專利名稱：應(yīng)力式玻璃膨脹儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物性參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及通過測量熱應(yīng)力來實現(xiàn)對玻璃的熱膨脹系數(shù)的測量裝置及方法。
熱膨脹系數(shù)是生產(chǎn)玻璃制品的重要參數(shù)，由于玻璃的膨脹系數(shù)小，而生產(chǎn)對測定值的精度又要求高(準確到第三位數(shù)字)，常規(guī)基于測量伸長的測試方法不能滿足要求。美國學者H.E.HAGY提出一種全新的方法，即通過測量封接試件的熱應(yīng)力來測量與標準玻璃之間的膨脹系數(shù)差。(見.“三義溶接試件-一種快速而準確的膨脹差試驗”美國陶瓷學會學報，Vol.62,No.1-2,1979,60-62)。
美國康寧公司研制了基于這種原理的檢測裝置，采用常規(guī)的偏光儀及Tardy補償法來測定應(yīng)力，其分析鏡轉(zhuǎn)角用游標讀到0.1°，在測量精度與可靠性方面仍不能滿足要求，問題的關(guān)鍵是采用光彈性Tardy補償法來測定因膨脹系數(shù)差引起的很小的應(yīng)力值。在特定的光場布置下轉(zhuǎn)動偏光儀的分析鏡，使被測點光強抵消成極小值，由轉(zhuǎn)動的角度確定應(yīng)力值，由于人眼對光強的微小變化很不敏感，一般Tardy方法的讀數(shù)精度低于1/50級條紋(相當分析鏡轉(zhuǎn)動3.6°)，遠不能滿足生產(chǎn)的精度要求。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種高精度的應(yīng)力式玻璃膨脹系數(shù)測定裝置，包括單色光源，偏光儀，控溫電爐，數(shù)字測角儀及數(shù)字條紋判讀儀等部分；并提出一種新的極值判讀方法“半峰值平均法”，使測量精度大為提高。
本發(fā)明提出一種應(yīng)力式玻璃膨脹儀，包括發(fā)出單色光束的光源，與所說的光束同軸設(shè)置的偏光儀、控溫電爐，其特征在于，還包括同軸設(shè)置的光電轉(zhuǎn)換器及對其輸出的信號進行判讀的數(shù)字條紋判讀儀以及圓光柵數(shù)字測角儀。
本發(fā)明提出用于上述的應(yīng)力式玻璃膨脹儀的對光強信號進行判讀的方法，其特征在于，采用半峰值平均法，即選取光強極小值相鄰的二個半峰值點A、B作為測讀點，將A、B兩處所測得的數(shù)值取平均數(shù)為測讀值。
本發(fā)明的工作原理簡述如下將由待測玻璃制成的二根細圓棒，置于由標準玻璃制成的細圓棒的兩側(cè)，在兩端端部熔結(jié)以構(gòu)成三義試件。當環(huán)境溫度變化時，由于二種玻璃膨脹系數(shù)之差會引起應(yīng)力，將該試件置偏光儀的光場中，通過分析鏡可以觀察到因應(yīng)力引起的光強變化，轉(zhuǎn)動分析鏡可以抵消這種光強變化，使其回到極值狀態(tài)，由轉(zhuǎn)動的角度可以確定應(yīng)力值，因此可由下式來測定膨脹系數(shù)。
αA=αB+λ(Rt-Ro)180KdB(Tt-To)[1EB+12EA(dBdA)2]---(1)]]>式中To,Ro為室溫及在室溫條件下用Tardy法分析鏡轉(zhuǎn)動使被測點處光強最小時所處的角度，Tt,Rt為升溫后的溫度及相應(yīng)轉(zhuǎn)動分析鏡使測點光強最小時所處的角度，EA,EB分別為玻璃A與標準玻璃B的楊氏模量，K為玻璃的應(yīng)力光學系數(shù)，dA,dB分別為制成三義試件的被測玻璃圓柱與標準玻璃圓柱的直徑。
由于轉(zhuǎn)動分析鏡時，透過分析鏡的光強隨轉(zhuǎn)動角度變化的函數(shù)是簡諧函數(shù)的平方，在極值附近鈄率為零，而光強半峰值處鈄率最大，選取極小值相鄰的二個半峰值點為測讀點，由數(shù)字顯示的光強及分析鏡轉(zhuǎn)角值可以非常準確的測定該二半峰值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角RA、RB，取其平均值即為所示極值位置，典型實驗值如135.32±0.02°，誤差小于0.02°。
本發(fā)明具有如下特點(1)常規(guī)偏光儀分析鏡轉(zhuǎn)角刻度為1°，美國康寧公司研制的裝置采用游標，讀到0.1°，本發(fā)明裝置采用圓光柵及光電數(shù)顯系統(tǒng)，用數(shù)字顯示轉(zhuǎn)角，準確到0.015°。
(2)本發(fā)明首次實現(xiàn)用數(shù)字條紋判讀系統(tǒng)，取代直接用人眼判讀光強極值位置，大大提高了判讀的靈敏度，在半峰值附近可明顯判別轉(zhuǎn)動0.015°引起的光強變化。
(3)本發(fā)明提出“半峰值平均法”，使測量精度可達1/2500級條紋，精度提高50倍。
附圖簡要說明

圖1為本發(fā)明的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明提出一種應(yīng)力式玻璃膨脹儀實施例，其結(jié)構(gòu)及工作過程結(jié)合附圖詳細說明如下本實施例所述的應(yīng)力式膨脹儀包括激光器，偏光儀，控溫電爐，數(shù)字測角儀，數(shù)字條紋判讀儀，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示。其中，平面偏振的氦氖激光器1，輸出波長為0.6328μm的單色光束，激光器電源12向激光器提供穩(wěn)定的電能，使其穩(wěn)定輸出10mw光強。偏光儀由起偏鏡2，分析鏡9以及1/4波片3和7組成，所述元件分別用光具座支持在共同的導(dǎo)軌11上。1/4波片應(yīng)選用波長為0.6328μm，分析鏡9固定在裝有圓光柵的調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)軸上，2、9、3、7元件偏振軸的位置按雙正交圓偏振光場布置。擴束鏡4是為了將激光束擴大，均勻照明試件。控溫電爐5是由不銹鋼材料特制，為保證置于其中的試件所處的環(huán)境溫度場均勻，采用一實心的不銹鋼圓柱，直徑為90mm，長70mm，在中部打一直徑為24mm的通孔以插入圓柱形試件座。另打一直徑為10mm的通孔與之垂直，作為通光及觀察孔，并封以石英玻璃。不銹鋼圓柱與外殼間以隔熱材料隔開，不銹鋼圓柱兩端用電爐絲加熱，電壓為160伏。溫度控制儀13是采用XMT-7511型智能數(shù)顯調(diào)節(jié)器控制溫度與SSR固態(tài)繼電器配用，溫度測量精度為0.5％，溫度可穩(wěn)定到±1°。電爐5可以方便地橫向移動，以便與試件架6交替的處于工作位置，在常溫條件下測量時裝有試件的試件座置于試件架6上，數(shù)字測角儀包括圓光柵，光電轉(zhuǎn)換器及數(shù)顯儀14等部分。圓光柵與偏光儀的分析鏡9固定在同一轉(zhuǎn)軸上，隨分析鏡轉(zhuǎn)動，光電轉(zhuǎn)換器固定在分析鏡的調(diào)節(jié)架上，光源與接收器分別在圓光柵的兩邊，裝配要求精密，以保證圓光柵隨分析鏡轉(zhuǎn)動時光強周期性變化的波形。圓光柵的刻度為2400線，光電轉(zhuǎn)換器輸出的電訊號經(jīng)數(shù)顯儀14十倍頻后用數(shù)字顯示，最末一位數(shù)字0.01代表0.015°，圖中成像鏡頭8，光電轉(zhuǎn)換器10與激光功率計15組成數(shù)字條紋判讀系統(tǒng)。成像鏡頭8是可調(diào)焦鏡頭，焦距范圍28～85mm/f3.5～4.5，可方便地將試件在光電轉(zhuǎn)換器10的屏上成象。光電轉(zhuǎn)換器10采用B-GJ4E型PIN-FET混合集成光電接收器，具有前置放大功能。激光功率計15為高靈敏大測量范圍的激光功率計，可測范圍為0.001mw至200mw，用數(shù)字顯示來反映條紋光強隨分析鏡轉(zhuǎn)動微弱的變化。
本實施例測試步驟是首先打開激光器1，設(shè)置控溫電爐溫度，使溫度穩(wěn)定在所要求的溫度Tt，記錄室溫To，接通動力電源160V，將控溫爐5移至右端，將裝有試件的試件座放入常溫測試架6中，試件座的中心圓孔正對偏光儀的光軸，調(diào)整成象變焦鏡頭8，使試件在條紋判讀儀光電轉(zhuǎn)換器9屏面上成象，并調(diào)整光電轉(zhuǎn)換器位置，使光場中間亮帶對準光電管的小窗口。轉(zhuǎn)動分析鏡9，使數(shù)字條紋判讀的激光功率計15顯示值達到最大值，而后取最大值的1/2為判讀值，轉(zhuǎn)動分析鏡9使顯示值達到判讀值，記下對應(yīng)的數(shù)字側(cè)角儀顯示的數(shù)值RA，再向光強減小的方向轉(zhuǎn)動分析鏡，直到再達到判讀值，記下數(shù)字測角儀的顯示值RB，1/2(RA+RB)即為所需求的極值位置。所測得的角度為在常溫條件取極值時分析鏡的位置Ro；再將控溫爐右移，使其通光孔正對光軸，將經(jīng)過室溫測試的試件座從常溫測試架取下，插入加溫爐中，轉(zhuǎn)動分析鏡，重復(fù)在常溫條件下測讀的步驟，可以測得升溫條件下條紋取極值時分析鏡的位置RT，將RT,Ro,Tt,To代入(1)式即可得到與標準玻璃的膨脹系數(shù)αA-αB，及待求的膨脹系數(shù)αA。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力式玻璃膨脹儀，包括發(fā)出單色光束的光源，與所說的光束同軸設(shè)置的偏光儀、控溫電爐，其特征在于，還包括同軸設(shè)置的光電轉(zhuǎn)換器及對其輸出的信號進行判讀的數(shù)字條紋判讀儀以及圓光柵數(shù)字測角儀。
2.用于如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力式玻璃膨脹儀的對光強信號進行判讀的方法，其特征在于，采用半峰值平均法，即選取光強極小值相鄰的二個半峰值點A、B作為測讀點，將A、B兩處所測得的數(shù)值平均數(shù)為測讀值。
全文摘要
本發(fā)明屬于物性參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域,包括發(fā)出單色光束的光源,與所說的光束同軸設(shè)置的偏光儀、控溫電爐,還包括同軸設(shè)置的光電轉(zhuǎn)換器及對其輸出的信號進行判讀的數(shù)字條紋判讀儀以及圓光柵數(shù)字測角儀。并采用半峰值平均法,即選取光強極小值相鄰的二個半峰值點A、B作為測讀點,將A、B兩處所測得的數(shù)值平均數(shù)為測讀值。使測量精度可達1/2500級條紋,精度提高50倍。
文檔編號G01L1/24GK1210257SQ98117799
公開日1999年3月10日 申請日期1998年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月18日
發(fā)明者周辛庚, 李廣會, 章偉寶 申請人:清華大學