一种固体材料热膨胀系数测试装置的制作方法

本发明属于热分析测试，涉及一种基于激光干涉原理的固体材料热膨胀系数测试装置，用于测试固体材料的线热膨胀系数。

背景技术：

1、固体材料的热膨胀系数在结构设计、光学设计等工程应用中是必不可少的基本物理参数，通常量级在10-5～10-6量级，有些低膨胀材料在10-7～10-8量级。目前最常用的热膨胀系数测量方法有两种：推杆法和激光干涉法。推杆法采用所谓的“零膨胀”材料，如低膨胀石英等，作为推杆将被测样品的变形量传递给位移传感器，从而测量样品的膨胀系数，这种方法为商用热膨胀系数测量仪器所广泛采用。该方法的优点是使用方便、仪器成本低，缺点是该方法本身是相对法，它是基于假设所谓“零膨胀”材料对测量没有影响的前提下测量材料线膨胀系数的，然而现实中不存在零膨胀材料，所谓的“零膨胀材料”只是说该材料的线膨胀系数很低。如果被测样品的线膨胀系数与推杆材料的线膨胀系数相近，推杆本身的热膨胀对测量的影响将很明显，因此基于这种方法的装置无法实现材料线膨胀系数的绝对测量，这类装置不能用作标准装置。第二种方法是基于激光干涉仪测量样品绝对变形量的方法，这个方法的特点是测量结果不依赖于任何其它材料的物性，而且能达到推杆法所不能达到的分辨率。

2、激光干涉法主要基于菲索型、法布里玻罗标准具、迈克尔逊型、马赫曾德尔型等干涉光路，其原理是利用干涉光路将试样长度的变化转化为光程差的变化，从而测量得到热膨胀系数。然而这些光路普遍存在一个问题：零漂效应。由于热膨胀系数测量需要在较大的温度范围内进行测量，整个过程温度控制需要较长时间，通常为数个甚至十几个小时，在此期间，干涉光路中的光程差会发生非样品因素导致的漂移，这是由于机械稳定性、机械部件和镜片温度的变化、气流扰动等因素引起的，这将给测量结果带来难以消除的测量误差。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的是：提供一种固体材料热膨胀系数测试装置，避免测量过程受零漂效应影响，降低测量误差。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种固体材料热膨胀系数测试装置，其包括激光器、分光镜、真空室、法布里-玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里-玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里-玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里-玻罗干涉腔，经由法布里-玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。

5、其中，所述激光器、分光镜和探测器位于真空室内或外部。

6、其中，所述法布里-玻罗干涉腔布置在样品夹槽里，样品夹槽位于真空室内，所述法布里-玻罗干涉腔由两片锲形镜片形成，锲形镜片材料在测试波长下透明，锲角1～2°。

7、其中，两片锲形镜片和样品夹槽之间布置弹簧。

8、其中，所述测试样品为长方体块状，端面抛光，平行度优于20”。

9、其中，所述热电偶探头固定于样品侧面，用于测量样品的真实温度，热电偶探头用压线方式固定或者焊头涂抹导热硅脂与样品表面粘接。

10、其中，所述激光器作为干涉光源，用于产生可见光范围波长光束。

11、其中，所述分光镜和探测器之间布置扩束镜和光阑。

12、其中，所述扩束镜选用一片凹透镜。

13、其中，所述光阑用于在干涉波形中截取小片区域，选取范围小于一个明/暗条纹宽度。

14、(三)有益效果

15、上述技术方案所提供的固体材料热膨胀系数测试装置，测试样品两端面紧密贴合的两锲形镜片形成法布里-玻罗干涉腔，该光路的干涉光程差仅与试样长度有关，无零漂效应，具有结构简单，可靠性高，测试精度高的突出优势。

技术特征：

1.一种固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，包括激光器、分光镜、真空室、法布里-玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里-玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里-玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里-玻罗干涉腔，经由法布里-玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。

2.如权利要求1所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述激光器、分光镜和探测器位于真空室内或外部。

3.如权利要求2所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述法布里-玻罗干涉腔布置在样品夹槽里，样品夹槽位于真空室内，所述法布里-玻罗干涉腔由两片锲形镜片形成，锲形镜片材料在测试波长下透明，锲角1～2°。

4.如权利要求3所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，两片锲形镜片和样品夹槽之间布置弹簧。

5.如权利要求4所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述测试样品为长方体块状，端面抛光，平行度优于20”。

6.如权利要求5所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述热电偶探头固定于样品侧面，用于测量样品的真实温度，热电偶探头用压线方式固定或者焊头涂抹导热硅脂与样品表面粘接。

7.如权利要求6所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述激光器作为干涉光源，用于产生可见光范围波长光束。

8.如权利要求7所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述分光镜和探测器之间布置扩束镜和光阑。

9.如权利要求8所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述扩束镜选用一片凹透镜。

10.如权利要求9所述的固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于，所述光阑用于在干涉波形中截取小片区域，选取范围小于一个明/暗条纹宽度。

技术总结
本发明公开了一种固体材料热膨胀系数测试装置，其包括激光器、分光镜、真空室、法布里‑玻罗干涉腔、待测样品、热电偶、探测器；法布里‑玻罗干涉腔布置在真空室内，待测样品放置在法布里‑玻罗干涉腔内，热电偶固定在待测样品侧面；激光器出光侧布置分光镜，分光镜的出射光射向法布里‑玻罗干涉腔，经由法布里‑玻罗干涉腔的反射光进一步经分光镜反射，由布置在分光镜一侧的探测器接收。本发明的干涉光程差仅与试样长度有关，无零漂效应，具有结构简单，可靠性高，测试精度高的突出优势。

技术研发人员：梁松林,吴扬海,杨永强,张辉荣,郭春艳,张祖邦,孙志成
受保护的技术使用者：西南技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17