材料高温变形激光扫描测量方法

　　对某些特殊用途的航空航天材料来说,在不同温度下,尤其是高温状态下材料变形或线膨胀系数的大小是衡量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要意义。目前,对1000℃以下材料变形或线膨胀系数的测量多数采用热电偶、光栅[1]、电感或电容传感器[2]等接触方法。而对1000℃以上材料变形的测量可用散斑干涉法[3]测量,测量范围1mm,精度可达1μm,但只能实现2300℃以下的测量。对于更高温度材料变形的测量还没有更好的方法。为此,本文采用激光扫描法[4]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1 000~3 000℃温度状态下材料变形量和线膨胀系数的非接触自动测量。

　　1　系统的组成与测量原理

　　系统总体布局如图1.1所示。从半导体激光器1发出的激光经准直系统2和反射镜3后,入射到以等角速度ω转动的扫描转镜4上,反射出的光束则以2ω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束,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整)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(下端螺纹固定上端自由)标距后,经接收光学系统11、光栏12和滤光片13,把携带有被测信息的扫描光束会聚到光电接收器14上,经电子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量的测量结果,通过接口可与计算机通讯,将变形量输入计算机,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。

　　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。

　　若系统的扫描速度为v,初始位置时,在标距内上下两束光测得的时间为Δt,则初始尺寸L(即被测试样标距L0)为

　　当炉内温度发生变化时,则通过光电接收器测得的时间由Δt变为Δt′,此时,L变为L′,则:

式中,C = R/f;K1=sinθ;K2=cosθ;φ为扫描转镜瞬时角位移;f为扫描光学系统焦距;ω为扫描转镜角速度;R为扫描转镜内切圆半径;θ为扫描光束入射角。

　　由(1.4)式可知,v是φ的函数,由此可知,该系统是一动态光学系统,其特性主要取决于速度和准直特性,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fθ透镜,它可使扫描速度近似为一常数,即v =2ωf.

　　若室温为T0,炉内温度为T,温度变化量ΔT= T- T0,则线膨胀系数α为