[发明专利]一种金属材料线膨胀系数测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量技术，具体涉及一种用于材料线膨胀系数的测量方法。

背景技术

目前对材料线膨胀系数的测量，已有许多较成熟的理论和方法，例如应变片法、压力计法、光杠杆法、光纤位移传感器法、干涉法等，但这些测量方法都存在一定的瓶颈，首先不能在线测量。由于以上方法必须把材料制作成特定的样品并放到测量仪器中来进行测量，无法进行在线监测。还有就是光杠杆法、干涉法都要求被测材料的尺寸不能太小，而尺寸大的样品容易受外界因素的影响，比如不能使所测材料受热均匀从而影响测量结果的精确性。另外，以上方法只能测量一维方向的线膨胀系数，达不到同时测量二维方向的线膨胀系数的要求。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种利用莫尔条纹原理测量材料线膨胀系数的方法。

本金属材料线膨胀系数测量方法，该方法包括如下步骤：

(1).在常温下通过光栅刻制手段在待测金属表面刻划出若干条其角度与铅垂线锐角夹角为θ的光栅条纹；

(2).在常温T1下通过相机CCD拍摄采集由若干条光栅条纹组成的物光栅的数字图像；

(3).将拍摄采集的物光栅数字图像通过计算机软件将其镜像得到与物光栅相对铅垂线对称的参考光栅的数字图像；

(4).将金属加热至温度为T2下通过相机CCD拍摄采集由若干条光栅条纹组成的膨胀后的物光栅的数字图像；

(5).将参考光栅与物光栅的数字图像相互叠加，得到莫尔条纹一；

(6).将参考光栅与膨胀后的物光栅的数字图像相互叠加，得到莫尔条纹二；

(7).将得到的莫尔条纹一和莫尔条纹二进行傅里叶变换、滤波处理，得到由莫尔条纹一形成的等差条纹一以及由莫尔条纹二形成的等差条纹二；

(8).对等差条纹一和等差条纹二通过极值法进行细化处理，得到由等差条纹一形成的细化后的等差条纹一和由等差条纹二形成的细化后的等差条纹二；

(9).将细化后的等差条纹一和细化后的等差条纹二通过最小二乘法分别计算出各自的等差条纹的斜率和倾角，以细化后的等差条纹一的条纹方向作为测量系统X轴方向，将细化后的等差条纹二和细化后的等差条纹一的倾角相减，得到相应温度变化引起的等差条纹倾角相对于测量系统X轴的该变量                                               及定标后的斜率；

(10).根据公式，即计算出温度为T2时的应变量；

(11).根据公式计算出材料的线膨胀系数。

为了避免采取根据一个温度改变量获取的应变量来计算线膨胀系数造成的误差较大的情况发生，以相同的温度变化量逐步计算出若干个不同温度条件下的应变量，并以温度T为横坐标、应变量为纵坐标得到一条应变-温度曲线，利用最小二乘法对曲线进行线性拟合算出拟合后的曲线斜率，根据公式，该斜率即为材料在相应温度范围内的线膨胀系数。

实际应用中θ角过小会使实际测量不易实现，θ角过大会使等差条纹二的倾角改变量过小而使得测量效果不好，因此上述光栅条纹与铅垂线的夹角θ取值范围为大于等于1°小于等于10°。

为了使测量更加方便智能，上述参考光栅与物光栅的图像相互叠加、参考光栅与膨胀后的物光栅相互叠加、莫尔条纹一和莫尔条纹二进行傅里叶变换、滤波处理以及等差条纹一和等差条纹二的极值法进行细化处理可以利用计算机软件进行处理。

上述计算机软件为MATLAB软件。

本发明的有益效果是：相比较以往测量金属线膨胀系数的方法，如压力计法、干涉法等的不足，本金属材料线膨胀系数测量方法利用莫尔条纹条纹原理通过采集物光栅以及膨胀后的物光栅的光栅图像、制作参考光栅的光栅图像，之后通过图像叠加、傅里叶变换、滤波处理、极值法细化等方式将最终按照等差条纹倾角改变量计算出金属的线膨胀系数。其相比以往测量线膨胀系数方法的最大改变在于改变了样品的形状和大小，可以采用小尺寸、片状样品刻制光栅或者直接将光栅刻制在所需监测部件的外表面，从而可以实现在线测量、二维测量和测量设备小型化等特点。而且测量过程中使用的金属材料体积变小可以利于实现金属材料的均匀加热。

附图说明

图1为光栅常数为d的参考光栅；

图2为光栅常数为d的物光栅；

图3为光栅常数为d’的膨胀后的物光栅；

图4为图1与图2相叠加形成的莫尔条纹图；

图5为图1与图3相叠加形成的莫尔条纹图；

图6为铜材料的参考光栅；

图7为铜材料的物光栅；