材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀的製作方法

2023-04-28 11:51:41

專利名稱：材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種材料熱膨脹性測量領域，特別提供一種雙光束雷射幹涉測量材 料熱膨脹性的測量儀。
技術背景熱膨脹係數是材料物理性能中的一個重要參數之一，測定固體熱膨脹係數有重要的 實際意義。測量熱膨脹係數的難點是如何精確測定固體隨溫度變化時的長度變化。目前， 測量材料熱膨脹性測量儀主要有基於麥可遜幹涉法為基本原理的單束雷射幹涉法熱 膨脹測量儀。麥可遜幹涉熱膨脹測量儀是一種利用分割光波振幅的方法實現幹涉的精密光學 儀器。目前麥可遜幹涉熱膨脹測量儀普遍採用的是單束雷射。該測量儀在樣品前面需 安置一個反射鏡面(該鏡面需直接或間接與樣品相接觸)或利用單束雷射直接打在樣品 一個表面上，即雷射束經被測樣品表面或中間界面反射與入射光產生幹涉。另外，固定 樣品的夾具或樣品臺與被測樣品直接相接觸。這種測量儀結構上，首先樣品與固定樣品 的夾具或樣品臺相接觸，存在一定的相互作用力；其次夾具或樣品臺等在測量時本身也 將同時受熱膨脹。夾具與樣品相互作用力的大小、夾具或樣品臺自身的膨脹所產生的系 統誤差都將對所測得的數據產生影響。 發明內容本實用新型目的在於提供一種雙光束雷射幹涉測量材料熱膨脹性的測量儀。該測量 儀還可以準確地測量出材料的相變過程。本實用新型主體部分為SIOS-SP120D雷射幹涉儀8、高真空加熱爐1、 rbhS104 調理板9、 rbh8223h數據採集卡(A/D轉換器)11、恆流微機電源10與計算機12。SI0S-SP120D雷射幹涉儀8設有He--Ne雷射發射盒6，並安裝在高真空加熱爐一側， He—Ne雷射發射盒6下方安裝升降平臺7。高真空加熱爐1爐壁一端設有一玻璃窗口 5 正對著雷射發射盒6，高真空加熱爐1內安裝樣品夾具2，樣品夾具2與雷射發射盒6 的雷射發射口相距在60-150畫，雷射發射口距離玻璃窗口 5的距離為45mm-55mm，高真 空加熱爐爐內放置被測樣品3的一側安置一 K型熱電偶4，熱電偶4與rbhS104調理板 9相連後再與rbh6223h數據採集卡11相連，rbh6223h數據採集卡11和SIOS-SP120D雷射幹涉儀8同時與計算機12相連。恆流微機電源10與rbhS104調理板9相連，為調 理板9提供電源。
本實用新型主要特點是採用雙光束雷射幹涉。由於所取被測樣品膨脹量為兩束雷射 光程位移差值，利用雙光束雷射幹涉法測量時，夾具與樣品相互作用力、樣品臺或夾具 等受熱膨脹對單束雷射造成的系統誤差可以相互完全抵消，因此完全消除測量膨脹量時 的系統誤差，提高了測量精度。
眾所周知，相變過程一般伴隨著有體積的變化，如非晶材料晶化時體積收縮，晶 體熔化時體積膨脹等。在加熱過程中材料體積的變化與長度的變化規律相同，因此，當 測量時加熱溫度超過晶體樣品的熔點或非晶體的晶化溫度，便可以通過監測升溫過程中 樣品長度隨溫度的變化規律可以確定相變的開始和結束。同時，升溫過程中樣品長度的 變化還能定量地反映相變過程進行的程度。
因此，通過測量材料長度隨溫度的變化規律，本實用新型還可以準確地反映到材 料相變過程。以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。

圖1是雙光束雷射幹涉測量儀的結構示意圖。 圖2是被測樣品形狀圖。 圖3是雙光束雷射幹涉法的原理圖。
具體實施方式

結合圖l所示
圖l是雙光束雷射幹涉測量儀的結構示意圖
高真空加熱爐1爐壁一側設計一玻璃窗口5供雷射透射；爐內安裝固定樣品的夾具2， 該夾具安裝位置與雷射發射盒6的雷射發射口相距60mm-150mm，以保證雷射反射形成有 效幹涉；雷射發射盒6下面安裝升降平移臺7以調節雷射位置；高真空爐內被測樣品一側 安置K型熱電偶4實時採集樣品溫度。
SI0S-SP120D雷射幹涉儀8連接計算機12。熱電偶4導線先與rbhS104調理板9 和rbh6223h數據採集卡ll相連，再接入計算機。恆流微機電源10為調理板9提供電 源。
1)膨脹量的測量步驟(D先將被測樣品3置於高真空加熱爐l內，用夾具2固定。(2) 安裝好樣品後，開啟SIOS-SP120D雷射幹涉分析儀8，利用升降平移臺7調節雷射發射盒6位置，使兩束雷射透過加熱爐玻璃窗5對準被測樣品兩個光滑表面，並沿原路返回與入
射光形成幹涉。Q)形成有效的幹涉信號後，將雷射發射盒6位置固定，關閉高真空加熱 爐1爐門，對高真空加熱爐爐體抽真空。④當加熱爐爐內真空度達到10—4pa以下，再微調 雷射發射盒6位置確保兩束雷射與入射光形成有效幹涉。 最後，開啟高真空爐加熱器 對樣品進行加熱，開始實驗測量。
由於雷射束易受外界作用力影響，為保證高的測量精度，測量時不能撞擊雷射發射 盒或加熱爐。測量熱膨脹時加熱速率需控制在3K/min以下。
2)溫度的採集利用rbh8223h數據採集卡ll採集高真空爐內被測樣品一側安置K型 熱電偶4溫度數據，經rbhS104調理板9放大100倍，連接計算機12。
繪製膨脹量隨溫度變化曲線，得到相對材料膨脹量隨溫度變化規律，所得曲線斜率 即為材料瞬時熱膨脹係數。
結合圖2所示
圖2是被測樣品形狀圖。被測樣品需加工設計成梯形狀，樣品被測的目標段為L段， L取10mm-20mm為佳。截面方形或圓形均可，根據雷射發射器兩束雷射間距為3mm的特點， 樣品截面大小若是方形則需取4誦X4mm以上，圓柱形則4>4咖以上。兩表面I 、 II需保 持光潔且相互平行，便於雷射有效反射沿原路返回到雷射發射口。
結合圖3所示
圖3為雙光束雷射幹涉法測量熱膨脹的原理圖。被測樣品置於高真空加熱爐l內， SIOS-SP120D雷射幹涉儀雷射發射盒6發射兩束雷射a， b分別打在梯形被測樣品3的I 、 II兩表面上，兩束雷射經樣品光滑表面反射沿原路返回至雷射發射盒發射口形成幹涉。 加熱過程中樣品a， b位移發生變化(即測量面的位移變化)，a、 b變化值之差Aa-Ab 就是被測樣品L段的膨脹量AJL 。
另外，基於相變特徵，應用該測量儀，當測量時加熱溫度超過晶體樣品的熔點或非 晶體的晶化溫度，可以得到樣品長度-溫度變化曲線，從而反映晶體或非晶體的相變過 程。
權利要求1.一種材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀，主體部分由SIOS-SP120D雷射幹涉儀(8)、高真空加熱爐(1)、rbhS104調理板(9)、rbh8223h數據採集卡(11)、恆流微機電源(10)與計算機(12)組成，其特徵在於SIOS-SP120D雷射幹涉儀(8)設有He--Ne雷射發射盒(6)，並安裝在高真空加熱爐一側，He--Ne雷射發射盒(6)下方安裝升降平臺(7)，高真空加熱爐(1)爐壁一端設有玻璃窗口(5)正對著雷射發射盒(6)，高真空加熱爐爐內放置被測樣品(3)的一側安置一K型熱電偶(4)，熱電偶(4)與rbhS104調理板(9)相連後再與rbh6223h數據採集卡(11)相連，rbh6223h數據採集卡(11)和SIOS-SP120D雷射幹涉儀(8)同時與計算機(12)相連。
2. 如權利要求1所述的材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀，其特徵在於雷射 發射口距離玻璃窗口 (5)為45ram-55ram。
3. 如權利要求1所述的材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀，其特徵在於高真 空加熱爐(1)中部安裝樣品夾具(2)，樣品夾具(2)與雷射發射盒(6)的雷射發射 口相距在60-150mm。
4. 如權利要求1所述的材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀，其特徵在於恆流 微機電源(10)與rbhS104調理板(9)相連。
專利摘要一種材料熱膨脹性雙光束雷射幹涉測量儀，涉及雷射幹涉測量領域，本實用新型主體部分為SIOS-SP120D雷射幹涉儀、高真空加熱爐、rbhS104調理板、rbh8223h數據採集卡、恆流微機電源與計算機。SIOS-SP120D雷射幹涉儀設有He-Ne雷射發射盒，並安裝在高真空加熱爐一側，高真空加熱爐爐壁一端設有一玻璃窗口正對著雷射發射盒。高真空加熱爐內安裝樣品夾具，樣品夾具與雷射發射盒的雷射發射口相距在60-150mm。高真空加熱爐爐內放置被測樣品的一側安置一K型熱電偶，熱電偶與rbhS104調理板相連後再與rbh6223h數據採集卡相連，rbh6223h數據採集卡和SIOS-SP120D雷射幹涉儀同時與計算機相連。本實用新型由於採用兩束同頻雷射幹涉，完全消除了測量膨脹量時的系統誤差，可以精確地測量出材料的熱膨脹性，並可以準確測量材料相變過程。
文檔編號G01B11/16GK201141843SQ20072017375
公開日2008年10月29日 申請日期2007年10月23日 優先權日2007年10月23日
發明者劉武華, 豐 葉, 林均品, 王豔麗, 陳國良, 黃妹婷 申請人:北京科技大學