一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置，包括：一激光光源、该激光光源的输出端接光纤耦合器的第一端，该光纤耦合器的第三端接光纤光栅波长解调模块，再依次串接光电转换模块、数据采集设备和工控机并设置在一机壳内；由光纤光栅传感头、待测材料棒材和可控高温炉组成光纤光栅固体材料热膨胀传感机构，所述的光纤光栅传感头用环氧聚酯将传感光栅两端的光纤固定在待测材料棒材自由端的铸云母和固定在法兰盘上的铸云母上构成，所述的待测材料棒材固定在可控高温炉腔内；所述的光纤耦合器的第二端接所述的传感光栅的光纤。本发明专利技术可以实现高温状态下的热膨胀系数测试，具有可靠性高、成本低、测量速度快等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤光栅，特别是一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置。主要应用于不同固体材料线性热膨胀系数的测试标定。
技术介绍
热膨胀系数是用以表明材料本身受热变形的固有属性。热膨胀系数是工程设计、精密仪器制造、材料焊接和加工中必须考虑的重要参数，又由于热膨胀系数是温度的函数，其具体数值会随着温度的变化而改变，如果仅仅采用手册上给定的平均线膨胀系数进行设计计算将会带来明显的误差。对于高精密的机械设计，必须通过实际测量在一定温度条件下待测材料的的热膨胀系数，才能获取确切可靠的设计数据。目前测试固体材料热膨胀系数的方法有光杠杆法、云纹法、劈尖法、激光扫描微测法、电子散斑法以及光纤光栅法等等。我们发现现有技术在不同程度上都存在着固有的缺陷和不足。例如光杠杆法测试的温度范围小，分辨率低；云纹法要求在测试表面刻蚀精确的光栅，工艺要求高，对被测试件的质地要求也高，同时其光路要求复杂；激光扫描测微法和电子散斑法对实验平台的要求较高，抗干扰能力弱；现有的光纤光栅法，将光栅固定于试件表面一起加热，一种方法在理论上考虑到了光栅热膨胀效应和热光效应，另一种方法在光栅旁边的一段光纤上镀上金属覆层以补偿光纤的热膨胀效应，虽然这两种方案都基本保证了测试的精度，但是将光栅与被测试件一起加热，不可能实现高温段的测试，而且势必将影响光栅的工作寿命。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的缺陷和不足，提出一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置，此装置可以实现高温状态下的热膨胀系数测试，具有可靠性高、成本低、测量速度快等优点。本专利技术的技术解决方案如下 一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置，包括一激光光源、该激光光源的输出端接光纤耦合器的第一端，该光纤耦合器的第三端接光纤光栅波长解调模块，再依次串接光电转换模块、数据采集设备和工控机并设置在一机壳内；由光纤光栅传感头、待测材料棒材和可控高温炉组成光纤光栅固体材料热膨胀传感机构，所述的光纤光栅传感头用环氧聚酯将传感光栅两端的光纤固定在待测材料棒材自由端的铸云母和固定在法兰盘上的铸云母上构成，所述的待测材料棒材固定在可控高温炉腔内；所述的光纤耦合器的第二端接所述的传感光栅的光纤。本专利技术的工作原理是固定在可控高温炉炉腔内的待测材料棒材受热膨胀，由于待测材料棒的一端固定，所以受热后待测材料棒向自由端膨胀。光纤光栅固定在待测材料棒的自由端的铸云母和固定在法兰盘上的铸云母上，待测材料棒受热膨胀进而拉伸光纤光栅，光纤光栅的中心波长漂移量Δλ由如下公式表示ΔλBλB=(1-Pc)ΔLLf---(1)]]>ΔL＝αL (2)其中λB为光纤光栅中心波长，Pe是有效弹光系数，ΔL是棒材的伸长量，Lf为两固定点之间的光纤长度(包括光栅)，α为材料的线性热膨胀系数，L为棒材的长度，所以可得α=ΔλBλBLf(1-Pc)L---(3)]]>由此可知，只要解调出光纤光栅的中心波长漂移量ΔλB，即可以由式3求得该固体材料的线性热膨胀系数。本专利技术突出的优点是1.避免传感光栅随被测试件一起加热，实现了高温状态下热膨胀系数测试的可能，并保证了光栅的工作寿命。2.可以实现对任意设置的温度区间进行热膨胀系数的测试显示3、光纤光栅技术成熟，性能稳定，价格低廉，易于推广应用。附图说明图1为本专利技术光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置的结构2为本专利技术装置中光纤光栅固体材料热膨胀传感机构结构中1-激光光源、2-光纤耦合器、3-光纤光栅固体材料热膨胀传感机构、4-光纤光栅波长解调模块、5-光电转换模块、6-数据采集设备、7-工控机、8-机壳、9-可控高温炉、10-待测材料棒材、11-光纤光栅传感头、12-炉腔、13-电热丝、14-法兰盘、15-隔热玻璃套管、16-铸云母、17-铸云母、18-传感光栅、19-陶瓷云母片，20-环氧聚酯固定点。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术进行详细描述先请参阅图1和图2，由图可见，本专利技术光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置包括一激光光源1，该激光光源1的输出端接光纤耦合器2的第一端21，该光纤耦合器2的第三端23接光纤光栅波长解调模块4，再依次串接光电转换模块5、数据采集设备6和工控机7并设置在一机壳8内；由光纤光栅传感头11、待测材料棒10和可控高温炉9组成光纤光栅固体材料热膨胀系数传感机构3，所述的光纤光栅传感头11是用环氧聚酯20将传感光栅18的两端固定在待测材料棒材10自由端的铸云母16和固定在法兰盘上的铸云母17上构成，所述的待测材料棒10固定在可控高温炉9的炉腔12内；所述的光纤耦合器2的第二端22接所述的传感光栅18的光纤。可控高温炉9通过电热丝13给炉腔12加热以升温或保持温度；待测材料棒10通过陶瓷云母片19被固定在炉腔12内；隔热玻璃套管15套在待测材料棒10的外面，其作用是使炉腔外的部分棒材和炉腔内的部分棒材同处于一个温度场下；固定在待测材料棒10自由端的铸云母16的端面和固定在法兰盘上的铸云母17的端面要保持在一个平面上，只有这样才能保证固定在上面的光纤光栅只受轴向应力且受力均匀。由于待测材料棒10的一端固定，所以受热后待测材料棒向自由端膨胀，从而拉伸光纤光栅，使中心波长产生漂移，光纤光栅波长解调模块4将所述的波长漂移解调成光强值的变化，光电转换模块5将光强值转化为电压值，数据采集设备6将该电压值转化为数字量并将其传送给工控机7，通过计算即可获得中心波长的漂移量，再通过公式3就可以计算出待测材料的线性热膨胀系数，并通过工控机的显示屏显示出来。本专利技术装置由于将传感光栅置于高温度场外，故可以实现高温状态下的线性热膨胀系数测试，并具有可靠性高、成本低、测量速度快等优点。权利要求1.一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于包括一激光光源(1)、该激光光源(1)的输出端接光纤耦合器(2)的第一端(21)，该光纤耦合器(2)的第三端(23)接光纤光栅波长解调模块(4)，再依次串接光电转换模块(5)、数据采集设备(6)和工控机(7)并设置在机壳(8)内；由光纤光栅传感头(11)、待测材料棒材(10)和可控高温炉(9)组成光纤光栅固体材料热膨胀传感机构(3)，所述的光纤光栅传感头(11)是用环氧聚酯(20)将传感光栅(18)的两端固定在待测材料棒材(10)自由端的铸云母(16)和固定在法兰盘上的铸云母(17)上构成的，所述的待测材料棒材(10)固定在可控高温炉(9)的炉腔(12)内；所述的光纤耦合器(2)的第二端(22)接所述的传感光栅(18)的光纤。全文摘要一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置，包括一激光光源、该激光光源的输出端接光纤耦合器的第一端，该光纤耦合器的第三端接光纤光栅波长解调模块，再依次串接光电转换模块、数据采集设备和工控机并设置在一机壳内；由光纤光栅传感头、待测材料棒材和可控高温炉组成光纤光栅固体材料热膨胀传感机构，所述的光纤光栅传感头用环氧聚酯将传感光栅两端的光纤固定在待测材料棒材自由端的铸云母和固定在法兰盘上的铸云母上构成，所述的待测材料棒材固定在可控高温炉腔内；所述的光纤耦合器的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤光栅固体材料热膨胀系数测试装置，其特征在于包括：一激光光源（１）、该激光光源（１）的输出端接光纤耦合器（２）的第一端（２１），该光纤耦合器（２）的第三端（２３）接光纤光栅波长解调模块（４），再依次串接光电转换模块（５）、数据 采集设备（６）和工控机（７）并设置在机壳（８）内；由光纤光栅传感头（１１）、待测材料棒材（１０）和可控高温炉（９）组成光纤光栅固体材料热膨胀传感机构（３），所述的光纤光栅传感头（１１）是用环氧聚酯（２０）将传感光栅（１８）的两端固定 在待测材料棒材（１０）自由端的铸云母（１６）和固定在法兰盘上的铸云母（１７）上构成的，所述的待测材料棒材（１０）固定在可控高温炉（９）的炉腔（１２）内；所述的光纤耦合器（２）的第二端（２２）接所述的传感光栅（１８）的光纤。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨熙春，裴金成，李俊，朱汝德，向世清，詹亚歌，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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