專利名稱：用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量材料的熱膨脹性能的方法，特別是涉及一種適用于寬溫區(qū)(4.2K-300K)的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法。
背景技術：
隨著低溫技術在航天領域的應用和不斷發(fā)展，要求材料不僅在低溫條件下具有輕質高強及良好的韌性而且要求材料具有較低的熱物性能參數。因而，研究與測量低溫環(huán)境對材料的力學及熱性能的影響，是低溫裝置及部件合理選材、安全運行的重要保證。
低溫材料的線膨脹系數是材料和結構設計中一個十分重要的物理參數，為了確保低溫材料在使用過程中的可靠性和安全性，必須準確測定其在不同溫度點的變形量。
目前，傳統(tǒng)的測量線膨脹系數的裝置，如已知石英的線膨脹系數，用千分表讀數儀可測量材料的線膨脹系數，但由于聚合物基泡沫材料端面柔軟，尺寸不穩(wěn)定，且易吸附石英管內壁而不適用于泡沫線膨脹系數的測量。還有另一種方法，即采用低溫應變片來測量低溫下材料的線膨脹系數，其價格便宜，操作簡單，但需對應變片的靈敏系數隨溫度改變所發(fā)生的變化進行修正，且測量范圍小，不能滿足聚合物基泡沫材料的測量要求。另外，目前適用于低溫環(huán)境應用的國產應變片機尺寸小，不能覆蓋非均質材料的表面，因而只有當試件變形均勻的情況下，所測應變才能代表試件的整體變形，而對于復合材料、聚合物基泡沫材料和焊接材料等非均質材料的整體線膨脹系數的測量，應變片并不適用。此外，國內外還報道了許多關于某類特殊材料的測量線膨脹系數方法，如熱分析法，公式推導法等，但并不通用，且都不適合于極低溫度環(huán)境下的測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述的測量材料線膨脹系數方法存在的諸多缺陷，而提供一種用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，該方法可安全、可靠地測得材料尤其是聚合物基泡沫材料在寬溫區(qū)(4.2K-300K)的線膨脹系數。
本發(fā)明的技術方案如下材料的線膨脹系數(coefficient of linear thermal expansion)定義為αL(t)=1LdL(t)dT]]>其中L為試樣長度，dL(T)為試樣的長度變化，dT為溫度微小變化；αL(T)是線膨脹系數(CTE)指泡沫材料在指定方向上的線膨脹系數。材料的線膨脹系數一般是溫度的連續(xù)函數，逆過程即冷收縮，其大小一般與熱膨脹系數相同，即 材料的線膨脹系數可以通過測量材料在某溫度下的微應變得到。
本發(fā)明提供的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，包括如下步驟1)將待測的聚合物基泡沫材料的測量區(qū)固定在位移傳感器兩鉗臂的端部之間，并一起置入4.2-300K溫區(qū)中；2)將位移傳感器中的相互連接成惠斯通橋的電阻應變片的連接引線分別與電阻應變儀電連接，電阻應變儀與計算機相連接；3)待測聚合物基泡沫材料在所處的溫區(qū)中隨溫度的變化而發(fā)生變形，位移傳感器的兩鉗臂間隨位于其間的聚合物基泡沫材料的變形而產生加持力，其惠斯通橋的電阻應變片將變形的位移機械量轉換為電量，電阻應變儀將惠斯通橋的輸出信號經放大后，輸入給計算機，由計算機進行處理并繪制出該待測聚合物基泡沫材料的應變隨溫度變化的應變-溫度曲線，由該曲線便可得出待測聚合物基泡沫材料的線膨脹系數。
所使用的位移傳感器的結構包括一鉗形主體100，該鉗形主體100包括一金屬材質的矩形本體1和沿該矩形本體1對稱的兩側面向同一方向延伸的具有一厚度的金屬材質的鉗臂11和鉗臂22；還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在鉗臂11和鉗臂22靠近矩形本體1根部內外兩側面上的電阻應變片R1，R2，R3和R4，所述電阻應變片R1，R2，R3和R4的電阻值相同，并相互連接成惠斯通橋；
所述相互連接成惠斯通橋的所述電阻應變片R1，R2，R3和R4的連接引線分別與應變儀電連接；該位移傳感器的鉗臂11與鉗臂22之間間距為5-20mm。
所使用的位移傳感器的電阻應變片(R1，R2，R3和R4)電阻值在90-350Ω之間。
所使用的位移傳感器還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在矩形本體1外側面上的接線板3，4，所述相互連接成惠斯通橋的電阻應變片R1，R2，R3和R4的連接引線分別固定在接線板3，4之后，再與應變儀電連接。
本方法利用惠斯通橋式測量電路的原理如下圖2所示ΔUDB=EKs4(ϵ1-ϵ2+ϵ3-ϵ4)]]>ϵi=ΔRR=[(1+2μ)+m(1-2μ)]Δll=KsΔll]]>ΔUDB為輸出電壓變化，式中E為電源電壓，Ks為電阻片的靈敏系數，R為電阻值，ΔR為電阻變化，l是電阻絲長度，Δ1為電阻絲長度變化，μ為電阻絲的泊桑系數，m為與材料相關的常數，εi(i＝1，2，3，4)為代數量，一般定義拉應變?yōu)檎?，壓應變?yōu)樨摗Ｍㄟ^采集電路的輸出電壓并轉化為相應的電信號就可計算出被測量材料的線膨脹系數。
此式為線膨脹系數的最終計算公式，其中ΔT為溫度變化量，εi’＝εi/Ks。
位移傳感器利用上述原理進行測量，但在使用前需經過嚴格標定，在室溫、77K和4.2K下標定結果表明其20mm標距的位移傳感器線性范圍可達3mm，檢驗其離散度＜1％，溫度靈敏度系數(CL/RT)在1.02-1.04之間，性能符合要求，可在4.2K-300K寬溫區(qū)范圍使用。
采用低溫位移傳感器測量過程中，其位移傳感器可進行微應變測量，利用數字電壓表可進行溫度監(jiān)控。在實驗過程中，當沿標距方向平行安裝的位移傳感器受到材料因形變而產生的夾持力時，位移傳感器兩臂內外的電阻應變片將位移的機械量轉變?yōu)殡娏?，電橋的輸出信號經放大后由計算機采集，通過上述計算公式可得到材料的線膨脹系數。
采用標定后的位移傳感器可有效的測量材料在室溫至液氦溫區(qū)的變形。將裝卡好傳感器的待測試樣放置于力學測量容器中的某一高度上，并被包圍在紅外電爐制成的熱屏中，以確保它們處于同一溫度環(huán)境。試驗中采用紅外電爐來調節(jié)試件溫度，電爐加熱由DH1718電源控制，溫度信號由數字電壓表監(jiān)控。電阻應變儀得到的微應變信號通過高精度、高靈敏的應變測量設備TRX儀器連接到計算機上控制采集。
本方法是使用適用于室溫至低溫下(甚至極低溫)環(huán)境的高精度位移傳感器，該位移傳感器體積小、重量輕、造價低、性能穩(wěn)定；本方法在此基礎上，對其技術原理及適宜范圍等進行了全面分析，建立了一套測量低溫下非均質材料線脹系數的方法。此方法尤其對非均質材料的整體變形測量精度高、數據穩(wěn)定可靠，且具有操作簡單、對被測試件尺寸要求可適當調整等特點。采用低溫位移傳感器不僅實現了在極低溫度條件下的變形測量，而且對于研究材料在特殊環(huán)境下的結構設計和構件安全使用都具有重要的意義。該方法可安全、可靠地測得材料尤其是聚合物基泡沫材料在寬溫區(qū)(4.2K-300K)的線膨脹系數。


圖1為本發(fā)明的方法所使用的位移傳感器的結構示意圖；圖2為位移傳感器的惠斯通橋電路的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的方法測試待測材料B的示意具體實施例方式用位移傳感器測量材料的線膨脹系數過程如下在待測試樣的測量區(qū)內粘接適于安裝位移傳感器的刀口，使位移傳感器能準確地安裝在指定的標距內，與夾具刀口結合牢固，持力適度，保證其具有足夠的量程和靈敏度、穩(wěn)定性和重復性，在某一溫度下的電阻應變儀其輸出應變與位移有線性關系，因此引伸計在低溫環(huán)境中使用時需進行標定。
對于線膨脹試樣，夾具刀口間距離以恰好能固定電阻應變儀為宜；安裝好后，將試樣放置在可控的絕熱容器中，位移傳感器的惠斯通橋的四條引線按規(guī)則接入電阻應變儀并連到計算機；測試時通過計算機上的相關軟件實時采集應變-溫度關系，并由此得到材料在低溫下的線膨脹系數。
線膨脹系數的測量可在不同溫區(qū)范圍內進行，液氮、液氫溫區(qū)測量在配備的低溫容器上進行，液氮溫度由制冷劑液氮提供，液氫溫度由制冷劑液氦并結合我們的控溫系統(tǒng)實現。
線膨脹試樣形狀可為長方體，圓柱體等，尺寸大小只需滿足傳感器的測量范圍即可，用傳感器可分別測量(如長方體)三維方向上的線膨脹系數。
實施例1如圖3所示利用位移傳感器測量一種PEI泡沫塑料室溫至液氫溫區(qū)線膨脹系數，得到以下結果表1一種PEI泡沫材料300K-20K線膨脹系數

實施例2利用位移傳感器測量一種PU泡沫塑料室溫至液氫溫區(qū)線膨脹系數，得到以下結果表2一種PU泡沫材料300K-20K線膨脹系數

實施例3利用位移傳感器測量一種B類試樣泡沫塑料室溫至液氫溫區(qū)線膨脹系數，得到以下結果表3一種PEI泡沫材料300K-20K線膨脹系數

權利要求
1.一種用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，包括如下步驟1)將待測的聚合物基泡沫材料的測量區(qū)固定在位移傳感器兩鉗臂的端部之間，并一起置入4.2-300K溫區(qū)中；2)將位移傳感器中的相互連接成惠斯通橋的電阻應變片的連接引線分別與電阻應變儀連接，電阻應變儀與計算機相連接；3)待測聚合物基泡沫材料在所處的溫區(qū)中隨溫度的變化而發(fā)生變形，位移傳感器的兩鉗臂間隨位于其間的聚合物基泡沫材料的變形而產生夾持力，其惠斯通橋的電阻應變片將變形的位移機械量轉換為電量，電阻應變儀將惠斯通橋的輸出信號經放大后，輸入給計算機，由計算機進行處理并繪制出該待測聚合物基泡沫材料的應變隨溫度變化的應變—溫度曲線，由該曲線便可得出待測聚合物基泡沫材料的線膨脹系數。
2.按權利要求1所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器的結構包括一鉗形主體(100)，該鉗形主體(100)包括一金屬材質的矩形本體(1)和沿該矩形本體(1)對稱的兩側面向同一方向延伸的具有一厚度的金屬材質的鉗臂(11)和鉗臂(22)；還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在鉗臂(11)和鉗臂(22)靠近矩形本體(1)根部內外兩側面上的電阻應變片(R1，R2，R3和R4)，所述電阻應變片(R1，R2，R3和R4)的電阻值相同，并相互連接成惠斯通橋；所述相互連接成惠斯通橋的所述電阻應變片(R1，R2，R3和R4)的連接引線分別與應變儀電連接。
3.按權利要求2所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器的鉗臂(11)與鉗臂(22)之間間距為5-20mm。
4.按權利要求2所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器的電阻應變片(R1，R2，R3和R4)電阻值在90-350Ω之間。
5.按權利要求2所述的用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法，其特征在于，所使用的位移傳感器還包括用耐低溫環(huán)氧膠粘貼在矩形本體(1)外側面上的接線板(3，4)，所述相互連接成惠斯通橋的電阻應變片(R1，R2，R3和R4)的連接引線分別固定在接線板(3，4)之后，再與應變儀電連接。
全文摘要
一種用位移傳感器測量聚合物基泡沫材料線膨脹系數的方法首先將待測材料的測量區(qū)固定在位移傳感器兩鉗臂的端部間，并置入4.2－300K溫區(qū)中；再將傳感器中的相互連接成惠斯通橋的電阻應變片的連接引線與電阻應變儀連接，電阻應變儀與計算機相連；待測材料在所處的溫區(qū)中隨溫度變化而發(fā)生變形，位移傳感器兩鉗臂間隨待測材料的變形而產生夾持力，惠斯通橋的電阻應變片將變形的位移量轉換為電量，電阻應變儀將惠斯通橋的輸出信號放大后傳給計算機，計算機進行處理并繪制出該待測材料的應變隨溫度變化的曲線，由該曲線便可得出待測材料的線膨脹系數。該方法安全、可靠，適宜測量聚合物基泡沫材料在寬溫區(qū)的線膨脹系數。
文檔編號G01B7/16GK1779452SQ20041000983
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權日2004年11月22日
發(fā)明者付紹云, 潘勤彥, 黃傳軍, 趙立中 申請人:中國科學院理化技術研究所