[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

本發明公開了一種剪切散斑干涉技術測量剛性材料熱膨脹系數的方法和系統，該方法包括將待測試樣置于艙體內，待測試樣置于半導體制冷片的上表面；將相干光源同時照亮兩檢測面，利用一個產生大錯位量的剪切鏡將兩檢測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相應的計算處理從而最終得到試樣在一定溫度范圍內熱膨脹系數。本發明的方法具有精度高，檢測時間短，檢測溫度范圍大，成本低等優點，并且其還具有精度高、溫度范圍大以及所需時間短等優勢。

技術領域

本發明屬于檢測技術領域，屬于光力學檢測技術領域，具體涉及一種利用剪切散斑干涉技術測量剛性材料的熱膨脹系數的技術。

背景技術

碳原子具有極強的分子間結合能力，它是全世界范圍內研究最為廣泛的元素之一，與其他材料相比，碳纖維復合材料具有出色的物理性能，例如其抗拉強度高(2～7GPa)，抗壓強度高(高約3GPa)，彈性模量大(200～900GPa)，熱膨脹系數小，高導電性與導熱性等等。正是由于其出色的性能，碳纖維材料在航空航天與機械自動化等領域取得了廣泛的應用。另外與鋼材相比，碳纖維材料擁有更低的密度與更高的強度，為了更好地利用碳纖維復合材料，對其進行性能的檢測是必不可少的，而其中熱膨脹系數是一個重要的性能參數。

熱膨脹系數是材料的重要機械性能參數之一，準確的測量熱膨脹系數在工程應用中有著非常重要的意義，例如溫度變化引起熱機械變形，使零件尺寸和形狀發生變化，從而導致機械的配合性能與產品質量下降，對于精密機械就會導致工作不正常。目前測量剛性材料熱膨脹系數的方法主要分為接觸式與非接觸式兩類，接觸式測量方法主要有千分表法、光杠桿法、電感法、電容法等；非接觸式測量法主要有干涉法、光柵法、密度測量法等等。激光干涉法是一種重要的非接觸式方法，與傳統的接觸式方法相比，其擁有非接觸、全場測量、分辨率高、靈敏度與精確度高、不需要標定等優點。美國材料與試驗協會專門就干涉法測量熱膨脹系數撰寫了標準，但其實驗過程需要對試件進行拋光等表面處理，過程較為繁瑣。針對散斑干涉測量熱膨脹系數，C.Dudescu等曾使用電子散斑干涉技術(ESPI)測量了碳纖維材料的熱膨脹系數，但其測量過程為面內的位移，不能達到散斑干涉的最高精度。

發明內容

本發明提出一種新的表征剛性材料力學性能實驗方法——電子散斑干涉測量剛性材料熱膨脹系數測試方法，其相對于傳統檢測方法，這種方法具有精度高，檢測時間短，檢測溫度范圍大，成本低等優點。其測量熱膨脹系數的精度可達10^-7/℃，測量的溫度范圍可達-60℃～180℃，完成一個試樣在這個溫度范圍內的測量僅需3～4個小時的時間，傳統測量方法中完成這一溫度范圍的測量往往需要一天的時間，本發明的檢測方法相較于傳統測量方法可以顯著縮短。

為了達到上述目的，本發明采用的方案是：

一種利用剪切散斑(電子散斑)干涉技術測量剛性材料的熱膨脹系數的方法，其包括：

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上；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；利用一個可以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；這種光路布置中，兩個面互為參考面，如果僅有一個面產生變形時，其測量的便是這個面的變形，若兩個面都產生變形，那么其測量的便是這兩個面的相對變形。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可以得到試樣標距段產生的真實變形量，從而最終得到試樣在一定溫度范圍內熱膨脹系數。