專利名稱：光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖光柵，特別是一種光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置。主要應用于不同固體材料線性熱膨脹系數的測試標定。
背景技術：
熱膨脹系數是用以表明材料本身受熱變形的固有屬性。熱膨脹系數是工程設計、精密儀器制造、材料焊接和加工中必須考慮的重要參數，又由于熱膨脹系數是溫度的函數，其具體數值會隨著溫度的變化而改變，如果僅僅采用手冊上給定的平均線膨脹系數進行設計計算將會帶來明顯的誤差。對于高精密的機械設計，必須通過實際測量在一定溫度條件下待測材料的的熱膨脹系數，才能獲取確切可靠的設計數據。
目前測試固體材料熱膨脹系數的方法有光杠桿法、云紋法、劈尖法、激光掃描微測法、電子散斑法以及光纖光柵法等等。我們發現現有技術在不同程度上都存在著固有的缺陷和不足。例如光杠桿法測試的溫度范圍小，分辨率低；云紋法要求在測試表面刻蝕精確的光柵，工藝要求高，對被測試件的質地要求也高，同時其光路要求復雜；激光掃描測微法和電子散斑法對實驗平臺的要求較高，抗干擾能力弱；現有的光纖光柵法，將光柵固定于試件表面一起加熱，一種方法在理論上考慮到了光柵熱膨脹效應和熱光效應，另一種方法在光柵旁邊的一段光纖上鍍上金屬覆層以補償光纖的熱膨脹效應，雖然這兩種方案都基本保證了測試的精度，但是將光柵與被測試件一起加熱，不可能實現高溫段的測試，而且勢必將影響光柵的工作壽命。
發明內容
本實用新型針對現有技術存在的缺陷和不足，提出一種光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置，此裝置可以實現高溫狀態下的熱膨脹系數測試，具有可靠性高、成本低、測量速度快等優點。
本實用新型的技術解決方案如下
一種光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置，包括一激光光源、該激光光源的輸出端接光纖耦合器的第一端，該光纖耦合器的第三端接光纖光柵波長解調模塊，再依次串接光電轉換模塊、數據采集設備和工控機并設置在一機殼內；由光纖光柵傳感頭、待測材料棒材和可控高溫爐組成光纖光柵固體材料熱膨脹傳感機構，所述的光纖光柵傳感頭用環氧聚酯將傳感光柵兩端的光纖固定在待測材料棒材自由端的鑄云母和固定在法蘭盤上的鑄云母上構成，所述的待測材料棒材固定在可控高溫爐腔內；所述的光纖耦合器的第二端接所述的傳感光柵的光纖。
本實用新型的工作原理是固定在可控高溫爐爐腔內的待測材料棒材受熱膨脹，由于待測材料棒的一端固定，所以受熱后待測材料棒向自由端膨脹。光纖光柵固定在待測材料棒的自由端的鑄云母和固定在法蘭盤上的鑄云母上，待測材料棒受熱膨脹進而拉伸光纖光柵，光纖光柵的中心波長漂移量Δλ由如下公式表示ΔλBλB=(1-Pe)ΔLLf---(1)]]>ΔL＝αL (2)其中λB為光纖光柵中心波長，Pe是有效彈光系數，ΔL是棒材的伸長量，Lf為兩固定點之間的光纖長度(包括光柵)，α為材料的線性熱膨脹系數，L為棒材的長度，所以可得α=ΔλBλB-Lf(1-Pe)L---(3)]]>由此可知，只要解調出光纖光柵的中心波長漂移量ΔλB，即可以由式3求得該固體材料的線性熱膨脹系數。
本實用新型突出的優點是1.避免傳感光柵隨被測試件一起加熱，實現了高溫狀態下熱膨脹系數測試的可能，并保證了光柵的工作壽命。
2.可以實現對任意設置的溫度區間進行熱膨脹系數的測試顯示3、光纖光柵技術成熟，性能穩定，價格低廉，易于推廣應用。
圖1為本實用新型光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置的結構圖圖2為本實用新型裝置中光纖光柵固體材料熱膨脹傳感機構結構圖圖中1-激光光源、2-光纖耦合器、3-光纖光柵固體材料熱膨脹傳感機構、4-光纖光柵波長解調模塊、5-光電轉換模塊、6-數據采集設備、7-工控機、8-機殼、9-可控高溫爐、10-待測材料棒材、11-光纖光柵傳感頭、12-爐腔、13-電熱絲、14-法蘭盤、15-隔熱玻璃套管、16-鑄云母、17-鑄云母、18-傳感光柵、19-陶瓷云母片，20-環氧聚酯固定點。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行詳細描述先請參閱圖1和圖2，由圖可見，本實用新型光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置包括一激光光源1，該激光光源1的輸出端接光纖耦合器2的第一端21，該光纖耦合器2的第三端23接光纖光柵波長解調模塊4，再依次串接光電轉換模塊5、數據采集設備6和工控機7并設置在一機殼8內；由光纖光柵傳感頭11、待測材料棒10和可控高溫爐9組成光纖光柵固體材料熱膨脹系數傳感機構3，所述的光纖光柵傳感頭11是用環氧聚酯20將傳感光柵18的兩端固定在待測材料棒材10自由端的鑄云母16和固定在法蘭盤上的鑄云母17上構成，所述的待測材料棒10固定在可控高溫爐9的爐腔12內；所述的光纖耦合器2的第二端22接所述的傳感光柵18的光纖。
可控高溫爐9通過電熱絲13給爐腔12加熱以升溫或保持溫度；待測材料棒10通過陶瓷云母片19被固定在爐腔12內；隔熱玻璃套管15套在待測材料棒10的外面，其作用是使爐腔外的部分棒材和爐腔內的部分棒材同處于一個溫度場下；固定在待測材料棒10自由端的鑄云母16的端面和固定在法蘭盤上的鑄云母17的端面要保持在一個平面上，只有這樣才能保證固定在上面的光纖光柵只受軸向應力且受力均勻。
由于待測材料棒10的一端固定，所以受熱后待測材料棒向自由端膨脹，從而拉伸光纖光柵，使中心波長產生漂移，光纖光柵波長解調模塊4將所述的波長漂移解調成光強值的變化，光電轉換模塊5將光強值轉化為電壓值，數據采集設備6將該電壓值轉化為數字量并將其傳送給工控機7，通過計算即可獲得中心波長的漂移量，再通過公式3就可以計算出待測材料的線性熱膨脹系數，并通過工控機的顯示屏顯示出來。
本實用新型裝置由于將傳感光柵置于高溫度場外，故可以實現高溫狀態下的線性熱膨脹系數測試，并具有可靠性高、成本低、測量速度快等優點。
權利要求1.一種光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置，其特征在于包括一激光光源(1)、該激光光源(1)的輸出端接光纖耦合器(2)的第一端(21)，該光纖耦合器(2)的第三端(23)接光纖光柵波長解調模塊(4)，再依次串接光電轉換模塊(5)、數據采集設備(6)和工控機(7)并設置在機殼(8)內；由光纖光柵傳感頭(11)、待測材料棒材(10)和可控高溫爐(9)組成光纖光柵固體材料熱膨脹傳感機構(3)，所述的光纖光柵傳感頭(11)是用環氧聚酯(20)將傳感光柵(18)的兩端固定在待測材料棒材(10)自由端的鑄云母(16)和固定在法蘭盤上的鑄云母(17)上構成的，所述的待測材料棒材(10)固定在可控高溫爐(9)的爐腔(12)內；所述的光纖耦合器(2)的第二端(22)接所述的傳感光柵(18)的光纖。
專利摘要一種光纖光柵固體材料熱膨脹系數測試裝置，包括一激光光源、該激光光源的輸出端接光纖耦合器的第一端，該光纖耦合器的第三端接光纖光柵波長解調模塊，再依次串接光電轉換模塊、數據采集設備和工控機并設置在一機殼內；由光纖光柵傳感頭、待測材料棒材和可控高溫爐組成光纖光柵固體材料熱膨脹傳感機構，所述的光纖光柵傳感頭用環氧聚酯將傳感光柵兩端的光纖固定在待測材料棒材自由端的鑄云母和固定在法蘭盤上的鑄云母上構成，所述的待測材料棒材固定在可控高溫爐腔內；所述的光纖耦合器的第二端接所述的傳感光柵的光纖。本實用新型可以實現高溫狀態下的熱膨脹系數測試，具有可靠性高、成本低、測量速度快等優點。
文檔編號G01N25/00GK2924529SQ20062004391
公開日2007年7月18日 申請日期2006年7月14日 優先權日2006年7月14日
發明者楊熙春, 裴金成, 李俊, 朱汝德, 向世清, 詹亞歌 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所