一種利用激光測(cè)量材料熱膨脹系數(shù)的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用激光測(cè)量材料熱膨脹系數(shù)的裝置及方法，將具有反射面非透光材料或上下表面均鍍半透半反膜透光材料樣品放入加熱爐加熱，同時(shí)將一束激光利用PBS分為P光和S光，P光照射到非透光樣品表面反射或透光樣品上下表面半透半反膜反射，兩次經(jīng)過1/4波長玻片轉(zhuǎn)化為S光，非透光樣品轉(zhuǎn)化的S光與前S光或透光樣品上下表面經(jīng)過半透半反膜反射轉(zhuǎn)化兩束S光發(fā)生干涉，檢測(cè)干涉后反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到樣品反射光功率與溫度曲線，線性熱膨脹系數(shù)α＝ΔL/(L*ΔT)，T1和T2為曲線中相鄰反射光功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)溫度值，ΔT＝T2-T1；L為樣品厚度，ΔL為樣品受熱膨脹后形變距離；樣品熱膨脹系數(shù)α＝N*λ/(L*ΔT)，N為反射光功率兩個(gè)最大值之間變化周期數(shù)，λ為入射激光波長。
【專利說明】一種利用激光測(cè)量材料熱膨脹系數(shù)的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料熱學(xué)性能測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用激光干涉來測(cè)量透明和非透明材料的熱膨脹系數(shù)的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前常用的熱膨脹系數(shù)測(cè)量方法主要分為機(jī)械式和光學(xué)干涉式兩種。其中機(jī)械式測(cè)量是一種非絕對(duì)測(cè)量方法，該法屬于接觸式測(cè)量，由于機(jī)械應(yīng)力的存在，使得該方法的測(cè)量準(zhǔn)確度不高；而光學(xué)干涉法雖測(cè)量精度比機(jī)械法有所提高，但測(cè)試樣品的范圍受到限制，如邁克爾遜干涉法測(cè)量的樣品為非透明材料，而中國的另外一項(xiàng)發(fā)明專利201110004414.8 “一種熱膨脹系數(shù)的測(cè)量方法及裝置”中所示的測(cè)量方法只能檢測(cè)透光材料的熱膨脹系數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種既能檢測(cè)透明材料的熱膨脹系數(shù)，又能檢測(cè)非透明材料的熱膨脹系數(shù)的裝置及方法，該方法屬于光學(xué)干涉式的測(cè)量方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0005]一種利用激光測(cè)量材料熱膨脹系數(shù)的裝置，包括兩個(gè)偏振分束器(PBS)、加熱爐、兩個(gè)反光鏡、一個(gè)1/4波長的玻片、一個(gè)凸透鏡、一個(gè)光功率傳感器，其特征在于:兩個(gè)PBS垂直放置在同一豎直平面內(nèi)，第二個(gè)PBS下方放置一個(gè)1/4波長的玻片，兩個(gè)反光鏡分別與水平面成45度放置，每個(gè)反光鏡與一個(gè)PBS對(duì)應(yīng)，凸透鏡放置在兩個(gè)PBS —側(cè)并能使2束通過PBS的光束聚焦，凸透鏡的焦點(diǎn)位置放置光功率傳感器，加熱爐位于1/4波長的玻片下方；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光依次經(jīng)過第一個(gè)反光鏡、第二個(gè)反光鏡后入射到第二個(gè)PBS后反射到第一個(gè)PBS，經(jīng)第一個(gè)PBS反射入射到凸透鏡；P光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的待測(cè)非透光材料表面進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為另一束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)非透光材料的反射光功率與溫度的曲線。
[0006]本發(fā)明還包括一塊擋光板，擋光板放置在第一反光鏡與第一個(gè)PBS之間；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光被擋；P光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的待測(cè)透光材料上下表面的半透半反膜分別進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為兩束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射入射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)透光材料的反射光功率與溫度的曲線。
[0007]利用所述的裝置測(cè)量非透光材料熱膨脹系數(shù)的方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行:將一個(gè)具有反射面的非透光材料樣品放入加熱爐加熱，同時(shí)將一束激光入射，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，第一束S光依次經(jīng)過第一個(gè)反光鏡、第二個(gè)反光鏡后入射到第二個(gè)PBS后反射到第一個(gè)PBS，經(jīng)第一個(gè)PBS反射入射到凸透鏡；P光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的樣品表面進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為另一束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)非透光材料的反射光功率與溫度的曲線，線性熱膨脹系數(shù)α的定義公式:
[0008]α = Δ L/ (L* Δ Τ) (I)
[0009]Tl和Τ2分別為反射光功率與溫度的曲線中相鄰反射光功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值，ΔΤ = Τ2-Τ1山為樣品的厚度，Λ L為樣品受熱膨脹的形變距離；關(guān)于AL根據(jù)光的干涉原理得出，由相干條件可知，當(dāng)?shù)谝皇瓷涔夂偷诙瓷涔獾墓獬滩瞀?s為半波長λ /2
的偶數(shù)倍(2Ν，Ν = 0, I, 2......)時(shí),兩列光相干相長,反射光功率最大；當(dāng)下表面反射出射光和上表面反射光的光程差Λ s為半波長λ /2的奇數(shù)倍(2Ν+1，N = O, I, 2……)時(shí)，兩列光相干相消，反射光功率最?。挥纱丝梢缘贸?，當(dāng)相鄰兩個(gè)光功率最大的時(shí)候，AL=A ； AL為入射激光的波長入;
[0010]樣品的熱膨脹系數(shù)α公式為:
[0011]α = N* λ / (L* Δ Τ) (2)
[0012]其中N為反射光功率兩個(gè)最大值之間的變化周期數(shù)，λ為入射激光的波長。
[0013]利用所述的裝置測(cè)量透光材料熱膨脹系數(shù)的方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行:將一個(gè)待測(cè)透光材料上下表面均鍍半透半反膜樣品放入加熱爐加熱，同時(shí)將一束激光入射第一個(gè)PBS后分為一束P光和第一束S光，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光被擋；Ρ光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的待測(cè)透光材料上下表面的半透半反膜分別進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為兩束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射入射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)透光材料的反射光功率與溫度的曲線，線性熱膨脹系數(shù)α的定義公式:
[0014]α = Δ L/ (L* Δ Τ) (I)
[0015]Tl和Τ2分別為反射光功率與溫度的曲線中相鄰反射光功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值，AT = Τ2-Τ1山為樣品的厚度，Λ L樣品受熱膨脹后的形變距離；
[0016]樣品的熱膨脹系數(shù)α公式為:
[0017]α = N* λ / (L* Δ Τ) (2)
[0018]其中N為反射光功率兩個(gè)最大值之間的變化周期數(shù)，λ為入射激光的波長。
[0019]本發(fā)明既能檢測(cè)透明材料的熱膨脹系數(shù)，又能檢測(cè)非透明材料的熱膨脹系數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的測(cè)非透光材料的光路示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明的測(cè)透光材料的光路示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明的鋁非透光材料的反射光功率——溫度曲線圖。
[0023]圖4為本發(fā)明的玻璃透光材料的反射光功率——溫度曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0025]當(dāng)待測(cè)樣品為非透明材料時(shí)，其具體光路如圖1所示:
[0026]其中光路I代表射入的激光，2代表激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的S光，3代表激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的P光，4代表P光先后經(jīng)過2次1/4波長的玻片后變成的另一束S光。5代表凸透鏡，將2束光聚焦；6代表光功率傳感器，將光功率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；7代表第一個(gè)PBS，將入射光分成P光和S光；8和9代表反光鏡，將S光反射到10上；10代表第二個(gè)PBS ; 11代表1/4波長玻片，12代表非透光材料。
[0027]當(dāng)待測(cè)樣品為透明材料時(shí)，只需將激光經(jīng)過第一個(gè)PBS7后分出的S光2用擋光板14遮擋，如圖2所示:光束I代表入射激光，光束2代表入射激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分離出來的S光，光束3代表入射激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分離出來的P光，光束4代表光束3兩次經(jīng)過1/4波長玻片后轉(zhuǎn)化成的另一束S光。
[0028]由上圖可知，與圖1相比，圖2多了一個(gè)擋光板，使得S光2無法進(jìn)入光功率傳感器中。而待測(cè)透明材料13的上下表面各鍍了一層半透半反的膜，當(dāng)P光束3照射該樣品時(shí)，會(huì)在其上下表面各形成一束反射光，當(dāng)材料受熱膨脹時(shí)，上下表面的距離會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)這2束反射光會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的光程差，當(dāng)這2束光發(fā)生干涉時(shí)，由光的相干原理可知，當(dāng)光程差是光半個(gè)波長的奇數(shù)倍時(shí)，光功率最小，當(dāng)光程差是半個(gè)波長的偶數(shù)倍時(shí)，光功率最大，故可以得到一個(gè)光功率隨溫度變化而變化的正弦波曲線，樣品的熱膨脹系數(shù)為:
[0029]α = N* λ / (L* Δ Τ) (2)
[0030]其中N為2個(gè)光功率最大點(diǎn)之間的周期數(shù)，λ為激光波長，L為樣品的厚度，AT為這2個(gè)光功率最大點(diǎn)之間的溫度差。
[0031]實(shí)施案例
[0032]對(duì)于不透明材料，我們選用鋁來做為待測(cè)材料，將鋁片放入加熱爐的載物臺(tái)，啟動(dòng)激光器，經(jīng)過鋁片上表面的反射光通過共功率傳感器傳至數(shù)據(jù)處理器；啟動(dòng)加熱爐，設(shè)定加熱程序，爐腔中的熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器將得到的反射光功率和溫度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)后作出反射光功率——溫度曲線。
[0033]圖3為該鋁片經(jīng)本測(cè)試系統(tǒng)得到的從室溫20°C到250°C的反射光功率——溫度曲線，鋁片的厚度為1.6mm，從圖中可以看出，分別在100.9°C，118.2°C, 135.3°C, 150.7°C，165.1°C，180.2°C溫度處出現(xiàn)反射光功率的峰值，選取兩相鄰峰值對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間，公式(2)中N = 1，并由公式(2)計(jì)算得到該載玻片在各溫度區(qū)間熱膨脹系數(shù)，結(jié)果如下表:
[0034]表I 一種鋁樣品在各溫度區(qū)間的熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果
[0035]
溫度區(qū)間 101.1-~ 117.9-~ 135.3-~ 150.7-~ 165.2-^
(0C ) 117.9 135.3 150.7 165.2 180.2
熱膨脹系I 92 1.94 2.16 2.31 2, 21
數(shù)(χ?ο'7 °C )
[0036]普通鋁片的熱膨脹系數(shù)為1.88 - 2.36X10_5/°C，用本發(fā)明測(cè)量方法得的結(jié)果與之較為吻合。本發(fā)明測(cè)量方法還能準(zhǔn)確測(cè)量不同溫度區(qū)間的熱膨脹系數(shù)，測(cè)量結(jié)果可以從圖中直觀顯示。
[0037]對(duì)于透明材料，我們用普通玻璃來測(cè)試:玻璃厚度為4_，得到的從室溫20°C到250 V的反射光功率——溫度曲線，從圖4中可以看出，分別在56.3 °C，72.6 °C，88.5 °C，105.5°C, 121.3°C, 137.7°C, 154°C, 169.4°C溫度處出現(xiàn)反射光功率的峰值，選取兩相鄰峰值對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間，并由公式(2)計(jì)算得到該載玻片在各溫度區(qū)間熱膨脹系數(shù)，結(jié)果如下表:
[0038]表1 一種玻璃樣品在各溫度區(qū)間的熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果
[0039]

【權(quán)利要求】
1.一種利用激光測(cè)量材料熱膨脹系數(shù)的裝置，包括兩個(gè)偏振分束器(PBS)、加熱爐、兩個(gè)反光鏡、一個(gè)1/4波長的玻片、一個(gè)凸透鏡、一個(gè)光功率傳感器，其特征在于:兩個(gè)PBS垂直放置在同一豎直平面內(nèi)，第二個(gè)PBS下方放置一個(gè)1/4波長的玻片，兩個(gè)反光鏡分別與水平面成45度放置，每個(gè)反光鏡與一個(gè)PBS對(duì)應(yīng)，凸透鏡放置在兩個(gè)PBS —側(cè)并能將兩束通過PBS的光束聚焦，凸透鏡的焦點(diǎn)位置放置光功率傳感器，加熱爐位于1/4波長的玻片下方；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光依次經(jīng)過第一個(gè)反光鏡、第二個(gè)反光鏡后入射到第二個(gè)PBS后反射到第一個(gè)PBS，經(jīng)第一個(gè)PBS反射入射到凸透鏡；P光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的待測(cè)非透光材料表面進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為另一束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)非透光材料的反射光功率與溫度的曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光測(cè)量材料熱膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于:還包括一塊擋光板，擋光板放置在第一反光鏡與第一個(gè)PBS之間；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光被擋；P光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的待測(cè)透光材料上下表面的半透半反膜分別進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為兩束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射入射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)透光材料的反射光功率與溫度的曲線。
3.利用權(quán)利要求1所述的裝置測(cè)量非透光材料熱膨脹系數(shù)的方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行:將一個(gè)具有反射面的非透光材料樣品放入加熱爐加熱，同時(shí)將一束激光入射，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光依次經(jīng)過第一個(gè)反光鏡、第二個(gè)反光鏡后入射到第二個(gè)PBS后反射到第一個(gè)PBS，經(jīng)第一個(gè)PBS反射入射到凸透鏡；P光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的樣品表面進(jìn)行反射后再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為另一束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)非透光材料的反射光功率與溫度的曲線，線性熱膨脹系數(shù)α的定義公式:
α = Δ L/ (L* Δ Τ) (I) Tl和Τ2分別為反射光功率與溫度的曲線中相鄰反射光功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值，ΔΤ=Τ2-Τ1山為樣品的厚度，Λ L為樣品受熱膨脹的形變距離； 根據(jù)光干涉原理可知樣品的熱膨脹系數(shù)α公式為:
α = N* λ / (L* Λ Τ) (2) 其中N為反射光功率兩個(gè)最大值之間的變化周期數(shù)，λ為入射激光的波長。
4.利用權(quán)利要求2所述的裝置測(cè)量透光材料熱膨脹系數(shù)的方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行:將一個(gè)待測(cè)透光材料上下表面均鍍半透半反膜樣品放入加熱爐加熱，同時(shí)將一束激光入射第一個(gè)PBS后分為一束P光和第一束S光，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一個(gè)PBS后分出的一束S光和P光，S光被擋；Ρ光依次透過第二個(gè)PBS和1/4波長的玻片到加熱爐內(nèi)的待測(cè)透光材料上下表面的鍍半透半反膜進(jìn)行反射反再次經(jīng)過1/4波長的玻片轉(zhuǎn)化為兩束S光，經(jīng)第二個(gè)PBS反射入射到凸透鏡，兩束S光發(fā)生干涉，光功率傳感器檢測(cè)干涉后的反射光功率，連續(xù)升溫測(cè)量，得到待測(cè)透光材料的反射光功率與溫度的曲線，線性熱膨脹系數(shù)α的定義公式:
α = Δ L/ (L* Δ Τ) (I) Tl和Τ2分別為反射光功率與溫度的曲線中相鄰反射光功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值，ΔΤ=Τ2-Τ1 ；L為樣品的厚度，AL為樣品受熱膨脹的形變距離； 根據(jù)光干涉原理可知樣品的熱膨脹系數(shù)α公式為: α = N* λ / (L* Λ Τ) (2) 其中N為反射光功率兩個(gè)最大值之間的變化周期數(shù)，λ為入射激光的波長。
【文檔編號(hào)】G01N25/16GK104198437SQ201410421128
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】王愿兵, 童浩, 張?chǎng)? 張雨, 李小平 申請(qǐng)人:武漢嘉儀通科技有限公司