【摘要】 本文介绍一种新型稳健干涉仪技术，通过双透镜创新设计解决双材料晶格热膨胀系数测量中的微位移误差问题，实现高精度抗干扰测量。

膨胀性能调控。然而，准确测量这些复杂结构的等效热膨胀系数成为制约其进一步发展的关键技术瓶颈。

传统热膨胀系数测量面临的核心挑战在于测量过程的长期性。由于热膨胀系数测定需要较长的观测时间，在此过程中环境振动和测量装置自身的热变形会导致传感器与测试样品之间产生微位移。这种微位移虽然微小，却会引入不可接受的测量误差，严重影响了测量结果的准确性和可靠性。

 

现有测量技术对比分析

目前测量材料热膨胀系数的主要技术包括应变片法、电容法、干涉法和数字光电技术法。其中，激光干涉技术和数字图像相关（DIC）方法是测量双材料晶格热膨胀系数最常用的手段。

激光干涉技术的局限性

激光干涉技术通过监测干涉条纹的变化来测量热变形，理论上具有较高的测量精度。然而在实际应用中，激光干涉条纹图对环境振动异常敏感，无法有效消除由微位移引起的测量误差。研究表明，使用激光干涉法测量负热膨胀双材料晶格时，测量误差较大，主要原因就是未考虑微位移的影响。

数字光电技术的不足

数字图像相关方法通过比较变形前后拍摄的图像提供全场热变形信息，采用高分辨率相机捕捉测试样本的数字图像。该方法虽然能够部分消除微位移引起的测量误差，但对温度变化、空气湍流和样品面外位移仍然十分敏感。

 

创新测量系统设计与原理

针对现有技术的局限性，本研究提出了一种新型稳健激光干涉测量方法。该方法的创新之处在于采用了特殊的抗干扰设计，能够有效消除微位移带来的测量误差。

系统组成与工作机制

测量系统由温度控制系统和距离测量系统两部分组成。距离测量系统包含测距装置和两个平行平面透镜，这种独特设计构成了系统的核心创新点。

两个平行透镜的巧妙布置能够避免微位移平移分量引起的测量误差。其中，右侧透镜作为微旋转角度指示器，专门用于测量微位移的旋转角度，从而消除旋转分量带来的误差。这种双透镜协同工作机制确保了测量结果的准确性。

抗干扰能力提升

通过距离测量装置和两个平面透镜的有机结合，建立了具有卓越抗干扰能力的干涉测量系统。实验验证表明，该方法不仅能够避免平移引起的测量误差，还可以有效消除旋转角导致的测量偏差。

图1测量系统原理图。它由温度控制系统和距离测量系统组成。

 

技术优势与性能验证

与传统测量方法相比，本技术展现出显著的性能优势：

误差消除能力

新型干涉仪通过独特的双透镜设计，实现了对微位移平移和旋转分量的同步补偿。测试结果表明，系统能够将微位移引起的测量误差降低到可忽略的水平，大幅提高了测量精度。

环境适应性

得益于稳健的设计方案，该系统对实验环境的要求相对宽松，降低了测量条件控制的难度和成本。这一特点使得该技术特别适合在常规实验室条件下进行高精度测量。

应用范围扩展

该方法不仅适用于常规双材料晶格的热膨胀系数测量，还可用于负热膨胀材料、复合材料等特殊材料系统的性能表征，具有广泛的应用前景。

 

实验验证与结果分析

通过系统的实验验证，本研究证实了所提出方法的有效性和可靠性：

测量重复性验证

在相同实验条件下进行多次重复测量，结果显示测量结果具有良好的一致性，证明了方法的稳定性和可重复性。

与传统方法对比

与传统激光干涉法进行对比实验，新型干涉仪显示出了明显的精度优势，特别是在存在环境微振动的条件下，性能提升更为显著。

实际应用测试

将本方法应用于实际双材料晶格样品的测量，获得了令人满意的结果，为材料设计和性能评估提供了可靠的数据支持。

 

技术前景与发展方向

本研究提出的稳健干涉测量方法为双材料晶格热膨胀系数的高精度测量提供了有效的技术解决方案。该技术的成功开发不仅解决了实际测量中的关键技术难题，还为材料热膨胀性能研究开辟了新的途径。

未来研究方向

进一步的研究将聚焦于以下几个方向：

1.系统 miniaturization 和便携性提升

2.测量自动化程度提高

3.适用材料范围的进一步扩展

4.与其它表征技术的集成应用

工业应用潜力

该技术有望在材料研发、质量控制和产品设计等多个环节发挥重要作用，特别是在对热膨胀性能有严格要求的应用领域，如精密仪器制造、航空航天材料开发等。

 

结论

本研究成功开发了一种用于双材料晶格热膨胀系数测量的稳健干涉仪，通过创新的双透镜设计有效解决了微位移引起的测量误差问题。实验结果表明，该方法具有较高的测量精度和良好的抗干扰能力，为双材料晶格的热膨胀性能研究提供了可靠的技术支持。

该技术的提出不仅填补了现有测量技术的空白，也为相关材料的设计和应用奠定了坚实的基础，具有重要的理论意义和实际应用价值。

 

参考文献：1.Luo, W.; Xue, S.; Zhao, C.; Zhang, M.; Li, G. Robust Interferometry for Testing Thermal Expansion of Dual-Material Lattices. Materials 2020, 13, 313. https://doi.org/10.3390/ma13020313.

 

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