一种线膨胀系数测量系统及其测量方法

本发明涉及线膨胀测量领域，具体涉及一种线膨胀系数测量系统及其测量方法。

背景技术：

1、热膨胀现象是材料的体积或长度随温度的升高发生膨胀的现象，表征该现象通常用热膨胀系数。随着工业技术的不断进步，材料的热膨胀系数(coefficient of thermalexpansion，cte)在航空航天、光学冷加工、euv光刻机等领域越来越重要，将影响系统在复杂温度下的稳定运行。

2、目前，最为常用的热膨胀系数测量方法采用zky-xp金属线膨胀系数测量仪进行测量，金属线膨胀系数测量仪包括金属线膨胀实验仪和开放式pid温控实验仪。金属线膨胀实验仪需要将待检测材料制作成空心金属棒，空心金属棒的一端固定，另一端通过轴承滑动安装，空心金属棒可在滑动端自由伸长。空心金属棒设置有进水口和出水口，通过进水口加入热水，利用流过空心金属棒的水加热金属，最后用千分表对金属膨胀量进行测量。在使用时观察千分表的读数，通过pid温控实验仪和金属线膨胀实验仪的结合可以观察到所需物理量，通过计算得到相关的线膨胀系数。但该金属线膨胀系数测量仪存在如下一些缺点：

3、1、空心金属棒降温缓慢，仪器升高温度后恢复到室温用时较长，例如铜棒的温度由60.1℃下降到30.8℃，所用时间为96min，降温速度慢不利于仪器的连续重复使用。

4、2、金属线膨胀系数测量仪虽然具有待测材料加热功能，但是不能制冷，所以只能测量材料的热胀系数，不能够测量材料的收缩系数。

5、3、金属线膨胀系数测量仪使用千分表测量材料的微小形变，测量结果与其制造工艺、材料等因素有关，易受环境温湿度、千分表固定稳定程度的影响，另外千分表测量杆与被测工件表面必须垂直，否则会产生误差，测量数据受外界的影响大。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种线膨胀系数测量系统及其测量方法。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：包括有绝热箱、条纹干涉检测机构和光学测量子系统，绝热箱内设置有三处固定支撑板，三处固定支撑板两两互相垂直连接形成墙角结构，每处固定支撑板的对侧均设置有平行的滑动支撑板，三处滑动支撑板与条纹干涉检测机构之间分别通过x轴测量传动机构、y轴测量传动机构、z轴测量传动机构连接；绝热箱内设置有ptc加热片和若干温度传感器，绝热箱上设置有半导体制冷片，ptc加热片、半导体制冷片、若干温度传感器与温度控制子系统电性连接。

3、进一步地，光学测量子系统包括有半反半透镜、读数显微镜、摄像头、笔记本电脑、扩束镜、第一偏振片、第二偏振片和氦氖激光器；笔记本电脑与摄像头连接，第二偏振片、读数显微镜、摄像头依次位于半反半透镜的激光射出方向上，氦氖激光器、扩束镜、第一偏振片依次位于半反半透镜的激光入射方向上，激光射出方向与半反半透镜夹角呈45°，激光入射方向与半反半透镜夹角呈135°，激光射出方向与激光入射方向垂直。

4、进一步地，x轴测量传动机构包括有x轴传递杆，x轴传递杆一端与对应的滑动支撑板固定连接，另一端与条纹干涉检测机构磁吸连接；绝热箱上设置有安装x轴传递杆的圆形通孔。

5、进一步地，y轴测量传动机构与z轴测量传动机构结构相同，z轴测量传动机构包括有安装绝热箱棱边上的伸缩套筒，伸缩套筒内设置有伸缩杆，伸缩杆的伸出端设置有转筒轴，转筒轴上设置有转筒，转筒上固定有两处l形传递杆，一处l形传递杆与对应的滑动支撑板连接，一处滑动支撑板与条纹干涉检测机构磁吸连接。

6、进一步地，l形传递杆包括有与转筒的连接段和与条纹干涉检测机构连接的折弯端，连接段上设置有水平泡；伸缩套筒上设置有螺纹通孔，螺纹通孔上设置有紧固伸缩杆的锁紧钉；绝热箱上设置有与l形传递杆配合的条形通孔。

7、进一步地，条纹干涉检测机构包括有结构相同的第一干涉板、第二干涉板和安装基座，第一干涉板、第二干涉板上均设置有偏振片安装孔，第一干涉板的偏振片安装孔内设置有第一玻片，第二干涉板的偏振片安装孔内设置有第二玻片；第一干涉板的底部一侧设置有转轴，第一干涉板的底部另一侧设置有支撑轮，第一干涉板上设置有磁吸部；安装基座上设置有与转轴配合的安装通孔，转轴上还设置有与安装基座配合的推力轴承。

8、进一步地，第二干涉板还磁吸连接有微调杆，微调杆包括有固定在安装基座上的支撑柱，支撑柱上设置有横向套筒，横向套筒内螺纹连接有调节杆，调节杆一端与第二干涉板磁吸连接，调节杆的另一端设置有调节旋钮。

9、三维线膨胀系数测量系统的测量方法包括有如下步骤：

10、s1：测量待测材料的初始长度l0、初始温度t0，设定材料实验温度t；

11、s2：实验开始前，将测量传动机构与条纹干涉检测机构连接，并调整第二干涉板上的第二玻片与第一干涉板上的第一波片平行；

12、s3：调整读数显微镜，利用读数显微镜叉丝移动的像素距离和实际距离，计算出两个像素之间所代表的实际距离δ；

13、s4：进行膨胀形变测量实验，启动温度控制子系统，控制绝热箱内的温度达到材料实验温度t，并在绝热箱内的温度达到材料实验温度t后，将笔记本电脑上显示的干涉条纹进行截图，获得干涉图样；

14、s5：将干涉图样旋转成与水平夹角约45度；选取第i行数据，得到光强分布拟合曲线的峰值所对应的像素值m1和m2，以及峰值的个数k，计算出水平间距a：

15、

16、式中，δ为两相邻像素间的实际距离；

17、s6：选取第j列数据，得到光强分布拟合曲线的峰值所对应的像素值n1和n2，以及峰值的个数l，用实际距离δ计算竖直间距b：

18、

19、式中，δ为两相邻像素间的实际距离；

20、s7：计算干涉条纹的间距：

21、

22、式中，a为相邻条纹的水平间距，b为相邻条纹的竖直间距。

23、s8：计算材料的形变量：

24、

25、式中，为入射激光波长，为传动杆与框架a的接触点到框架a转轴中心的距离，e为干涉条纹间距；

26、s9：计算待检测线材料的线膨胀系数；

27、改变材料温度，重复上述步骤s1到步骤s8，多次测量；将多次测量数据用最小二乘法，得到材料形变量d与温度改变量(t-t0)的比值，得到材料的线膨胀系数：

28、

29、式中，d为材料形变量，l0为材料初始长度，t0为材料初始温度，t为材料改变后的温度。

30、进一步地，步骤s2具体包括有如下步骤：

31、s21：调整第一干涉板与传动杆磁吸连接；调整第二干涉板与第一干涉板平行，调整第二干涉板与微调杆磁吸连接；

32、s22：打开氦氖激光器，调整读数显微镜直到看到叉丝；调整读数显微镜与第二干涉板距离，直到看到清晰的干涉条纹；

33、s23：通过转动微调杆的调节旋钮调节第二干涉板与第一干涉板的夹角，当观察到条纹宽度变大时，继续沿着这个方向转动调节旋钮，直至条纹刚好消失，此时第二干涉板上的第二玻片与第一干涉板上的第一波片平行。

34、进一步地，步骤s2具体包括有如下步骤：

35、s31：转动读数显微镜的鼓轮，使叉丝处于位置a，记下此时的鼓轮读数l1，并将此时图像通过ccd传感器在笔记本电脑上显示并截取；

36、s32：继续转动读数显微镜的鼓轮，使叉丝处于位置b，记下此时的鼓轮读数l2，并将此时图像ccd传感器在笔记本电脑上显示并截取；

37、s33：对叉丝进行图像处理，得到叉丝由位置a平移到位置b时第i行分别对应的像素值n1和n2；

38、s34：计算得到两个像素之间所代表的实际距离δ：

39、

40、本发明的有益效果为：

41、本发明针对自然降温缓慢、单向测量的技术难题，运用半导体制冷片制冷、ptc加热片制热，利用plc加热片将仪器升温、降温系统整合，实现了快速降温和双向测量功能。

42、本发明针对待测件的多样性，采用了“滑动板+测量传动机构+条纹干涉检测机构”的设计，无需对待测件形状进行特殊加工，扩展了可测材料的种类，可实现待检测材料的三个方向上线膨胀系数的测量。

43、本发明针对劈尖干涉测量范围很小、干涉条纹重叠的技术难题，采用了分离的两处平行干涉板和光线偏振选择两个自主设计，提高了激光劈尖干涉的形变测量范围，解决了干涉条纹重叠的技术难题。

44、本发明针对条纹边界模糊、条纹宽度测量精度不高的技术难题，提出了利用光强曲线法确定条纹边界和像素定标法测量条纹宽度的方法，大大提高了条纹宽度的测量精度。

45、本发明通过温度控制子系统、半导体制冷片、ptc加热片和温度传感器配合，可以实现低温和高温的线性膨胀测量，具有双向测量的特点，相比于现有的金属线膨胀系数测量仪，具有更加实用；同时配合ptc加热片、半导体制冷片可以使待检测材料温度迅速恢复到正常温度，便于进行连续的实验测量。

46、本发明的x轴测量传动机构、y轴测量传动机构、z轴测量传动机构可以将待检测材料的x、y、z方向上的膨胀量传递至条纹干涉检测机构，通过带动条纹干涉检测机构的第一干涉板、第一玻片移动，从而利用光学测量子系统测量条纹间距，有利于获得线性膨胀系数。

47、本发明的x轴测量传动机构、y轴测量传动机构、z轴测量传动机构可以配合条纹干涉检测机构对待检测材料的x、y、z方向上的膨胀量进行分别测量，只需要断开的x轴测量传动机构、y轴测量传动机构、z轴测量传动机构与条纹干涉检测机构的磁吸连接即可，切换测量方向方便。

48、本发明的y轴测量传动机构、z轴测量传动机构均包括有伸缩套筒、伸缩杆、转筒轴、l形传递杆、转筒、锁紧钉和水平泡，伸缩杆可以在伸缩套筒内伸缩，以适应体积变化的待检测材料，锁紧钉可以对伸缩后的伸缩杆进行固定；l形传递杆用于传动y轴、z轴方向上的膨胀位移，便于条纹干涉检测机构和光学测量子系统测量；转筒轴和转筒配合使得l形传递杆能顺畅的转动，并传递待检测材料在y轴、z轴方向上的膨胀位移；水平泡方便将l形传递杆的水平工作端调整至水平，便于进行后续的测量实验。