光學(xué)投影法高溫?zé)崤蛎泝x

一、簡(jiǎn)介

依陽(yáng)公司的CTE 101 光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x是一種非接觸式材料膨脹和收縮性能測(cè)試儀器，采用了非接觸位移光學(xué)投影測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高溫甚至超高溫（2500℃以上）條件下的線性位移和變形測(cè)量。 依陽(yáng)公司的CTE 101 光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x采用得是試樣直立束縛式結(jié)構(gòu)，規(guī)避了目前國(guó)內(nèi)外水平試樣無(wú)約束結(jié)構(gòu)存在的試樣位置移動(dòng)問(wèn)題，使得測(cè)試結(jié)果更可靠更準(zhǔn)確。 光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x是依陽(yáng)公司采用非接觸光學(xué)投影測(cè)量技術(shù)的自主研發(fā)產(chǎn)品，使得光學(xué)熱膨脹測(cè)量?jī)x器更具有擴(kuò)展性，可以根據(jù)不同要求和技術(shù)指標(biāo)建立起相應(yīng)的光學(xué)非接觸熱膨脹測(cè)試設(shè)備。

光學(xué)投影系統(tǒng)中的光源配備的是高強(qiáng)度氮化鎵綠色 LED，綠色光束均勻且安全并只含有極少雜波，即使在高溫物體發(fā)光的背景中也能產(chǎn)生的解析度。綠色 LED 點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)形成平行光束，有效的防止了目標(biāo)物位置改變而造成鏡頭放大倍率地波動(dòng)，并可確保測(cè)量精度。光學(xué)探測(cè)器采用了高速CCD可以獲得的采樣速度，目標(biāo)物觀測(cè)器采用了CMOS 影像傳感器，可提供逼真的樣品影像和小巧的外形。

為了保證高溫和超高溫的實(shí)現(xiàn)以及光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，依陽(yáng)公司的CTE 101光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x配備了恒溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使得試樣的起始溫度和光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的工作溫度總是保持恒定，有效提高了測(cè)量精度和測(cè)試數(shù)據(jù)的規(guī)范性。

光學(xué)高溫?zé)崤蛎洔y(cè)試原理圖

二、技術(shù)指標(biāo)

（1）試樣高度： 1～30mm。

（2）試樣截面尺寸： （矩形）3×3~10×10mm 或（圓形）φ3~φ10mm。

（3）長(zhǎng)度變化范圍： 29mm。

（4）長(zhǎng)度測(cè)量精度：±2 μm。

（5）長(zhǎng)度測(cè)量重復(fù)性：±0.5μm

（6）采樣速度：2000次/秒。

（7）溫度范圍：RT~1400℃（其它溫度范圍需要定制，溫度可到-180℃，溫度可到3000℃）。

（8）氣氛環(huán)境：真空、空氣和惰性氣體。

三、特點(diǎn)

1. 依陽(yáng)公司的CTE 101光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x，由于采用了光學(xué)投影法這種非接觸測(cè)量方法，并配套了相應(yīng)的真空系統(tǒng)，基本上可以實(shí)現(xiàn)任何溫度范圍和任何氣氛環(huán)境下的材料熱膨脹性能測(cè)量，可以測(cè)量大多數(shù)材料的熔點(diǎn)，而且可以測(cè)量試樣在化學(xué)反應(yīng)和變化過(guò)程中的熱膨脹性能，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于燒蝕類復(fù)合材料的熱膨脹性能評(píng)價(jià)尤為重要。為了提高300℃以下的熱膨脹測(cè)量精度，加熱方式可以采用流體加熱方式，如水浴、油浴。

2. 依陽(yáng)公司的CTE 101光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x，采用的是束縛式豎直試樣安裝方式，避免了熱應(yīng)力對(duì)試樣位置偏移的影響，保證了試驗(yàn)的可靠性和測(cè)量精度。試樣的起始長(zhǎng)度自動(dòng)測(cè)量和保存，便于線性熱膨脹系數(shù)的計(jì)算。

3. 束縛式豎直式試樣安裝方式，結(jié)合相應(yīng)的透明容器，可以實(shí)現(xiàn)液體、粉體、膏狀物和固液相變轉(zhuǎn)換過(guò)程中測(cè)量。

4. 光學(xué)投影法具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，除了可以滿足線性位移變形的測(cè)量需要外，還可以對(duì)面內(nèi)變形和位移進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)材料的軟化點(diǎn)，球狀、半球狀及融化溫度及粘度的測(cè)量，具備了高溫顯微鏡的功能。同時(shí)，可以通過(guò)擴(kuò)展光束的方法實(shí)現(xiàn)超大尺寸試樣的測(cè)量。

5. 采用了人機(jī)界面操作系統(tǒng)，使得整個(gè)儀器的集成化程度更高操作更簡(jiǎn)便，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在U盤(pán)內(nèi)，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

四、應(yīng)用

1. 依陽(yáng)公司CTE 101光學(xué)高溫?zé)崤蛎泝x常溫下穩(wěn)定性性考核試驗(yàn)

真空腔體和探測(cè)器水冷溫度控制設(shè)定為20℃，穩(wěn)定性考核試驗(yàn)4天。

2. 國(guó)內(nèi)外光學(xué)投影法位移測(cè)量應(yīng)用中存在的誤區(qū)

（1）測(cè)試過(guò)程中“被測(cè)試樣處于無(wú)接觸力狀態(tài)”的誤區(qū)

目前國(guó)際市場(chǎng)上的光學(xué)投影法熱膨脹儀，被測(cè)試樣都是水平放置形式，試樣安裝和固定所采用的方法是簡(jiǎn)單的將試樣直接放置在均勻加熱區(qū)域內(nèi)，并不進(jìn)行任何約束，由此測(cè)量的是試樣與平行光正交的截面內(nèi)的試樣長(zhǎng)度。

水平放置試樣的優(yōu)點(diǎn)是試樣整體的溫度相對(duì)比較均勻，減少了重力對(duì)溫度場(chǎng)的影響。但這種均勻并不是的并有前提條件，由于不同試樣材料的熱導(dǎo)率不同，在溫度變化過(guò)程中試樣上還是照樣會(huì)存在溫度梯度，溫度的均勻性只是體現(xiàn)在恒溫狀態(tài)下會(huì)更好。

在測(cè)試過(guò)程中，只要試樣上存在溫度梯度就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而這個(gè)熱應(yīng)力往往會(huì)使得試樣發(fā)生無(wú)法預(yù)料的扭曲和不規(guī)則變形，而這些扭曲和不規(guī)則變形則會(huì)改變被測(cè)試樣的原始放置位置，體現(xiàn)在測(cè)試曲線上就是會(huì)產(chǎn)生跳變。如果發(fā)生微小的跳變，就說(shuō)明測(cè)試是失敗的。

根據(jù)我們大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象更多的是發(fā)生在復(fù)合材料和非均質(zhì)材料的熱膨脹性能測(cè)量中。依據(jù)我們多年的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，任何熱膨脹測(cè)試過(guò)程中，無(wú)論試樣是水平還是豎直放置，無(wú)論是采用頂桿法還是非接觸測(cè)量方法，被測(cè)試樣必須進(jìn)行適當(dāng)約束，使得試樣只在所關(guān)心的方向上發(fā)生變形，而在其它方向上受到一定的約束。

（2）光學(xué)投影法測(cè)量位移是一種法的誤區(qū)

光學(xué)投影法是基于激光掃描法發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)量方法，激光掃描法是通過(guò)測(cè)量激光掃描速度和激光掃描通過(guò)試樣兩個(gè)端面所需要的時(shí)間來(lái)計(jì)算獲得試樣兩個(gè)端面的長(zhǎng)度。速度和時(shí)間的測(cè)量可以進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)和標(biāo)定，可以進(jìn)行計(jì)量溯源，因此，激光掃描法是一種測(cè)量方法。

光學(xué)投影法則是通過(guò)平行光投射到試樣后所形成的陰影，陰影經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后成像到光電探測(cè)器上，由光電探測(cè)器檢測(cè)陰影邊緣并進(jìn)行軟硬件細(xì)分處理后，最終得到兩個(gè)陰影邊緣之間的距離。由此可見(jiàn)，光學(xué)投影法測(cè)量出的陰影長(zhǎng)度是由光學(xué)聚焦縮小倍數(shù)、探測(cè)器物理單元分辨率和軟件細(xì)分系數(shù)等眾多物理量相乘的結(jié)果，而這些物理量并沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何形式的計(jì)量校準(zhǔn)，探測(cè)器的測(cè)量不確定也僅僅是對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行標(biāo)定獲得，而不是用覆蓋量程范圍的標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行標(biāo)定。

非接觸光學(xué)方法測(cè)試位移和變形的測(cè)試方法只有激光掃描法和激光干涉法。

五、應(yīng)用報(bào)告

（1）金屬粉末注射成型：成型工藝中燒結(jié)變形的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)需求

（2）混凝土公路設(shè)計(jì)中的熱膨脹系數(shù)

（3）美國(guó)重大事故——美國(guó)混凝土熱膨脹系數(shù)測(cè)試方法重大錯(cuò)誤的驗(yàn)證和分析

（4）低溫環(huán)境混凝土熱膨脹系數(shù)測(cè)試技術(shù)研究