光学投影法高温热膨胀仪

光学投影法高温热膨胀仪

一、简介

依阳公司的CTE 101 光学高温热膨胀仪是一种非接触式材料膨胀和收缩性能测试仪器，采用了非接触位移光学投影测量技术，可以实现高温甚至超高温（2500℃以上）条件下的线性位移和变形测量。

依阳公司的CTE 101 光学高温热膨胀仪采用得是试样直立束缚式结构，规避了目前国内外水平试样无约束结构存在的试样位置移动问题，使得测试结果更可靠更准确。

光学高温热膨胀仪是依阳公司采用非接触光学投影测量技术的自主研发产品，使得光学热膨胀测量仪器更具有扩展性，可以根据不同要求和技术指标建立起相应的光学非接触热膨胀测试设备。

光学投影系统中的光源配备的是高强度氮化镓绿色 LED，绿色光束均匀且安全并只含有极少杂波，即使在高温物体发光的背景中也能产生极高的解析度。绿色  LED  点光源经过光学系统形成平行光束，有效的防止了目标物位置改变而造成镜头放大倍率地波动，并可确保测量精度。光学探测器采用了高速CCD可以获得极高的采样速度，目标物观测器采用了CMOS 影像传感器，可提供逼真的样品影像和小巧的外形。

为了保证高温和超高温的实现以及光学探测系统工作稳定性，依阳公司的CTE 101光学高温热膨胀仪配备了恒温冷却循环系统，使得试样的起始温度和光学探测系统的工作温度总是保持恒定，有效提高了测量精度和测试数据的规范性。

光学高温热膨胀测试原理图

二、技术指标

（1）试样高度： 1～30mm。

（2）试样截面尺寸： （矩形）3×3～10×10mm 或（圆形）φ3～φ10mm。

（3）长度变化范围： 最大 29mm。

（4）长度测量精度：±2 μm。

（5）长度测量重复性：±0.5μm

（6）采样速度：2000次/秒。

（7）温度范围：RT～1400℃（其它温度范围需要定制，最低温度可到-180℃，最高温度可到3000℃）。

（8）气氛环境：真空、空气和惰性气体。

三、特点

1. 依阳公司的CTE 101光学高温热膨胀仪，由于采用了光学投影法这种非接触测量方法，并配套了相应的真空系统，基本上可以实现任何温度范围和任何气氛环境下的材料热膨胀性能测量，可以测量大多数材料的熔点，而且可以测量试样在化学反应和变化过程中的热膨胀性能，这个特点对于烧蚀类复合材料的热膨胀性能评价尤为重要。为了提高300℃以下的热膨胀测量精度，加热方式可以采用流体加热方式，如水浴、油浴。

2. 依阳公司的CTE 101光学高温热膨胀仪，采用的是束缚式竖直试样安装方式，避免了热应力对试样位置偏移的影响，保证了试验的可靠性和测量精度。试样的起始长度自动测量和保存，便于线性热膨胀系数的计算。

3. 束缚式竖直式试样安装方式，结合相应的透明容器，可以实现液体、粉体、膏状物和固液相变转换过程中测量。

4. 光学投影法具有很强的扩展性，除了可以满足线性位移变形的测量需要外，还可以对面内变形和位移进行测量，这个特点可以实现材料的软化点，球状、半球状及融化温度及粘度的测量，具备了高温显微镜的功能。同时，可以通过扩展光束的方法实现超大尺寸试样的测量。

5. 采用了人机界面操作系统，使得整个仪器的集成化程度更高操作更简便，试验数据自动存储在U盘内，也可以通过计算机进行分析处理。

6. 在不同的使用温度范围内，采用不同的温度传感器进行温度测量。1400℃以下采用热电偶温度传感器，更高温度将采用红外测试仪。

四、应用

1. 依阳公司CTE 101光学高温热膨胀仪常温下稳定性性考核试验

真空腔体和探测器水冷温度控制设定为20℃，稳定性考核试验4天。

2. 目前国内外光学投影法位移测量应用中存在的误区

（1）测试过程中“被测试样处于无接触力状态”的误区

目前国际市场上的光学投影法热膨胀仪，被测试样都是水平放置形式，试样安装和固定所采用的方法是简单的将试样直接放置在均匀加热区域内，并不进行任何约束，由此测量的是试样与平行光正交的最大截面内的试样长度。

水平放置试样的优点是试样整体的温度相对比较均匀，减少了重力对温度场的影响。但这种均匀并不是绝对的并有前提条件，由于不同试样材料的热导率不同，在温度变化过程中试样上还是照样会存在温度梯度，温度的均匀性只是体现在恒温状态下会更好。

在测试过程中，只要试样上存在温度梯度就会产生热应力，而这个热应力往往会使得试样发生无法预料的扭曲和不规则变形，而这些扭曲和不规则变形则会改变被测试样的原始放置位置，体现在测试曲线上就是会产生跳变。如果发生微小的跳变，就说明测试是失败的。

根据我们大量的试验发现，这种现象更多的是发生在复合材料和非均质材料的热膨胀性能测量中。依据我们多年的测试经验，任何热膨胀测试过程中，无论试样是水平还是竖直放置，无论是采用顶杆法还是非接触测量方法，被测试样必须进行适当约束，使得试样只在所关心的方向上发生变形，而在其它方向上受到一定的约束。

（2）光学投影法测量位移是一种绝对法的误区

 光学投影法是基于激光扫描法发展起来的一种测量方法，激光扫描法是通过测量激光扫描速度和激光扫描通过试样两个端面所需要的时间来计算获得试样两个端面的长度。速度和时间的测量可以进行计量校准和标定，可以进行计量溯源，因此，激光扫描法是一种绝对测量方法。

光学投影法则是通过平行光投射到试样后所形成的阴影，阴影经过光学系统聚焦后成像到光电探测器上，由光电探测器检测阴影边缘并进行软硬件细分处理后，最终得到两个阴影边缘之间的距离。由此可见，光学投影法测量出的阴影长度是由光学聚焦缩小倍数、探测器物理单元分辨率和软件细分系数等众多物理量相乘的结果，而这些物理量并没有经过任何形式的计量校准，探测器的测量不确定也仅仅是对一个标准量块进行标定获得，而不是用覆盖量程范围的标准量块进行标定。

非接触光学方法测试位移和变形的绝对测试方法只有激光扫描法和激光干涉法。