[發明專利]利用剪切散斑干涉測量剛性材料熱膨脹系數的方法及系統

在審

• 申請號: 201810973533.6
• 申請日: 2018-08-24
• 公開（公告）號: CN108802095A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 張東升;董承志
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01N25/16
• 分類號: G01N25/16
• 代理公司: 無錫市匯誠永信專利代理事務所(普通合伙) 32260
• 代理人: 張歡勇

1.一種利用剪切散斑干涉技術測量剛性材料熱膨脹系數的方法，其特征在于，所述方法包括：將待測試樣置于測試座上，測試座上設置一半導體制冷片，半導體制冷片下表面與水冷系統相連以對其進行換熱，待測試樣置于半導體制冷片的上表面；將來自一點的相干光源同時照亮待測試樣的兩個檢測面A面與B面，A面與B面互為被測面與參考面；利用一個產生大錯位量的剪切鏡將A面與B面的像在分光鏡上錯位重疊，并在相機CCD傳感器上產生干涉；操作半導體制冷片進行升溫或降溫，同時相機同步記錄對應的試樣變形干涉圖而TEC加熱制冷驅動源則記錄實時溫度，而后通過軟件對獲得的試樣變形干涉圖進行自動化濾波、解相位和解包裹操作，得到試樣標距段產生的相位變化值，并由相位變化值光程差的公式計算得到試樣標距段產生的真實變形量，從而最終得到試樣在測試溫度范圍內熱膨脹系數。

2.一種利用剪切散斑干涉技術測量剛性材料熱膨脹系數的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1)制備剪切散斑干涉測量熱膨脹系數所需的測試試樣，測試試樣可以為各種剛體材料，將材料加工成指定的形狀，加工的試樣表面需足夠光滑；

2)將上述制備的試樣放置于半導體制冷片上，半導體制冷片通過TEC加熱制冷驅動源進行溫度控制，TEC加熱制冷驅動源可精確檢測并控制半導體制冷片的溫度，從而可以利用半導體制冷片對試樣的溫度進行控制；并且制冷片鑲嵌于測試座上，同時將制冷片底部與水冷系統相接觸；

3)試樣A面與B面為檢測面，布置電子散斑干涉剪切光路的視場范圍使其完全包括試件，剪切光路可以呈現試樣的兩個像，調節剪切鏡使試樣兩個檢測面產生干涉，從而可以測量這兩個階梯檢測面產生的相對變形；

4)TEC加熱制冷驅動源和電子散斑干涉位移測量系統同步記錄實時溫度和對應的試樣變形干涉圖，TEC加熱制冷驅動源的T型熱電偶固定在半導體制冷片上，以實時反饋測量溫度；

5)通過軟件獲得的試樣的變形圖進行自動化濾波、解相位和解包裹操作，得到試樣標距段產生的相位變化值，并由相位變化值光程差的公式可以得到試樣標距段產生的真實變形量；其中，相位變化值與真實變形量之間的關系按以下公式計算：

式中，w為計算的兩個檢測面產生的相對變形，λ為激光的波長，為相位變化值；

從而最終得到試樣在測量溫度范圍內的熱膨脹系數，熱膨脹系數是按以下公式計算得到的：

其中，ε為實驗測量的應變值，w為兩個檢測面產生的相對變形，l₀為兩個檢測面在測試方向上的初始相對位置，ΔT為測量開始與結束時溫度差值的絕對值。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述測試座為具有開口的密閉艙體，艙體內設有密艙，半導體制冷片鑲嵌于密閉艙體底面上；艙體的一側壁為可透光的材質制成，試樣以其檢測面平行或基本平行于密封艙體的玻璃側壁的方式放置于半導體制冷片的上表面上。

4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟1)中，還包括對于透光率較高的試樣材料的表面進行預處理，以保證激光能夠在試件表面發生反射。

5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述制冷片的溫度控制范圍為-80℃～200℃。

6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述艙體的玻璃側壁采用高溫玻璃制成，其可以承受較高溫度，以免測試中溫度變化對檢測結果產生影響。

7.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述艙體是固定于光學隔振臺上的。

8.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中，在實驗前用真空泵對艙體進行抽氣以制造真空環境，從而防止艙體內氣體在溫度變化時產生空氣擾流而干擾實驗結果。