[实用新型]一种膜层热膨胀系数测试仪

说明书

本实用新型属于测量技术领域，更进一步涉及一种用于测量材料表层性能的膜层热膨胀系数测试仪。

目前，对于材料表层性能的膜层热膨胀系数进行测量的仪器种类很多，按加热时膨胀量的检测方法，可以分为光学放大式、机械放大式及电磁放大三种类型。它们的测量原理均是把试样作成细长棒形或丝状形，通过测量长度随温度变化曲线求得线膨胀系数。这种方法无法测量膜层膨胀系数，其原因有二，一是测量原理行不通，因为膜层较薄，一般厚度为微米级或亚微米级，而膨胀量为纳米级。二是测量精度要求高到纳米级，仪器受热后，其系统尺寸的变化会大大超出纳米级，甚至超过膜层厚度微米级的范围。

本实用新型的目的在于提供一种适用于微米级或亚微米级膜层厚度纵向热膨胀系数测试仪。

本实用新型包括样品室、调节试样架、电加热器、测温热电偶，防震工作台以及测量机构。样品室为保温材料制成的箱体，调节试样架由X、Y、Z轴组成三维座标，并分别用三只电机带动，Z轴装于机架下部，电加热器和测温热电偶以及X轴、Y轴的电机分别固定于样品室的箱体上。测量机构由两根石英测杆及其中部的差动电容组成双微位移测量机构。整个主机置于防震工作台上。

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型的结构示意图。

本实用新型的调节试样架2由X轴、Y轴和Z轴组成三维座标，每轴由一只电机带动，Z轴23装于机架12的下部。样品室3为一透明保温材料制成的六面箱体，其底面与Z轴23连成一体。在样品室3的左侧和后箱壁上分别装有Y轴5的电机4和X轴21的电机19。样品室3上箱壁装有电加热器6和热电偶17。调整Z轴23，整个样品室3随样品架2上下动作。双微位移测量机构的两根石英测杆7的中部各装一个几何形状和尺寸相同的差动电容。其差动电容的动片14位于两定片13和16之间的正中位置。其中动片14为一金属环形片。它的内孔与石英测杆7紧固成一体，随杆动作。两差动电容定片13和16通过绝缘臂固定在机械调零装置8上，定片环与测杆同心，且内孔与测杆有一定的间隙。扭动旋钮15，调零装置8可在机架12上滑动，以调整定片13和16与动片14上下相对位置。动片14及两定片13和16分别用电缆与插座9相接。放在调节样品架X轴21上的样品20处于两测杆7的正下方，样品20可以是圆片形，也可以是扁长方体，其上表面涂覆有约占该表面二分之一面积的各种膜层18。三维调节样品架2分别由电机19和4带动，以调整样品20在X与Y轴方向的位置。样品架2通过Z轴23调整样品上下位置。机架12为一E字形金属铸件，样品室3及样品架2位于其下部空档，差动电容位于其上部空档。两石英测杆7呈细长棒形，它与样品20接触的下端呈球形，其上端设有凸台，并自机架12顶端两对称孔中，穿过机架上部空档，直接伸入样品室3，调节机架12两孔中的螺钉11，可通过弹簧10来调整测杆7与样品20的接触力。机架12底面装有三只自位丝顶22，用来调整主机的水平位置。整个主机放在带有气垫的防震工作台1上面。

本实用新型的双微位移测量机构，可以与控制仪构成了一个自校正系统。不论是环境温度的变化，还是样品室加热后温度的变化，对处于同一系统中的两石英测杆7的影响效果是完全相等的，即两测徽机构差动电容输出的差值始终等于零。在放样品前，首先通过Z轴23使样品台21上基准面与两石英测杆7同时接触后，再调整差动电容调零装置15，让两差动电容输出之差为零而处于平衡位置，然后降下样品台，打开样品室3前门，把样品20放置在样品台面上，其样品基体与涂覆有膜层的面分别处在两测杆正下方，关闭前门，将样品升至两表面匀与两测杆接触后，所测得的两测微差动电容输出之差就等于膜层的厚度。测出膜层厚度后，调整15使两差动电容输出之差再为零。此时若样品室开始加温，则样品基体在膨胀、膜层也在膨胀，整个主机各部件均因温度变化，各自均在发生不同程度的膨胀或收缩，但对于处于同一系统，相同环境中的两微位移测量机构的影响是相同的，其唯的差别就是膜层的膨胀量。这一膨胀量是通过两测微位移机构差动电容输出之差测得的。整个主机在各种仪器及微计算机的控制下，可以实现控制、数据采集、数据处理、结果输出全过程自动化。

本实用新型由于采用了双微位移机构，它与控制仪可组成自校正系统，因此可对表面工程技术领域实现微米级或亚微米级膜层热膨胀系数的高精度测量。膨胀量测量的分辨率达0.1nm。