一种变温金属密度测量设备及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种变温金属密度测量设备及其测量方法，测量设备包括图像采集系统和样品测试系统；图像采集系统的CCD照相机与激光光源分别排布于炉体两端，且三者安装于同一条轨道上；CCD相机与视频控制器相连，视频控制器与计算机及图像处理软件相连；炉体中部安装有样品台和加热元件，所述炉体两端均装有光学视窗；所述炉体两侧分别设有进气口和出气口，出气口与真空泵相连；所述炉体中内布置热电偶，热电偶连接温度控制器。检测时，通过控温装置加热样品到所需测量的温度，通过图像采集系统和图像处理软件对样品的图像进行采集和分析，得到被测样品的体积，从而计算得到样品在该温度下的密度。操作简单，数据精确，测量对象范围广。
【专利说明】
-种变溫金属密度测量设备及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于密度测量技术领域，具体讲是设及一种变溫金属密度测量设备及其测 量方法，快速准确的测量不同溫度下金属的密度，适合于绝大多数金属(包括合金)在固态 或烙融态的密度测定。
【背景技术】
[0002] 密度是定量描述物质特性的重要物理量，反应了物质因分子间作用力不同而呈现 的聚集状态，对物理、冶金和材料学等学科都具有重要的意义。对于液态金属而言，密度是 研究其结构、表面张力、粘性和扩散等性能的重要参数。随着溫度升高，金属及合金均会发 生固态相变，继续升高溫度至烙点时，会发生固-液转变。所有的固-固转变和固-液转变都 伴随着体积转变，即密度的转变，进而影响材料及器件的性能。因此，无论是对于工业应用 还是科学研究来说，精确的密度数据都是不可或缺的重要物理量。
[0003] 目前，已经有许多方法可W测量常溫金属的密度，然而对于变溫，特别是高溫下的 金属及高烙点、高化学活性的液态金属的密度，还缺少快速准确的测量方法。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种变溫金属密度测量设备及测 量方法，将样品加热到测量的溫度后，通过图像采集系统和图像处理软件对样品的图像进 行采集和分析，得到被测样品的体积，从而计算得到样品在该溫度下的密度，准确度高，操 作简单。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下：
[0006] -种变溫金属密度测量设备，包括图像采集系统和样品测试系统;其中激光光源、 CCD照相机、视频控制器和计算机及图像处理软件构成图像采集系统;炉体及其附加装置构 成样品测试系统;CCD照相机与激光光源分别排布于炉体两端，S者安装于同一条轨道上； CCD相机与视频控制器相连，视频控制器与计算机及图像处理软件相连；
[0007] 炉体中部安装有样品台，沿着炉体内一周装有加热元件；
[000引所述炉体两端均装有光学视窗，光学视窗周围布置冷却水管道；
[0009] 所述炉体两侧分别设有进气口和出气口用W控制炉体内气氛，出气口与真空累相 连;所述炉体中的溫度由溫度控制器通过热电偶控制。
[0010] 基于上述变溫金属密度测量设备的密度测量方法，是在真空条件下，通过溫度控 制器将样品加热至所要测量的溫度，通过图像采集系统采集样品图像，通过图像处理软件 处理样品图像，计算得到样品体积。固态密度测量要求样品形状为圆柱体，液态密度测量对 样品形状没有要求。
[0011] 具体而言，基于上述变溫金属密度测量设备的密度测量方法，包括W下步骤：
[001^ 步骤1、称量样品质量，记为m;
[0013]步骤2、将样品置于基底上并放置于样品台上，关闭炉体，确保炉体内为真空，并充 入惰性气体；
[0014] 步骤4、启动溫度控制器，加热样品使其升溫至所需溫度，待溫度稳定后，打开激光 光源、CCD照相机、视频控制器和计算机及图像处理软件记录样品图像；
[0015] 步骤5、用图像处理软件处理图像，首先对基底和边缘进行编辑，然后把处理好的 图像按照1个像素高度分成i个圆盘状图形，设每个圆盘半径为ri，高度为h，则圆盘的体积 由公式(1)获得：
[0016] (1)
[0017] 「W确定1个像素和h之间的关系，则样品体积可W用公式(2)得 到：
[001 引 （2)
[0019] 巧W6、恨巧公巧W)，用步骤1中测得的样品质量m和步骤5中测得的样品体积V，得 到样品的密度
[0020] P=m/V (3) O
[0021] 本发明具有如下的有益效果：
[0022] (1)测量设备操作简单，测试准确度高，对被测样品限制很少；
[0023] (2)溫度范围广，可测量从室溫到高溫(金属从固态到液态）的密度，因此不仅可W 测量低烙点液态金属，也可W测量高烙点、高化学活性的金属;适用对象范围广泛，可W用 于大多数金属(包括合金）。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明变溫金属密度测量设备的结构示意图；
[0025] 图2是本发明实施例1借助测量设备测量密度得到的图像(a-样品Sb2Te3，b-样品 Ge2St)2Te己)。
[0026] 图中标号：I-CCD照相机，2-光学视窗，3-冷却水管道，4-进气口，5-溫度控制器，6- 热电偶，7-出气口，8-真空累，9-激光光源，10-侣合金轨道，11-炉体，12-加热元件，13-样品 台，14-计算机及图像处理软件，15-视频控制器。
【具体实施方式】
[0027] W下的实施例将结合两种高烙点、高化学活性的合金SbsTes在600 °C固态和 GesSbsTes在700°C液态的密度测量实例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于具体 实施例。
[0028] 图1是本发明变溫金属密度测量设备的结构示意图；参照图1所示，测量设备图像 采集系统主要由CCD照相机1，激光光源9,炉体11，视频控制器15,计算机及图像处理软件 14;其中激光光源9、CCD照相机1、视频控制器15和计算机及图像处理软件14构成图像采集 系统，炉体11及其附加装置构成样品测试系统;此处的附加装置指的是炉体内的样品台13、 溫度控制器5、热电偶6、加热元件12、光学视窗2,冷却水管道3,进气口4,出气口7和真空累 8。
[0029] 炉体11内装有加热元件12,加热元件环绕炉体一周设置;所述炉体中部安装有样 品台13,样品台上放置待测样品；所述炉体两端分别装有光学视窗2,光学视窗周围有冷却 水管道3;所述炉体两侧分别设有进气口4和出气口7用W控制炉体内气氛，出气口7与真空 累8相连;所述炉体中的溫度由溫度控制器5通过热电偶6控制。
[0030] CCD照相机1与激光光源9分别排布与所述炉体两端，S者安装于同一条侣合金轨 道10上。CCD相机与视频控制器15相连，视频控制器15与计算机及图像处理软件14相连。
[0031] 实施例1
[0032] 本发明样品Sb2Te3由纯度99.9 %的Sb2Te3粉末烙炼而成，GesSbsTes由99.9 %的 SbsTes粉末和99.9 %的GeTe粉末烙炼而成。将SbsTes粉末装入内径6.5mm的石英管中，在真 空下烙炼成棒状訊2T63样品。将棒状样品切割成高度IOmm左右的圆柱形样品，用砂纸把上下 表面打磨到#2000且保持上下表面平行。对于Ges訊2Tes样品形状没有要求。
[00削利用本发明的测量设备测量訊2T63和GesSbsTes合金密度，步骤如下：
[0034] 将合金样品放置在样品台13上；在真空条件下，通过溫度控制器5将Sb2Te3和 Ge2Sb2化5合金样品分别加热至600和700°C;通过图像采集系统，采集訊2T63和GesSbsTes合金 图像;通过图像处理软件处理Sb2Te3和GesSbsTes合金图像，计算得到Sb2Te3和GesSbsTes合金 体积。
[0035] 具体步骤如下：
[0036] 步骤1、称量1.728g訊2T63和2.437g Ge2訊2Te日合金样品质量，记为m;
[0037] 步骤2、将样品置于MgO基底上并放置于样品台13上，关闭炉体11，关闭进气口 4,打 开出气口 7和真空累8抽真空20分钟；
[0038] 步骤3、关闭真空累8,打开进气口4通入氣气10分钟，接着关闭进气口4,打开出气 口 7和真空累8,再次抽真空；
[0039] 步骤4、启动溫度控制器巧日热样品使其分别升溫至600°C和700°C，待溫度稳定后， 打开激光光源9、CCD照相机1、视频控制器15和计算机及图像处理软件14记录样品图像，得 到如图2所示的两个图像；
[0040] 步骤5、用图像处理软件处理步骤4得到的图像，首先对基底和边缘进行编辑，然后 把处理好的图像按照1个像素高度分成若干个圆盘状图形，设每个圆盘半径为ri，高度为h， 则圆盘的化巧由公古。）得到：
[0041 ] (I ；
[0042] 可W确定1个像素和h之间的关系，则样品体积可W用公式(2)算 得
[0043] . 〇)
[0044] 本实例为0.287cm3 和0.436cm3;
[0045] 步骤6、用步骤1中测得的样品质量m和步骤5中测得的样品体积V，可W得到样品的 密度，本实例为6.02g/cm3和5.59g/cm3，结果见表1所示：
[0046] p=m/V (3) O
[0047] 表 1
【主权项】
1. 一种变温金属密度测量设备，其特征在于包括图像采集系统和样品测试系统；其中 激光光源、CCD照相机、视频控制器和计算机及图像处理软件构成图像采集系统;炉体及其 附加装置构成样品测试系统； CCD照相机与激光光源分别排布于炉体两端，三者安装于同一条轨道上;CCD相机与视 频控制器相连，视频控制器与计算机及图像处理软件相连； 炉体中部安装有样品台和加热元件，所述炉体两端均装有光学视窗； 所述炉体两侧分别设有进气口和出气口，出气口与真空栗相连； 所述炉体中内布置热电偶，热电偶连接温度控制器。2. 根据权利要求1所述的变温金属密度测量设备，其特征在于加热元件沿炉体内一周 布置。3. 根据权利要求1所述的变温金属密度测量设备，其特征在于光学视窗周围布置冷却 水管道。4. 基于权利要求1所述的变温金属密度测量设备的密度测量方法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤1、称量样品质量，记为m; 步骤2、将样品置于基底上并放置于样品台上，关闭炉体，确保炉体内为真空，并充入惰 性气体； 步骤4、启动温度控制器，加热样品使其升温至所需温度，待温度稳定后，打开激光光 源、CCD照相机、视频控制器和计算机及图像处理软件记录样品图像； 步骤5、用图像处理软件处理图像，首先对基底和边缘进行编辑，然后把处理好的图像 按照1个像素高度分成i个圆盘状图形，设每个圆盘半径为η，高度为h，则圆盘的体积由公 式(1)获得： Vi = Jiri2h (1) 用一个标准样品可以确定1个像素和h之间的关系，则样品体积可以用公式(2)得到：步骤6、根据公式(3)，用步骤1中测得的样品质量m和步骤5中测得的样品体积V，得到样 品的密度 P=m/V (3)〇5. 根据权利要求4所述的变温金属密度测量方法，其特征在于当测定金属的固态密度 时要求样品形状为圆柱体，测定金属的液态密度时对样品形状没有要求。
【文档编号】G01N9/02GK105954144SQ201610316460
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】兰睿
【申请人】江苏科技大学