一種變溫金屬密度測量設(shè)備及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變溫金屬密度測量設(shè)備及其測量方法，測量設(shè)備包括圖像采集系統(tǒng)和樣品測試系統(tǒng)；圖像采集系統(tǒng)的CCD照相機與激光光源分別排布于爐體兩端，且三者安裝于同一條軌道上；CCD相機與視頻控制器相連，視頻控制器與計算機及圖像處理軟件相連；爐體中部安裝有樣品臺和加熱元件，所述爐體兩端均裝有光學(xué)視窗；所述爐體兩側(cè)分別設(shè)有進氣口和出氣口，出氣口與真空泵相連；所述爐體中內(nèi)布置熱電偶，熱電偶連接溫度控制器。檢測時，通過控溫裝置加熱樣品到所需測量的溫度，通過圖像采集系統(tǒng)和圖像處理軟件對樣品的圖像進行采集和分析，得到被測樣品的體積，從而計算得到樣品在該溫度下的密度。操作簡單，數(shù)據(jù)精確，測量對象范圍廣。
【專利說明】
-種變溫金屬密度測量設(shè)備及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于密度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體講是設(shè)及一種變溫金屬密度測量設(shè)備及其測 量方法，快速準(zhǔn)確的測量不同溫度下金屬的密度，適合于絕大多數(shù)金屬(包括合金)在固態(tài) 或烙融態(tài)的密度測定。
【背景技術(shù)】
[0002] 密度是定量描述物質(zhì)特性的重要物理量，反應(yīng)了物質(zhì)因分子間作用力不同而呈現(xiàn) 的聚集狀態(tài)，對物理、冶金和材料學(xué)等學(xué)科都具有重要的意義。對于液態(tài)金屬而言，密度是 研究其結(jié)構(gòu)、表面張力、粘性和擴散等性能的重要參數(shù)。隨著溫度升高，金屬及合金均會發(fā) 生固態(tài)相變，繼續(xù)升高溫度至烙點時，會發(fā)生固-液轉(zhuǎn)變。所有的固-固轉(zhuǎn)變和固-液轉(zhuǎn)變都 伴隨著體積轉(zhuǎn)變，即密度的轉(zhuǎn)變，進而影響材料及器件的性能。因此，無論是對于工業(yè)應(yīng)用 還是科學(xué)研究來說，精確的密度數(shù)據(jù)都是不可或缺的重要物理量。
[0003] 目前，已經(jīng)有許多方法可W測量常溫金屬的密度，然而對于變溫，特別是高溫下的 金屬及高烙點、高化學(xué)活性的液態(tài)金屬的密度，還缺少快速準(zhǔn)確的測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種變溫金屬密度測量設(shè)備及測 量方法，將樣品加熱到測量的溫度后，通過圖像采集系統(tǒng)和圖像處理軟件對樣品的圖像進 行采集和分析，得到被測樣品的體積，從而計算得到樣品在該溫度下的密度，準(zhǔn)確度高，操 作簡單。
[0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種變溫金屬密度測量設(shè)備，包括圖像采集系統(tǒng)和樣品測試系統(tǒng);其中激光光源、 CCD照相機、視頻控制器和計算機及圖像處理軟件構(gòu)成圖像采集系統(tǒng);爐體及其附加裝置構(gòu) 成樣品測試系統(tǒng);CCD照相機與激光光源分別排布于爐體兩端，S者安裝于同一條軌道上； CCD相機與視頻控制器相連，視頻控制器與計算機及圖像處理軟件相連；
[0007] 爐體中部安裝有樣品臺，沿著爐體內(nèi)一周裝有加熱元件；
[000引所述爐體兩端均裝有光學(xué)視窗，光學(xué)視窗周圍布置冷卻水管道；
[0009] 所述爐體兩側(cè)分別設(shè)有進氣口和出氣口用W控制爐體內(nèi)氣氛，出氣口與真空累相 連;所述爐體中的溫度由溫度控制器通過熱電偶控制。
[0010] 基于上述變溫金屬密度測量設(shè)備的密度測量方法，是在真空條件下，通過溫度控 制器將樣品加熱至所要測量的溫度，通過圖像采集系統(tǒng)采集樣品圖像，通過圖像處理軟件 處理樣品圖像，計算得到樣品體積。固態(tài)密度測量要求樣品形狀為圓柱體，液態(tài)密度測量對 樣品形狀沒有要求。
[0011] 具體而言，基于上述變溫金屬密度測量設(shè)備的密度測量方法，包括W下步驟：
[001^ 步驟1、稱量樣品質(zhì)量，記為m;
[0013]步驟2、將樣品置于基底上并放置于樣品臺上，關(guān)閉爐體，確保爐體內(nèi)為真空，并充 入惰性氣體；
[0014] 步驟4、啟動溫度控制器，加熱樣品使其升溫至所需溫度，待溫度穩(wěn)定后，打開激光 光源、CCD照相機、視頻控制器和計算機及圖像處理軟件記錄樣品圖像；
[0015] 步驟5、用圖像處理軟件處理圖像，首先對基底和邊緣進行編輯，然后把處理好的 圖像按照1個像素高度分成i個圓盤狀圖形，設(shè)每個圓盤半徑為ri，高度為h，則圓盤的體積 由公式(1)獲得：
[0016] (1)
[0017] 「W確定1個像素和h之間的關(guān)系，則樣品體積可W用公式(2)得 到：
[001 引 （2)
[0019] 巧W6、恨巧公巧W)，用步驟1中測得的樣品質(zhì)量m和步驟5中測得的樣品體積V，得 到樣品的密度
[0020] P=m/V (3) O
[0021] 本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0022] (1)測量設(shè)備操作簡單，測試準(zhǔn)確度高，對被測樣品限制很少；
[0023] (2)溫度范圍廣，可測量從室溫到高溫(金屬從固態(tài)到液態(tài)）的密度，因此不僅可W 測量低烙點液態(tài)金屬，也可W測量高烙點、高化學(xué)活性的金屬;適用對象范圍廣泛，可W用 于大多數(shù)金屬(包括合金）。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明變溫金屬密度測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明實施例1借助測量設(shè)備測量密度得到的圖像(a-樣品Sb2Te3，b-樣品 Ge2St)2Te己)。
[0026] 圖中標(biāo)號：I-CCD照相機，2-光學(xué)視窗，3-冷卻水管道，4-進氣口，5-溫度控制器，6- 熱電偶，7-出氣口，8-真空累，9-激光光源，10-侶合金軌道，11-爐體，12-加熱元件，13-樣品 臺，14-計算機及圖像處理軟件，15-視頻控制器。
【具體實施方式】
[0027] W下的實施例將結(jié)合兩種高烙點、高化學(xué)活性的合金SbsTes在600 °C固態(tài)和 GesSbsTes在700°C液態(tài)的密度測量實例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于具體 實施例。
[0028] 圖1是本發(fā)明變溫金屬密度測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；參照圖1所示，測量設(shè)備圖像 采集系統(tǒng)主要由CCD照相機1，激光光源9,爐體11，視頻控制器15,計算機及圖像處理軟件 14;其中激光光源9、CCD照相機1、視頻控制器15和計算機及圖像處理軟件14構(gòu)成圖像采集 系統(tǒng)，爐體11及其附加裝置構(gòu)成樣品測試系統(tǒng);此處的附加裝置指的是爐體內(nèi)的樣品臺13、 溫度控制器5、熱電偶6、加熱元件12、光學(xué)視窗2,冷卻水管道3,進氣口4,出氣口7和真空累 8。
[0029] 爐體11內(nèi)裝有加熱元件12,加熱元件環(huán)繞爐體一周設(shè)置;所述爐體中部安裝有樣 品臺13,樣品臺上放置待測樣品；所述爐體兩端分別裝有光學(xué)視窗2,光學(xué)視窗周圍有冷卻 水管道3;所述爐體兩側(cè)分別設(shè)有進氣口4和出氣口7用W控制爐體內(nèi)氣氛，出氣口7與真空 累8相連;所述爐體中的溫度由溫度控制器5通過熱電偶6控制。
[0030] CCD照相機1與激光光源9分別排布與所述爐體兩端，S者安裝于同一條侶合金軌 道10上。CCD相機與視頻控制器15相連，視頻控制器15與計算機及圖像處理軟件14相連。
[0031] 實施例1
[0032] 本發(fā)明樣品Sb2Te3由純度99.9 %的Sb2Te3粉末烙煉而成，GesSbsTes由99.9 %的 SbsTes粉末和99.9 %的GeTe粉末烙煉而成。將SbsTes粉末裝入內(nèi)徑6.5mm的石英管中，在真 空下烙煉成棒狀訊2T63樣品。將棒狀樣品切割成高度IOmm左右的圓柱形樣品，用砂紙把上下 表面打磨到#2000且保持上下表面平行。對于Ges訊2Tes樣品形狀沒有要求。
[00削利用本發(fā)明的測量設(shè)備測量訊2T63和GesSbsTes合金密度，步驟如下：
[0034] 將合金樣品放置在樣品臺13上；在真空條件下，通過溫度控制器5將Sb2Te3和 Ge2Sb2化5合金樣品分別加熱至600和700°C;通過圖像采集系統(tǒng)，采集訊2T63和GesSbsTes合金 圖像;通過圖像處理軟件處理Sb2Te3和GesSbsTes合金圖像，計算得到Sb2Te3和GesSbsTes合金 體積。
[0035] 具體步驟如下：
[0036] 步驟1、稱量1.728g訊2T63和2.437g Ge2訊2Te日合金樣品質(zhì)量，記為m;
[0037] 步驟2、將樣品置于MgO基底上并放置于樣品臺13上，關(guān)閉爐體11，關(guān)閉進氣口 4,打 開出氣口 7和真空累8抽真空20分鐘；
[0038] 步驟3、關(guān)閉真空累8,打開進氣口4通入氣氣10分鐘，接著關(guān)閉進氣口4,打開出氣 口 7和真空累8,再次抽真空；
[0039] 步驟4、啟動溫度控制器巧日熱樣品使其分別升溫至600°C和700°C，待溫度穩(wěn)定后， 打開激光光源9、CCD照相機1、視頻控制器15和計算機及圖像處理軟件14記錄樣品圖像，得 到如圖2所示的兩個圖像；
[0040] 步驟5、用圖像處理軟件處理步驟4得到的圖像，首先對基底和邊緣進行編輯，然后 把處理好的圖像按照1個像素高度分成若干個圓盤狀圖形，設(shè)每個圓盤半徑為ri，高度為h， 則圓盤的化巧由公古。）得到：
[0041 ] (I ；
[0042] 可W確定1個像素和h之間的關(guān)系，則樣品體積可W用公式(2)算 得
[0043] . 〇)
[0044] 本實例為0.287cm3 和0.436cm3;
[0045] 步驟6、用步驟1中測得的樣品質(zhì)量m和步驟5中測得的樣品體積V，可W得到樣品的 密度，本實例為6.02g/cm3和5.59g/cm3，結(jié)果見表1所示：
[0046] p=m/V (3) O
[0047] 表 1

【主權(quán)項】
1. 一種變溫金屬密度測量設(shè)備，其特征在于包括圖像采集系統(tǒng)和樣品測試系統(tǒng)；其中 激光光源、CCD照相機、視頻控制器和計算機及圖像處理軟件構(gòu)成圖像采集系統(tǒng);爐體及其 附加裝置構(gòu)成樣品測試系統(tǒng)； CCD照相機與激光光源分別排布于爐體兩端，三者安裝于同一條軌道上;CCD相機與視 頻控制器相連，視頻控制器與計算機及圖像處理軟件相連； 爐體中部安裝有樣品臺和加熱元件，所述爐體兩端均裝有光學(xué)視窗； 所述爐體兩側(cè)分別設(shè)有進氣口和出氣口，出氣口與真空栗相連； 所述爐體中內(nèi)布置熱電偶，熱電偶連接溫度控制器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變溫金屬密度測量設(shè)備，其特征在于加熱元件沿爐體內(nèi)一周 布置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變溫金屬密度測量設(shè)備，其特征在于光學(xué)視窗周圍布置冷卻 水管道。4. 基于權(quán)利要求1所述的變溫金屬密度測量設(shè)備的密度測量方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1、稱量樣品質(zhì)量，記為m; 步驟2、將樣品置于基底上并放置于樣品臺上，關(guān)閉爐體，確保爐體內(nèi)為真空，并充入惰 性氣體； 步驟4、啟動溫度控制器，加熱樣品使其升溫至所需溫度，待溫度穩(wěn)定后，打開激光光 源、CCD照相機、視頻控制器和計算機及圖像處理軟件記錄樣品圖像； 步驟5、用圖像處理軟件處理圖像，首先對基底和邊緣進行編輯，然后把處理好的圖像 按照1個像素高度分成i個圓盤狀圖形，設(shè)每個圓盤半徑為η，高度為h，則圓盤的體積由公 式(1)獲得： Vi = Jiri2h (1) 用一個標(biāo)準(zhǔn)樣品可以確定1個像素和h之間的關(guān)系，則樣品體積可以用公式(2)得到：步驟6、根據(jù)公式(3)，用步驟1中測得的樣品質(zhì)量m和步驟5中測得的樣品體積V，得到樣 品的密度 P=m/V (3)〇5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的變溫金屬密度測量方法，其特征在于當(dāng)測定金屬的固態(tài)密度 時要求樣品形狀為圓柱體，測定金屬的液態(tài)密度時對樣品形狀沒有要求。
【文檔編號】G01N9/02GK105954144SQ201610316460
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】蘭睿
【申請人】江蘇科技大學(xué)