專利名稱：納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于金屬熱膨脹測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，，具體涉及金屬線脹系數(shù)高精度測(cè)量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
“熱脹冷縮”是許多物體都具有的特性，是由于物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇或減弱從而使物質(zhì)分子平均艱巨變大或變小造成的，熱膨脹雖然不大，但可以產(chǎn)生很大的應(yīng)力。因此，在工程設(shè)計(jì)，機(jī)械制造，材料加工等過(guò)程中都要充分考慮。一般情況，固體在各個(gè)方向上的膨脹規(guī)律相同，因此可以用固體在一個(gè)方向上的線膨脹規(guī)律來(lái)表征它的體膨脹。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的檢測(cè)方法一般是通過(guò)千分尺、傳統(tǒng)的光杠桿等工具進(jìn)行目測(cè)，這些方法不僅效率低，而且誤差大。本方明提出一種基于光杠桿原理和PSD位置敏感傳感器的固體材料線脹系數(shù)測(cè)量方法，該系統(tǒng)對(duì)微小位移進(jìn)行多級(jí)放大，利用NI公司的LabVIEW圖形編程環(huán)境進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，界面簡(jiǎn)潔，易于操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，該方法檢測(cè)速度快、精度高、可靠性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)黃銅、實(shí)驗(yàn)用鐵、實(shí)驗(yàn)用鋁和紫銅的線脹系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到納米數(shù)量級(jí)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種精確測(cè)量金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，能對(duì)固體材料的線脹系數(shù)進(jìn)行精確地測(cè)量，為研究固體材料的性能提供科學(xué)依據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括光杠桿測(cè)微系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)以及虛擬平臺(tái)，其特征在于
所述溫度采集系統(tǒng)包括熱電偶和信號(hào)調(diào)理板，通過(guò)所述熱電偶檢測(cè)被測(cè)金屬的溫度信號(hào)，信號(hào)調(diào)理板的輸入端與所述熱電偶輸出端相連，將熱電偶所檢測(cè)的溫度信號(hào)進(jìn)行放大；所述信號(hào)調(diào)理板的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端；
通過(guò)光杠桿測(cè)微系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)金屬的位移伸長(zhǎng)量信號(hào)，所述光杠桿測(cè)微系統(tǒng)的輸出端與信號(hào)處理電路的輸入端相連，所述信號(hào)處理電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連，所述信號(hào)處理電路將抑制光杠桿測(cè)微系統(tǒng)中PSD位置敏感傳感器背景光和暗電流的影響，對(duì)位移伸長(zhǎng)量信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，處理后的位移伸長(zhǎng)量電信號(hào)上送至所述數(shù)據(jù)采集卡；
所述數(shù)據(jù)采集卡將采集的待測(cè)金屬的所述位移伸長(zhǎng)量信號(hào)、待測(cè)金屬的溫度信號(hào)上傳至虛擬平臺(tái)，在所述虛擬平臺(tái)中根據(jù)待測(cè)金屬的溫度和位移伸長(zhǎng)量進(jìn)行金屬線脹系數(shù)計(jì)算；
所述虛擬平臺(tái)還通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡向所述溫度控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)，通過(guò)所述溫度控制系統(tǒng)中的可控硅觸發(fā)板接收該控制信號(hào)，控制控制可控硅的導(dǎo)通和截止進(jìn)而控制待測(cè)金屬的加熱溫度。
進(jìn)一步，本發(fā)明的所述虛擬平臺(tái)優(yōu)選包括信號(hào)采集顯示模塊、數(shù)據(jù)保存、PID調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。所述信號(hào)采集顯示模塊包括位移信號(hào)采集顯示模塊、溫度信號(hào)采集顯示模塊，信號(hào)采集顯示模塊的輸入端與信號(hào)采集卡PCL-1716的的輸出端相連，信號(hào)采集顯示模塊的輸出端與數(shù)據(jù)保存及PID調(diào)節(jié)模塊的輸入端相連，數(shù)據(jù)保存的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端相連，PID調(diào)節(jié)模塊的輸出端通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡與溫控系統(tǒng)的輸入端相連。
PID調(diào)節(jié)模塊的功能是系統(tǒng)溫度的設(shè)定與準(zhǔn)確控制。數(shù)據(jù)采集顯示模塊實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)和微小伸長(zhǎng)量的采集與適時(shí)顯示，它得到的當(dāng)前溫度值可調(diào)用到PID控制模塊，以實(shí)現(xiàn)溫度的反饋，通過(guò)該模塊可以直觀看到溫度和位移的變化規(guī)律。數(shù)據(jù)處理模塊的功能是提取保存的溫度、位移數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合求得位移隨溫度的變化率，最后再求出物體的膨脹系數(shù)。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)能設(shè)定和控制待測(cè)金屬材料的溫度，并對(duì)金屬材料的線脹系數(shù)進(jìn)行高精度的測(cè)定，檢測(cè)速度快、精度非常高、可靠性強(qiáng)、形象直觀，操作簡(jiǎn)單。
圖1是本發(fā)明的光杠桿測(cè)微系統(tǒng)原理圖2是本發(fā)明的PSD測(cè)量原理圖3是本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)方框圖4是本發(fā)明的虛擬平臺(tái)系統(tǒng)方框圖5是本發(fā)明的工作中的虛擬儀器界面。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。固體的長(zhǎng)度一般隨溫度的升高而增加，設(shè)固體的溫度由t變化到t+dt時(shí)，其長(zhǎng)度由L變化到L+dl，當(dāng)溫度變化dt足夠小時(shí)，長(zhǎng)度微小變化量dL與溫度變化dt及原長(zhǎng)L成正比，即
權(quán)利要求
1.一種納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括光杠桿測(cè)微系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)以及虛擬平臺(tái)，其特征在于所述溫度采集系統(tǒng)包括熱電偶和信號(hào)調(diào)理板，通過(guò)所述熱電偶檢測(cè)被測(cè)金屬的溫度信號(hào)，信號(hào)調(diào)理板的輸入端與所述熱電偶輸出端相連，將熱電偶所檢測(cè)的溫度信號(hào)進(jìn)行放大； 所述信號(hào)調(diào)理板的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端；通過(guò)光杠桿測(cè)微系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)金屬的位移伸長(zhǎng)量信號(hào)，所述光杠桿測(cè)微系統(tǒng)的輸出端與信號(hào)處理電路的輸入端相連，所述信號(hào)處理電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連， 所述信號(hào)處理電路將抑制光杠桿測(cè)微系統(tǒng)中PSD位置敏感傳感器背景光和暗電流的影響， 對(duì)位移伸長(zhǎng)量信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，處理后的位移伸長(zhǎng)量電信號(hào)上送至所述數(shù)據(jù)采集卡；所述數(shù)據(jù)采集卡將采集的待測(cè)金屬的所述位移伸長(zhǎng)量信號(hào)、待測(cè)金屬的溫度信號(hào)上傳至虛擬平臺(tái)，在所述虛擬平臺(tái)中根據(jù)待測(cè)金屬的溫度和位移伸長(zhǎng)量進(jìn)行金屬線脹系數(shù)計(jì)算；所述虛擬平臺(tái)還通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡向所述溫度控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)，通過(guò)所述溫度控制系統(tǒng)中的可控硅觸發(fā)板接收該控制信號(hào)，控制控制可控硅的導(dǎo)通和截止進(jìn)而控制待測(cè)金屬的加熱溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于模塊的輸出端相連，所述虛擬平臺(tái)包括信號(hào)采集顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；其中所述信號(hào)采集顯示模塊包括位移信號(hào)采集顯示模塊、溫度信號(hào)采集顯示模塊，所述位移信號(hào)采集顯示模塊的輸入端、溫度信號(hào)采集顯示模塊的輸入端均與所述數(shù)據(jù)采集卡輸出端相連，所述溫度信號(hào)采集顯示模塊的輸出端分別連接至數(shù)據(jù)保存模塊和PID調(diào)節(jié)模塊的輸入端，所述位移信號(hào)采集顯示模塊的輸出端連接至數(shù)據(jù)保存模塊，數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端與數(shù)據(jù)保存模塊的輸出端相連，數(shù)據(jù)處理模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到待測(cè)金屬的線脹系數(shù)，PID調(diào)節(jié)模塊的輸出端通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡與溫控系統(tǒng)的輸入端相連，以實(shí)現(xiàn)溫度的反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于 所述數(shù)據(jù)采集卡為PCL-1716。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)調(diào)理板可擴(kuò)充模擬量輸入通道，集成用于熱電偶測(cè)量的冷端補(bǔ)償電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)放大及熱電偶信號(hào)的調(diào)理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光杠桿測(cè)微系統(tǒng)包括平行放置的第一平面鏡(Ml)和第二平面鏡(M2)、位置敏感傳感器PSD，其中所述第二平面鏡(M2)下端固定，所述第一平面鏡(Ml)下端一側(cè)設(shè)置在光桿的前端上方，該光桿前端下方通過(guò)前支點(diǎn)固定在固定支架上，光桿的后端為自由端，后端下方后端支點(diǎn)與待測(cè)金屬相連，所述位置敏感傳感器PSD將由于待測(cè)金屬位移變化導(dǎo)致的光位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入至所述信號(hào)處理電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米精度金屬線脹系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括光杠桿測(cè)微系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)以及虛擬平臺(tái)。光杠桿測(cè)微系統(tǒng)包括平行放置的第一平面鏡(M1)和第二平面鏡(M2)、位置敏感傳感器PSD；溫度采集系統(tǒng)包括熱電偶和信號(hào)調(diào)理板；溫度控制系統(tǒng)通過(guò)所述溫度控制系統(tǒng)中的可控硅觸發(fā)板接收該控制信號(hào)，控制控制可控硅的導(dǎo)通和截止進(jìn)而控制待測(cè)金屬的加熱溫度；虛擬平臺(tái)包括位移信號(hào)采集模塊、溫度信號(hào)采集模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。本系統(tǒng)能設(shè)定和精確控制待測(cè)金屬材料的溫度，并對(duì)金屬材料的線脹系數(shù)進(jìn)行高精度地測(cè)定，檢測(cè)速度快、精度非常高、可靠性強(qiáng)、形象直觀，操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N25/16GK102495099SQ20111042431
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者譚興文 申請(qǐng)人:西南大學(xué)