一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法及系统技术方案

一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法及系统，属于材料热学性能测试技术领域，解决了超低温环境下由于膜状材料强度差，不适合使用接触法测量、且其表面不平整，无法满足一般的光学方法的要求的问题；本发明专利技术的技术要点为：将待测材料处理后置于低温恒温器内部，当低温恒温器将样品降温至目标值且稳定后停机，开始同步记录并保存实时散斑图与温度值，测试结束后使用程序对散斑图进行做差处理以生成干涉图样，通过获取干涉图样中的平均条纹间距即可直接计算表面应变值，最终可以得到一系列的应变

【技术实现步骤摘要】
一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法及系统


[0001]本专利技术属于材料热学性能测试
，具体涉及材料热膨胀系数的检测


技术介绍

[0002]热膨胀系数是表征材料热物理性能的重要参数之一,是材料重要的力学和热学参数,对精密结构的设计具有重要意义。对于处在温度变化条件下的材料，其热膨胀系数将决定材料抗热震的能力、热应力的大小以及热致形变的程度，准确测量材料的热膨胀系数有重要的现实意义。
[0003]目前常用的热膨胀系数测量方法主要有顶杆膨胀法和迈克尔逊干涉法。其中顶杆膨胀法是一种非绝对测量方法，需要做进一步的标校工作，且该法属于接触式测量，杆与样品之间的机械应力会影响测试结果的准确性，因而其测试精度相对较低；迈克尔逊干涉法中产生干涉的两束光分别来自样品和标样的反射，标样以及样品台等部件不可避免的热膨胀将会影响测试精度，且其通过读干涉条纹数量的方法会引入随机误差，测试结果不直观，只能测量某个温区的平均热膨胀系数。
[0004]在目前的现有技术中，例如：中国专利技术专利“一种低温下材料热膨胀系数的测试装置和测试方法”(公开号CN 110146542 A，公开日2019.08.20)中所述的低温下材料热膨胀系数的测试方法使用电容位移传感器对材料的热膨胀系数进行测量，需使用真空泵保持环境的真空状态，但是真空泵工作过程中难免会出现轻微或者较强的抖动情况，会对测量结果有一定影响。
[0005]同时，因为多数材料在低温下强度较差，并不适合使用接触式测量方法；并且多数样品，尤其是膜状样品，由于其本身表面并不平整，无法满足一般的光学方法的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法及系统，解决了超低温环境下使用传统方法测量膜状材料的热膨胀系数时，由于膜状材料强度差，不适合使用接触法测量、且其表面不平整，无法满足一般的光学方法的要求，以及维持低温环境的低温恒温器在工作时有强烈的震动和不可忽略的刚性位移，许多在常温环境下使用的实验方法不能很好地实施的问题。
[0007].一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法，所述方法包括：
[0008]在真空环境下，将待测材料置于低温恒温器内，控制所述低温恒温器降温至最低温度，使得所述待测材料达到最低温度并保持稳定；
[0009]在所述待测材料表面斜射入两束相干光；
[0010]控制低温恒温器停止控温操作，使得待测材料自主升温直到室温，并在该过程中采集所述待测材料表面的散斑图像和温度获得多组数据，每组数据包含散斑图像和对应的
温度；
[0011]对获得的多组数据进行处理，得到所述待测材料的热膨胀系数。
[0012]进一步地，所述两束相干光的入射角相同，所述入射角不超过15
°
。
[0013]进一步地，所述低温恒温器内部设有样本座。
[0014]进一步地，所述样本座的截面为倒立凹字形。
[0015]进一步地，所述样本座顶端设有刻度线。
[0016]进一步地，所述待测材料的散斑图像和温度由记录装置记录。
[0017]进一步地，所述记录装置包括相机和温控仪，所述相机用于采集散斑图像，所述温控仪用于采集材料表面温度。
[0018]进一步地，所述待测材料的最低温度为35K。
[0019]进一步地，所述对待测材料表面的散斑图像和温度处理具体为：
[0020]使用作差法处理所述散斑图像，得到干涉图样，根据所述干涉图样得到待测材料的表面应变值，根据所述表面应变值得到材料的热膨胀系数。
[0021]本专利技术还提供一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的系统，所述系统包括：
[0022]降温模块：包括低温恒温器，用于将待测材料降温；
[0023]干涉模块：用于在所述待测材料表面斜射入两束相干光；
[0024]数据采集模块：用于采集所述待测材料表面的散斑图像和温度；
[0025]数据处理模块：用于处理所述散斑图像和温度，得到待测材料的热膨胀系数。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]由于薄膜类材料和片状材料的刚性不高，传统仪器和方法不能直接对其进行测量，而本专利技术所述的方法实现了非接触方法测量材料在超低温下的热膨胀系数；
[0028]有一种现有技术能够实现在低温下采用应变片粘贴或类似的方法测量材料热膨胀系数，但是这种接触式测量方法不仅会对样品产生破坏，其如何保持样品和应变片粘贴牢固也是一个问题，且在测量过程中需使用真空泵保持整个测量过程的真空，真空泵的震动导致测量结果不准。
[0029]本专利技术采用散斑干涉法直接获取被测材料的表面应变信息，即位移的梯度，不需要考虑仪器自身的热应变，特别适合需要复杂仪器实现的低温环境的形变测量，与现有的图像相关法相比，本专利技术所述的测量方法不需要使用特别高像素的相机即可实现较高的精度测量。
[0030]本专利技术使用低温恒温器维持被测材料的低温，通过在低温恒温器外部设置相干光路，能够实现对待测材料面内形变及热膨胀系数的测量。
[0031]本专利技术提供的方法操作简便、抗干扰、测温范围大，并且能够测量各类样品，对于成本高的材料，本专利技术能够在不耗费材料的情况下，经济方便地对其进行测量。
[0032]本专利技术所述的方法使用光学方法将材料放置在封闭体系内用以维持低温，且在真空设备、分子泵和低温恒温器的压缩机都关闭的条件下对被测样本的温度和散斑图像进行采集，避免了在低温环境下因被测材料的强度降低导致测量过程中存在的材料被破坏和仪器震动带来的测量失败以及结果不精准的问题。
[0033]面向航天领域的许多材料和器件都不会制作成传统的棒状，本专利技术可对膜状和片
状材料的热膨胀系数进行测量。
[0034]本专利技术实现了非接触方法测量材料在超低温下的热膨胀系数，特别是解决了传统仪器和方法下不能直接对薄膜类材料和片状材料测量的困难，填补了传统的热膨胀系数测量装置的测试温区和材料的空白。
[0035]本专利技术所述的方法适用于在超低温环境中对材料的热膨胀系数进行检测。
附图说明
[0036]图1为实施方式一所述的散斑干涉法的光路图，图中1为激光器，2为分光棱镜，3为凸透镜，4为凸透镜，5为反射镜，6为反射镜，7为低温恒温器的透明光学窗口，8为待测样本的测试表面；
[0037]图2a为实施方式十四所述的一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的系统的实物照片；
[0038]图2b为实施方式十四所述的一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数示意图；
[0039]图3为实施方式一、实施方式十一所述的待测样本的一种加工形状；
[0040]图4为实施方式一所述的夹持材料的夹具，可直接安装在低温恒温器进行测试；
[0041]图5为实施方式一所述的数据后处理程序运行时的截图，其左上部为作差生成的图像，左下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述方法包括：在真空环境下，将待测材料置于低温恒温器内，控制所述低温恒温器降温至最低温度，使得所述待测材料达到最低温度并保持稳定；在所述待测材料表面斜射入两束相干光；控制低温恒温器停止控温操作，使得待测材料自主升温直到室温，并在该过程中采集所述待测材料表面的散斑图像和温度获得多组数据，每组数据包含散斑图像和对应的温度；对获得的多组数据进行处理，得到所述待测材料的热膨胀系数。2.根据权利要求1所述的一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述两束相干光的入射角相同，所述入射角不超过15
°
。3.根据权利要求1所述的一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述低温恒温器内部设有样本座。4.根据权利要求3所述的一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述样本座的截面为倒立凹字形。5.根据权利要求3所述的一种基于散斑干涉法测量超低温下膜状材料热膨胀系数的方法，其特征在于，所述样本座顶端设有刻度线。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅永，杨有为，潘庆辉，郭延铭，周吉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：