【文章內容簡介】 原理為：穩(wěn)頻氦氖激光器射出的激光經(jīng)過一個偏振分光鏡，分為兩束，取其中一束P線偏振光，線偏振光經(jīng)過擴束鏡，擴束鏡可以增加光束的平行性。然后經(jīng)過一四分之一波片變成一圓偏振光，圓偏振光入射到一偏振分光鏡上，被分成P線偏振光和S線偏振光：其中P線偏振光經(jīng)過一四分之一波片變成圓偏振光后入射到樣品的前一個表面上，經(jīng)樣品前表面反射后再次經(jīng)過四分之一波片變成S線偏振光，然后再次經(jīng)過偏振分光鏡，該光為測量光；另一束S線偏振光經(jīng)過四分之一波片變成圓偏振光后被兩個反射鏡反射，反射回來的光經(jīng)過四分之一波片后變成P線偏振光然后再次回到偏振分光鏡，為參考光。然后這兩束P線偏振光和S線偏振光光共同經(jīng)過兩個反射鏡后入射到另一側的偏振分光鏡上，再次被分開：其中測量光S線偏振光再次垂直入射到樣品的另一個表面反射后由于兩次經(jīng)過四分之一波片變成P線偏振光，然后經(jīng)過偏振分光鏡；參考光P線偏振光被兩個反射鏡反射后兩次經(jīng)過四分之一波片變成S線偏振光也經(jīng)過偏振分光鏡，最后這兩束光經(jīng)過一個四分之一波片變成兩個反向的圓偏振光后重疊干涉形成一個旋轉的線偏振光，然后經(jīng)一普通分光鏡分成兩部分，這兩部分分別通過兩個偏振方向垂直的偏振片后兩路干涉信號分別被光電二極管接收，其中一路為正弦信號，一路為余弦信號。正弦信號可以確定干涉條紋平移的整數(shù)個數(shù)，正余弦信號一起可以確定干涉條紋平移的非整數(shù)部分及變化方向。兩個相鄰溫度點間樣品形變所引起的光程差的一半即為樣品的絕對形變量，測量光程變化一個波長對應樣品形變量，所以樣品形變量為，為干涉條紋變化量。參考光路一反射鏡粘在一壓電陶瓷上，通過改變壓電陶瓷上的電壓來改變光程，模擬快速膨脹或收縮，以便在沒有膨脹或收縮的條件下可以調節(jié)信號的幅度和相位。該光路設計過程中要求參考光經(jīng)偏振分光鏡到兩個反射鏡返回的光程和測量光經(jīng)偏振分光鏡到樣品表面返回的光程相等，這樣可以抵消由于石英臺的膨脹或收縮給測量帶來的影響。從干涉儀干涉原理可以看出該方法實現(xiàn)了材料線膨脹率的絕對法測量，而且由于光路的對稱性，避免了樣品在爐腔里的左右傾斜或上下傾斜帶來的光程差以及樣品平行度好但垂直度不佳而帶來的影響，降低了加工工藝的要求。 電測系統(tǒng) 電測系統(tǒng)，從干涉儀出來的兩路正余弦信號，經(jīng)放大移相后送入計數(shù)器，計算機通過5313D多通道數(shù)據(jù)采集卡讀取計數(shù)器鎖存器和A/D送出的數(shù)據(jù)，從鎖存器中讀取的數(shù)據(jù)為信號大數(shù)，表示通過的干涉條紋數(shù)的整數(shù)，從A/D讀取的數(shù)據(jù)為小數(shù)，表征通過的干涉條紋小數(shù)。示波器主要用來監(jiān)視信號的狀態(tài)。樣品溫度用OMEGA公司生產(chǎn)的直徑 ，用8位半的數(shù)字多用表3458A來測量其熱電勢，計算機通過數(shù)據(jù)采集卡采集并記錄其測量值。計算機控制5445D D/A卡輸出三角波通過高壓放大器放大驅動壓電陶瓷，從而實現(xiàn)在沒有加熱和冷卻的條件時，模擬快速膨脹或收縮。計算機選用具有較低電磁輻射的工業(yè)控制機。干涉儀的分辨率由兩路信號的幅度和對信號的細分方法決定。兩位正余弦信號各經(jīng)過一個8位A/D在一個周期內最大細分為512等份，一般A/D不能經(jīng)常工作在滿負荷下，為了保證大數(shù)計數(shù)器正常計數(shù)，以及干涉儀高分辨率，對于本電測系統(tǒng)，為了保證A/D工作條件，電信號的幅度要求不能小于600mV，在此要求得到滿足的條件下，長度測量的分辨率小于1nm。 測量軟件本裝置測量熱膨脹率是一種穩(wěn)態(tài)測量，為了保證測量準確，需要給樣品緩慢升溫，使樣品完全而且穩(wěn)定膨脹。所以，完成一次實驗需要十幾個小時甚至幾十個小時，這樣除了需要性能好的實驗裝置及測量設備外，還需要一套全自動測量軟件來與硬件設備匹配。在裝置建立初期，根據(jù)測量原理及電測系統(tǒng)，利用Visual 。當實驗過程中給樣品升溫或者降溫時，軟件同時記錄計數(shù)器的大、小數(shù)以及樣品溫度，一直到實驗結束。在整個實驗過程中，由于光路及電路的影響，信號零位可能漂移，這里通過觀察示波器信號變化手動進行零位調節(jié)，通過調節(jié)信號放大倍數(shù)、相位等，使信號近似歸于零位。該軟件在使用過程中存在一些問題，包括：（1）功能簡單，只能進行數(shù)據(jù)采集；（2）時間跨越零點時，出現(xiàn)死機現(xiàn)象；（3）溫度采集出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。結合這些問題，在此軟件基礎上重新開發(fā)了熱膨脹率測量軟件，并針對存在的問題進行了改善和提高。為了求其完備性，在新軟件中增加了信號調節(jié)功能和數(shù)據(jù)修正功能，大大提高了測量的自動化水平和準確性。 軟件開發(fā)在整個軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中，總體設計是整個系統(tǒng)開發(fā)的關鍵。本軟件本著運行時間長、系統(tǒng)功能完善、人機對話界面友好、占用空間小、操作簡單易學的指導思想，采用模塊分層，自頂向下設計。熱膨脹測量軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理信號調節(jié)數(shù)據(jù)修正測量方式選擇參數(shù)設置啟動采集系統(tǒng)趨勢圖顯示數(shù)據(jù)實時顯示原始數(shù)據(jù)保存計算結果數(shù)據(jù)保存驅動壓電陶瓷生成模擬信號，輔助手動信號調節(jié)初始信號漂移修正終了信號漂移修正信號畫圓顯示 軟件系統(tǒng)設計框圖在確定系統(tǒng)結構之后，分別對各個子模塊進行編寫，各個子程序可以先進行獨立編寫和調試，然后結合整體構思進行總程序編寫和調試，自底向上實現(xiàn)，有機結合，最后進行總編譯，形成一套完整的熱膨脹率測量軟件。本軟件在開發(fā)過程中全部模塊代碼與界面均應用Visual [25,26]，并以WindowsXP系統(tǒng)作為開發(fā)平臺編寫。軟件實現(xiàn)的主要功能有：用驅動A/D板卡采集干涉條紋移動數(shù)目，并轉化成樣品型變量；驅動NIGPIB數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)字表3458A上的電壓信號并轉化為溫度值，大大提高了數(shù)據(jù)采集的速率，而且穩(wěn)定性好，不丟數(shù)據(jù)；通過A/D板卡驅動壓電陶瓷生成模擬信號進行信號調節(jié)和漂移修正；實現(xiàn)單點、連續(xù)及升溫、降溫多種組合測量方式的功能；實現(xiàn)數(shù)據(jù)趨勢圖的實時顯示、信號畫圓模擬，顯示功能更加全面，界面更加漂亮，并且大大減小了程序運行空間；軟件還實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時保存，并且自動對測量數(shù)據(jù)進行修正和計算，數(shù)據(jù)保存采用標準的EXCEL文件，為后期數(shù)據(jù)處理及查看帶來極大的便利；本軟件應用了一套可編輯的界面皮膚控件，增加了軟件界面的友好度，而且比其它皮膚控件占用空間小，使軟件運行時間長，連續(xù)工作幾晝夜運行均正常。軟件操作界面包括一個主界面和一個參數(shù)設置子界面，幾乎所有功能都集中于主界面當中，功能區(qū)分明了，操作方便快捷。 材料熱膨脹率測量系統(tǒng)主界面，主界面第一欄為標題欄，注明軟件名稱“材料熱膨脹率測量系統(tǒng)”；第二欄為菜單欄，與常用應用軟件類似，包括[文件]菜單、[設置]菜單、[幫助]菜單，主要功能是文件保存設置、參數(shù)設置、軟件使用幫助等；第三欄是地址欄，用于數(shù)據(jù)文件保存設置；第四欄分兩部分，左側是控制按鈕，主要實現(xiàn)參數(shù)設置、信號調節(jié)、全自動測量以及停止和退出功能，右側是測量方式選擇，可以選擇4種不同的組合測量方式；第五欄是數(shù)據(jù)實時顯示欄；軟件界面中間部分是主顯示區(qū)，包括溫度和形變的趨勢圖顯示、信號畫圓模擬顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)結果輸出顯示；軟件界面最底端是狀態(tài)欄，顯示主辦單位和測量日期。 軟件操作本軟件開發(fā)的目的是為了實現(xiàn)全自動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)修正和結果輸出。否是讀終值計算結果漂移修正讀初值記錄數(shù)據(jù)初始化等待穩(wěn)定漂移修正 軟件流程圖在材料熱膨脹率測量過程中，裝置工作準備完成后，啟動測量軟件，按照實驗要求進行信號調節(jié)，然后，選擇測量方式組合并設置（樣品名稱、樣品長度、實驗描述、采樣頻率、平衡判斷條件和數(shù)據(jù)保存地址等），設置完畢后，點擊[全自動開始]按鈕開始測量，同時啟動控溫系統(tǒng)。在測量過程中，軟件自動進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、平衡判斷、數(shù)據(jù)修正，當樣品在初始溫度穩(wěn)定時，同時對樣品開始加熱，當樣品在終了溫度穩(wěn)定時，輸出結果，測量完畢。整個測量過程，全由軟件自動完成，無需人為干預，大大節(jié)省了人力資源并提高了材料熱膨脹率測量的自動化水平。 小結本章主要介紹了中國計量科學研究院設計的激光干涉法固體材料熱膨脹率測量標準裝置并開發(fā)了一套全自動測量軟件。該裝置對于干涉儀光路提出新的設計思想，強調光路的對稱性，這樣降低了樣品的加工工藝，減小了測量系統(tǒng)自身膨脹帶來的影響，樣品采用水平放置，可以在水平方向自由伸縮，減小了自重帶來的影響。在原測量軟件的基礎上，開發(fā)了一套功能齊全、操作方便、界面友好的全自動測量軟件，大大提高了測量的自動化水平。第4章 測量裝置的復現(xiàn)性研究及數(shù)據(jù)比對 引言測量的重復性是衡量測量裝置可靠性的一個重要指標。實驗對樣品在不同溫度點進行測量，通過計算相同溫度點的測量結果的相對標準偏差來評價，計算公式如下： （41）這里，代表相對標準偏差，代表單次實驗在某一溫度點的熱膨脹率，代表多次實驗在某一溫度點上的平均熱膨脹率，代表實驗次數(shù)。為了進一步驗證測量的可靠性，本文對該裝置的測量數(shù)據(jù)與NIST參考數(shù)據(jù)和文獻公布數(shù)據(jù)進行比對，比對樣品是738奧氏體不銹鋼和單晶硅。 實驗 準備工作（1）樣品。根據(jù)該裝置的爐體設計及測量原理，對樣品的形狀及工藝有一定的要求。為了保證爐子中樣品溫度均勻，樣品的名義長度應為50 mm，直徑為10mm。樣品兩截面為高反射率鏡面，一般對于透光性材料采取表面鍍銀膜，鍍膜的厚度為幾百個埃的量級，對測量的影響可以忽略不計，對于非透光性材料表面要進行研磨。（2）光路調節(jié)。為了保證信號質量，激光器必須處于穩(wěn)頻狀態(tài)。首先調節(jié)激光器和加熱爐，使測量光垂直入射在樣品前表面。測量光被樣品前表面反射后與參考光重合，一起入射到光路后半部分，再調節(jié)反射鏡和偏振分光鏡使測量光垂直入射到樣品后表面。測量光再次被樣品后表面反射后，與參考光再次重合產(chǎn)生干涉條紋。干涉信號通過光電二極管轉換成電信號，輸入電測系統(tǒng)。計算機驅動壓電陶瓷產(chǎn)生模擬信號，并顯示在示波器上。微調光路使電信號幅度達到要求而且很穩(wěn)定。（3）抽真空。信號調好后，罩上真空罩。為了防止信號消失，緩慢抽真空。當真空度達到1103Pa才可以進行實驗測量。（4）設置控溫裝置。在控溫儀上設置初始溫度和終了溫度，以及控溫P、I、D參數(shù)和加熱時間等相關參數(shù)。 實驗過程準備工作完成后，同時啟動測量軟件和控溫系統(tǒng)。為了保證樣品能正常膨脹，加熱分段進行，一般先用4小時左右讓爐子加熱到低于設定溫度3～5℃，然后用1小時緩慢加熱到設定溫度，最后讓爐子保持在設定溫度7～8小時，直到樣品膨脹穩(wěn)定。 測量的重復性 為了驗證該測量裝置的性能，重復性實驗以美國國家標準技術研究院（NIST）的標準參考物質738奧氏體不銹鋼和單晶硅在連續(xù)的溫區(qū)和不同溫度點進行了測試，實驗升溫步長在50℃左右。 常溫下對奧氏體不銹鋼的測量數(shù)據(jù)實驗序號12345室溫(℃)真空度(102Pa)樣品溫度(K)初始終了平均ΔT(K)ΔL(nm)3097730968309893098730964實驗結果(106K1)，103，104，103。在300℃。 在300℃對奧氏體不銹鋼的測量數(shù)據(jù)實驗序號1234室溫(℃)真空度(102Pa)樣品溫度(K)初始終了平均ΔT(K)ΔL(nm)28725287142872328719實驗結果(106K1)，103，105，103。在600℃。 在600℃對單晶硅的測量數(shù)據(jù)實驗序號123室溫(℃)真空度(102Pa)樣品溫度(K)初始終了平均ΔT(K)ΔL(nm)992799289929實驗結果(106K1)，103，105，103。在800℃。 在800℃對單晶硅的測量數(shù)據(jù)實驗序號1234室溫(℃)真空度(102Pa)樣品溫度(K)初始終了平均ΔT(K)ΔL(nm)10820108011080710827實驗結果(106K1)，103，104，103。由上述測量結果可知，該裝置在所測溫度上的具有較高的重復性。 測量數(shù)據(jù)的比對 為了進一步驗證該裝置的可靠性，從常溫到1200K對樣品進行了連續(xù)測量，并且將測量結果與NIST參考數(shù)據(jù)和文獻公布的數(shù)據(jù)進行了國際比對。首先，以NIST提供的738奧氏體不銹鋼為樣品，從常溫到740K進行了實驗測量。 不銹鋼試樣膨脹線膨脹率測量結果序號溫度（K）α（106K1）123456789在高溫段以單晶硅為樣品，從800K到1200K進行了實驗測量。 單晶硅試樣膨脹線膨脹率測量結果序號溫度（K）α*（106K1）12345 測量結果曲線擬合 與美國國家標準技術研究院（NIST）數(shù)據(jù)的比對數(shù)據(jù)比