材料高温变形激光扫描测量方法

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1、兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 2003第24卷第1期2 0 03年2刃兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 2003兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 2003材料高温变形激光扫描测量方法何凤梅何小瓦（航天材料L艺研究所）张国玉 徐熙平 杨琳 李成志（长春理工大学,吉林长春,130022）摘要 妹丁激光狭缝扫描检测技术和红外测温技术，提出了一种用材料高温变形量和线膨胀系 数非接触H动测量的激光扫描测M:方法和测量系统。木文详细论述门则量系统及其测彊原理，

2、并利用 该测疑系统对某种材料的高温变形或线膨胀系数进行了测彊。实验结果表明，该系统叮满足标距为30 50mm试样在1000 3000弋温度状态下材料变形的测量要求，测最精度可达土 3/un,为研制新型特殊 复合材料的高温性能和材料的合理使用提供了可靠依据。关键词 仪器仪表技术:激光扫描：高温变形:线膨胀系数;非接触测量中图分类号 TP216： TB3O3; TN247兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 2003兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 2003对某些特殊用途的航空航天材料來说，在不同 温度下，

3、尤其是高温状态下材料变形或线膨胀系数 的大小是衡最其性能优劣的一项重要参数，因此对 其检测方法的研究具有重耍意义。口询，对1000汇 以下材料变形或线膨胀系数的测最多数采用热电 偶、光栅、电感或电容传感器2等接触方法。而 对1000T以上材料变形的测星可用散斑干涉法 测量，测屋范围1mm,精度可达1/5,但只能实现 2300兀以下的测量。对丁吏高温度材料变形的测M： 还没有更好的方法。为此，本文采用激光扌I描法山】 与红外测温技术和计算机相结合，通过分光光学系 统和接收光学系统实现了 1 000 - 3 000T温度状态 I材料变形量和线膨胀系数的非接触H动测量o1系统的组成与测量原理系统总体

4、布局如图1.1所示。从半导体激光器 1发出的激光经准也系统2和反射镜3后，入射到 以等角速度s转动的扫描转镜4上，反射出的光束 则以W角速度对扫描光学系统5扫描，成为平行 于光轴的高速扫描光朿，经光栏6和直角棱镜7分 光后，分别照射到固定反射镜8和可移动反射镜9 （根据标距可对其进行调棉）上，对光束进行扩展分 光，两束出射光分别经真空高温炉内的试样10（下 端螺纹固定上端H由）标距后，经接收光学系统11、 光栏12和滤光片13,把携带冇被测信息的打描光 束会聚到光电接收器14上，经电了学系统及微机实 时数据处理后，主控制器可直接显示试件在不同温 度下变形虽的测最结杲,通过接口可与计算机通讯,

5、将变形最输入计算机，当炉内温度变化时，红外测温 仪通过接口可将温度信息输入计算机，通过数据处 理软件可得到线膨胀系数与温度的变化曲线。图1.1检测系统总体布局Fig. 1. 1 ?rrangement of the measuring system试样的形状、光电接收器接收到的波形、经过半 峰值比较信号处理后波形及变形前后的输出波形比 较如图1.2所示。图中，实线和虚线分别表示被测 试样在室温和加温后的情况。兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 2003兵 工 学 报ACTA ARMAMENTAKIIVol.24 No. 1Feb. 20032001

6、年9月收稿，2002年11月定稿.120兵工学报第24卷119材料高温变形激光打描测V:方法120兵工学报第24卷120兵工学报第24卷图1.2测量波形图Fig. 1.2 Diagram of the measuring wave pattern 若系统的扫描速度为D,初始位置时，在标距内 上下两束光测得的时间为/,则初始尺寸八即被 测试样标距G为L 厶 = n + 6 =（1.1）当炉内温度发生变化时，则通过光电接收器测 得的时间由A/变为此时,L变为V，则：Lr =+ bf = v /（1.2）由（1.1）式、（1.2）式可求出变形量厶,即L = L - L = u （/ - A/O （1

7、.3） 其中门，Tab.2.1Measuringprecisionstatic calibration results序号i1234567A/lX/inni00.511.572.53AAytnin0.0010.4991.0021.5032.0012.4972.998谋 K: 6 =( 厶一 )/川“1一 1931-3- 2/0K2( 1 - 2K|sin2)2| 2u)f表2.1测量椅度静态标定结果.? - I(CKTsin2cos$p + 2川(1 一1 - 2 Ajsin- 1cos )2 - 1 一 K | K2sin2 + C( 1 一 2 Kf) cos + 2sin2( K丸os卩

8、 + Kf) - 1 -式中，C = R/f; K = sin0; K2 = cos创 p 为扫描转 镜瞬时角位移;/为扫描光学系统焦距;3为打描转 镜角速度；R为打描转镜内切圆半径；0为打描光束 入射角。由（1.4）式可知，u是p的函数，由此可知，该系 统是一动态光学系统，其特性主要取决丁速度和准 也特性，为满足测量精度要求，必须设计具有良好动 态特性的特殊光学系统，为此，扫描光学系统采用了 用透镜，它可使扫描速度近似为一常数，即r = 2呼.若室温为 心，炉内温度为 八温度变化帚卩 =T-心，则线膨胀系数&为_ 厶y_ . （/ 一 / ）幺二 AT x Lo 二拆A7_“.（广-A/）八

9、 口、=人 o sy（ 1 5）式中，Kq = v/L当厶0确定后，Ko为一常数。2实验结果与分析2.1系统测量楙度挪态标定数据把变形标定仪给出的变形暈厶“作为标准值, 将测届系统测得的相应变形量厶与之比较，实验 结果如表2.1所示。120兵工学报第24卷120兵工学报第24卷从农中数据看出，测最系统的测最谋差W 3/m.影响系统测最粘:度的主耍因素一是打描速度 误差和扫描光学系统准I 1误差引起的变形测最谋 差；二是测暈系统打描光束与变形标定仪测杆不 垂直造成的倾斜误差。另外,对测量系统的零点漂移进行了实验,其结 果是系统连续工作4h,其零点漂移w 2/nn.2.2线膨胀系数测量结果利用测量

10、系统对M0-l和C/C两种材料的线膨 胀系数进行了测量，其结果如图2.1所示。从图中可看出，该系统可测量3000T温度状态 卜材料的线膨胀系数。由广当被测材料试样加热到 某一温度时,其木身要发红，随着温度的升离，试样图2.1线膨胀系数a与温度AT的变化曲线Fig2 1 Change of linear expansion coefficient a with temperature AT乂红乂亮，相当丁一个辐射光源，对被测扫描光束 （即被测信号）影响很大，当温度达到2 200X左右 时，一般便无法测量，为此，本系统采用了特殊的滤 光片，解决了材料红热状态对扫描光朿的影响，使测 星系统的虽烏测试

11、温度达到3 000%：.3结论本文提出的材料高温变形激光扫描测暈方法, 解决了 I ()()0 3 000%：材料变形量和线膨胀系数的 非接触H动检测问题。研制的测量系统测量范用为 0 3mm,测量精度 3卩m,分辨率1卩m,被测试样标 距30 50mm，最高测量温度3 000%：,测量速度1 3点/s,零点漂移w2艸.具有零位随机设定，测量结 果显示、打印或模拟电压输出，计算机与系统通讯, 图形显示线膨胀系数与温皮变化曲线，根据需耍可 设置多种功能接口等功能。实验结果表明，该测量 系统性能稳定可靠，测量方法可行。参考文献1图布心等.测虽同体线膨胀系数的 种方法.光学技术,2000,26 (1

12、):90-942 E军.测吊金屈材料线膨胀系数两种新方法.物理实验.1998.18 Changchun* 130022)He Fengniei He Xiaoiva(Research Institute of Aerospace Materials Technology)Abstract A laser scanning measuring method and system is presented. It is used in the non-contact measurement of the high temperature deformation of materials and t

13、heir linear coefficient of expansion based on the laser slit scanning measurement and the infrared temperature measurement technology. In this paper, the measuring system and measuring principle are discussed in detail. Using this measuring system high temperature deformation or linear expansion coe

14、fficient of materials is measured. Experimental results manifest that the system works satisfactorily with samples at lOOOT and 3000兀 and at standard distances from 30 50mm. Its measuring precision can rea*h 3/un. The system can provide high temperature characteristics of new types or composite mate

15、rials.Key words instrument and meter laser scannings high temperature defornuitioiu linear expansion coefficient, non-contact measurement120兵工学报第24卷材料高温变形激光扫描测量方法田-5KS文献曲作者: 作者单位：张国玉.徐熙平.杨琳.李成志，何凤梅，何小瓦张国K,徐熙半，畅琳，李成志(长*理I：大学，吉林长春,130022),何风梅，何小瓦(天材料 工艺研究所)刊名：英文刊名： 年,卷(期)： 被引用次数:兵 I学4w|istic|ei|pku| A

16、CTA ARMAMENTARII 2003, 24(1)4次1. Zhang Gucyu Theoreticalanalysisforthecharacteristicsofalaser-sceinnedmeasuringsystem夕卜文期刊19962. 安，忐勇；张国K非接触光电检测仪器的研制及应用前景1997(05)3. I：淑荣；竽志刚W接触散斑干涉测钛高温物体应变的研究期刊论文应用光学1998仃2)4. 空测欤金皿材料线膨胀系数两种新方法1998(04)5. 图布心测晟同体线膨胀系数的种方法期刊论文光学技术2000(01)1. 鱼塑.徐作广光学出接触廓形测炭技术研究进展期刊论文光学技术2008(zl)2. 令作锁.戴景民.账虎.何小瓦碳/碳复介材料高温等热物性参数测量系统期刊论文测试技术学报2008(5)3. 吐 里于LabVIE丐的橡胶变形非接触测试图像处理方法硏究学位论文硕士 20064. 阮尺谊炸搖变形控制和测乗学位论文硕I: 2005本文链接：http: 7d. g. wanfangdata. com. cn/Periodical_bgxb200301029. aspx