，光學系統(tǒng)，電子系統(tǒng)，四大部分，其特征在于光學系統(tǒng)設(shè)計為一箱式殼體(13)，殼體(13)入口處設(shè)置第一級鏡頭組(6)，其像平面處設(shè)置一光闌(8)，光闌(8)后固定設(shè)置兩組相同放大倍數(shù)的第二級鏡頭組(9)與光路成45°角分別設(shè)置兩個平面反射鏡，第二級成像平面處設(shè)置一個固體攝像器件CCD。試樣架系統(tǒng)為用頂絲夾持調(diào)整的兩片石英玻璃。光闌的設(shè)置主要是為了避免兩個像邊緣的光強亮場在CCD上重合，發(fā)生CCD圖像信號的混疊，兩個反射鏡的設(shè)置可以在保證光程的前提下，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，并且將試樣的的兩個邊緣同時成像于一片CCD上。下面結(jié)合附圖通過實例詳述本發(fā)明。
附

圖1 為熱膨脹系數(shù)非接觸測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖附圖2 為試樣架示意圖附圖3 電子系統(tǒng)示意圖附圖4 為視頻放大電路原理圖附圖5 長度變化量計算程序框圖實施例本裝置是附設(shè)于現(xiàn)有的脈沖激光熱導儀上的。
試樣架系統(tǒng)如何設(shè)計適 于薄膜樣品的試樣架是重要的問題，關(guān)系到整個測量實驗系統(tǒng)的可行性。所用試樣架必須在現(xiàn)有脈沖激光熱導儀上的加熱爐內(nèi)易于安裝，且要保證試樣處于加熱爐內(nèi)中心的固定位置，使其對于光學系統(tǒng)的物距保持一定。
圖4-1表示用于測量熱膨脹的試樣架示意圖，試樣的尺寸要求為10×10mm大小，用兩片厚石英玻璃片夾持，石英玻璃片厚度為2.5mm，這樣即使在高溫下螺絲頂?shù)牟痪o狀態(tài)下，石英玻璃仍保持直立，使試樣不發(fā)生彎曲變形試樣架用螺紋固定在內(nèi)直徑為16mm的圓筒上，其長度是10cm，再與測量熱導率所用的內(nèi)直徑為18mm的試樣架后一部分，靠螺紋連成一體，整個試樣架用螺釘固定在加熱爐內(nèi)的試樣架托架上。托架內(nèi)附有冷卻水管，可避免在高溫下發(fā)生試樣架左右上下的偏轉(zhuǎn)。圖4-2和圖4-3是試樣架整體及安裝時的照片。
測溫的準確性對熱膨脹測量影響很大，為了得到與試樣一致溫度，一般用熱電偶測溫時，把熱電偶焊在試樣上。而對于薄膜、涂層試樣，焊熱電偶會損壞樣品，另外熱電偶線會對試樣有小的扭曲力作用，使試樣不會完全自由垂立在試樣架的臺面上，將影響長度變化測量精度。因此，把Ni-Cr/Ni-Al測溫熱電偶(Ф0.2mm)點焊在直徑小于2mm的不銹鋼圓薄片上，在后面的石英玻璃片底部中間磨出Ф4mm的半圓孔，用石英玻璃細管做為熱電偶套管，前端用金屬細絲固定在試樣架的平臺上。帶熱電偶的不銹鋼薄圓片既能直立又可在水平方向自由移動，使它與試樣后表面緊密接觸，這樣試樣所測溫度與試樣實際溫度接近2.照明系統(tǒng)選用囟素燈為照明光源，其額定電壓是24V，穩(wěn)壓電源的最大電壓是30V滿刻度電流10A。對于短距離照明條件，這種光源屬于強光源，適用于高倍光學放大的應用場合。如圖4-4所示，囟素燈(1)產(chǎn)生的光經(jīng)聚焦拋面鏡(2)，照射在毛玻璃片(3)上，毛玻璃片位于聚焦透鏡組(4)的焦點位置，形成平行光束。照明系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了光電測量系統(tǒng)特有的入射光闌很小的特點盡量得到最大照度的試樣像邊緣。
2.光學系統(tǒng)若把試樣整體放大，光程很長。為了縮短光程，采用兩級光學放大雙反射鏡光路，第一級1∶1成像，第二級僅對第一級所成像的兩個像邊緣再次分別放大成像，放大倍數(shù)為40，經(jīng)兩個反射鏡反射后，聚焦成像在一只CCD上。第一級鏡頭組由4片鏡頭組成，膠合成兩組，兩組之間距離為2-8mm，可用于精確調(diào)焦，第一級所成像與第二級透鏡組距離為8.3mm，在該像平面位置設(shè)置了一光闌，為了避免兩個像的光強亮場在CCD上重合，發(fā)生CCD的圖像信號的混疊。
第二級放大鏡頭組，是相同的兩組透鏡組，分別由4片短焦，大數(shù)值口徑的鏡頭組成。透鏡組的光軸與主光軸的距離是5.25mm，每個透鏡組的視場范圍是0.30mm，對于稍大于10mm原長的試樣的熱膨脹引起的伸長量測量已足夠滿足要求。圖4-5是光學放大成像系統(tǒng)的蟄片。
該光路二次成像的另一個特點是試樣的膨脹伸長量，經(jīng)兩次成像在CCD靶面上轉(zhuǎn)變成試樣的像邊緣由兩邊端向中心的移動，因此僅用5000×7μm的一片CCD器件構(gòu)成的35mm長的光電標尺，即可完成對試樣兩個像邊緣圖像同時采樣。采取試樣兩像邊緣圖像同時采樣，其目的是為了得到絕對的膨脹伸長量，比單邊測量具有更高的測量精度。對測量的影響小到可以忽略的程度，而不必進行專門的修正。
電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)由CCD器件、驅(qū)動電路、視頻放大器、數(shù)據(jù)采集等部分組成。用計算機最終完成數(shù)據(jù)的處理，見圖3。
一般來說，測量范圍和測量精度是選擇CCD器件的主要依據(jù)。本測量統(tǒng)被測試樣原長的尺寸是10mm左右，光學系統(tǒng)的放大倍率為40倍，被測膨脹伸長量要求精度較高，應為0.1μm，它在像面上對應的精度為4μm。根據(jù)CCD測量靈敏度的需要，4μm要小于1個CCD光敏像素的空間尺寸。選擇TCD141C型號CCD可滿足測量范圍和精度的要求。
其驅(qū)動電路為TCD141C要求的以WQ2801模塊為核心的電路。
為了連續(xù)調(diào)整增益倍數(shù)，而不發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象，視頻放大采用了三級放大見圖4。
第一級采用LF357運算放大器，用于反相，放大倍數(shù)為1∶1，目的是把CCD輸出的負脈沖視頻信號，轉(zhuǎn)換成正脈沖視頻信號，以便進一步處理和A/D采集。
第二級是對CCD視頻脈沖信號的電位進行調(diào)整，也即調(diào)整U3W電位器可同時等量地改變亮場和暗場的電平，其目的是調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換量化值的零點，另外對降低噪聲有一定效果。所用的是LF356運算放大器。
第三級是正相放大部分，采用的是LF357運算放大器，U5W2可連續(xù)調(diào)整信號的增益倍數(shù)，而不發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象，使得送A/D采集系統(tǒng)前的信號可調(diào)至動態(tài)范圍的上限。
采用8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD3318，靜態(tài)存貯器SRAM62256，一次采集命令啟動，連續(xù)采集六幅CCD電子圖像，計算機進行數(shù)據(jù)處理，采集程度用C語言編寫。
像邊緣位移量的數(shù)據(jù)處理由于大量的各種噪聲和光敏元響應不均勻等影響，試樣像邊緣會發(fā)生扭曲，采用中值濾波軟件方法進行平滑處理，消除噪場影響，采用多點判據(jù)進行像邊緣位移量的計算，再求平均，進一步降低隨機誤差。每一測量點多次測量求平均，提高測試精度。程序框圖如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種熱膨脹系數(shù)的非接觸測量方法，包括對試樣的光學放大，用固體攝像CCD對光信號采集及光電信號的處理步驟，其特征在于光學放大部分采用二級放大，第二級僅對第一級所成像的兩個像邊緣再次分別放大，并最終聚焦成像在一只CCD上。
2.按權(quán)利要求1所述熱膨脹系數(shù)的非接觸測量方法，其特征在于第一級放大倍數(shù)為1倍，第二級放大倍數(shù)為20～100倍。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述測量方法的熱膨脹系數(shù)非接觸測量裝置，包括照明系統(tǒng)，試樣架系統(tǒng)，光學系統(tǒng)，電子系統(tǒng)，四大部分，其特征在于光學系統(tǒng)設(shè)計為一箱式殼體(13)，殼體(13)入口處設(shè)置第一級鏡頭組(6)，其像平面處設(shè)置一光闌(8)，光闌(8)后固定設(shè)置兩組相同放大倍數(shù)的第二級鏡頭組(9)與光路成45°角分別設(shè)置兩個平面反射鏡，第二級成像平面處設(shè)置一個固體攝像器件CCD。
4.按權(quán)利要求3所述熱膨脹系數(shù)非接觸測量裝置，其特征在于所述試樣架系統(tǒng)為用頂絲夾持調(diào)節(jié)的兩片石英玻璃。
全文摘要
一種熱膨脹系數(shù)的非接觸測量方法，包括對試樣的光學放大，用固體攝像CCD對光信號采集及光電信號的處理步驟，其特征在于光學放大部分采用二級放大，第二級僅對第一級所成像的兩個像邊緣再次分別放大，并最終聚焦成像在一只CCD上。
文檔編號G01N21/00GK1152124SQ9611532
公開日1997年6月18日 申請日期1996年5月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月22日
發(fā)明者王恒, 何冠虎, 周本濂 申請人:中國科學院金屬研究所