مقياس التمدد البصري

مقياس التمدد الضوئي هو جهاز لا تلامسي قادر على قياس التمدد الحراري أو حركية التلبيد لأي نوع من المواد. على عكس مقياس التمدد التقليدي ذي القضيب الضاغط، يمكنه قياس التمدد حتى الوصول إلى مرحلة تليين العينة. وهو جهاز لقياس التغيرات في أبعاد العينة، وبدقة بصرية عالية، يمكن الحصول على قيم أعلى من تلك التي يوفرها مقياس التمدد التقليدي ذو القضيب الضاغط. يُسلط مصدر ضوء أحادي اللون ، مثل الليزر ، على العينة. ينعكس جزء من الضوء بواسطة العينة ويتداخل مع الضوء الساقط، مما يُنتج أهداب تداخل ضوئية . مع انكماش العينة أو تمددها، تتحرك أهداب التداخل بشكل متناسب، ويمكن قياس ذلك باستخدام نظام كاميرا. تُحدد دقة القياس بطول موجة الضوء، وعادةً ما تكون 0.5 ميكرومتر للضوء الأزرق. تُستخدم مقاييس التمدد الضوئية لقياس التمدد الحراري . 

في الواقع، يعتبر مقياس التمدد البصري مكملاً لمقياس التمدد التقليدي ذي قضيب الدفع عالي الدقة عندما يتعلق الأمر بقياس التغيرات البعدية للمواد، كدالة لدرجة الحرارة، ولا يلزم وجود اتصال بين العينة والجهاز.

تستخدم أحدث أنواع مقاييس التمدد الضوئي نظام شعاع مباشر لتجنب مشاكل التلامس، وذلك بقياس الصورة التي تُسقطها العينة على مستشعر الصورة عند تسليط شعاع ضوئي عليها . وباستخدام شعاع ضوئي واحد ذي طول موجي قصير ومستشعر صورة عالي الدقة ، يُمكن الحصول على دقة جيدة، وإن لم تكن تُضاهي دقة مقاييس التمدد الضوئي القياسية. فعلى سبيل المثال، باستخدام ضوء أزرق بطول موجي أقل من 1500 ميكرومتر، يُمكن الحصول على صور بدقة فعلية تقارب 1500 ميكرومتر/بكسل للكاميرا (ليست دقة مُستنبطة، بل دقة فعلية). وباستخدام شعاعين ضوئيين يُضيئان جزأين صغيرين من المادة عند طرفي العينة، مُوجهين عموديًا على اتجاه الشعاعين، يُمكن الحصول على قياس دقيق للتغير الطولي أثناء المعالجة الحرارية للعينة.

يوجد نوعان رئيسيان من أجهزة قياس التمدد الضوئي قيد الاستخدام حاليًا:

• مقياس التمدد البصري الأفقي: توضع العينة الأسطوانية أفقياً على حامل العينة، وخلال المعالجة الحرارية في الفرن، تكون حرة تماماً في التمدد والانكماش. لا يؤثر تحرك حامل العينة على نتيجة القياس لأن النظام البصري يتتبع الحركات الأفقية لأجزاء صغيرة من العينة عند أطرافها.
• مقياس التمدد البصري العمودي: تُوضع العينة (قضيب) عموديًا على حامل العينة (صفيحة رقيقة من الألومينا)، بينما تراقب إحدى الكاميرات سطح الصفيحة، تتبع الأخرى الإزاحات العمودية للحافة العلوية للعينة. استُخدم هذا النظام حتى الآن لتحديد درجات الحرارة المميزة (التحولات الطورية، وأقصى سرعة للتلبيد، والتورم، إلخ) للمواد الخزفية. في الواقع، ترتبط التحولات الطورية دائمًا بتغير أبعاد المادة:يصاحب التلبيد انكماشات كبيرة، مرتبطة بانخفاض المسامية، بينما يظهر التورم عادةً عند درجات حرارة عالية. بعدحدوث التلبيد ، تنخفض لزوجة تركيبة السيراميك بشكل كبير، مما يسمح للغاز المحتبس بالخروج بحرية.

اخترع آبي وفيزو أول مقياس تمدد بصري في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. يعتمد هذا التصميم على شعاع ضوئي أحادي اللون منعكس ، ويتم قياس الإزاحة عن طريق عدّ أهداب التداخل بين الشعاع الأمامي والشعاع المنعكس. بعد اختراع آبي ، أُدخلت تحسينات عديدة على التصميم الأصلي، وتتوفر الآن في الأسواق نماذج عديدة تستخدم بصريات وتصاميم حديثة.

على مدى العقود الخمسة الماضية، ازداد الاهتمام باستخدام التقنيات الحرارية الميكانيكية لتوصيف المواد في مختلف مجالات العلوم والهندسة. وعلى وجه الخصوص، لعب استخدام الأساليب البصرية دورًا هامًا في مجال السيراميك ، حيث استُخدمت لقياس معامل التمدد الحراري للأجسام والطلاءات الزجاجية لضمان التوافق الأمثل بين سلوكها الحراري الميكانيكي.

لقياس التمدد الحراري حتى درجات حرارة عالية، يجب وضع المادة المراد اختبارها على حامل عينات داخل فرن له تمدده الحراري الخاص. ولتحقيق دقة عالية، من الضروري قياس تمدد حامل العينات وطرحه من التمدد الفعلي للعينة. وأفضل طريقة هي تقسيم شعاع الليزر إلى شعاعين ضوئيين، ينعكس أحدهما عن الحافة العلوية للعينة والآخر عن الحافة العلوية لحامل العينات، أو عن الحافتين الطوليتين للعينة. وبرصد التغيرات الطولية عند طرفي العينة، يصبح القياس مطلقًا ولا حاجة لأي تصحيحات إضافية. هذه هي أدق طريقة لقياس التمدد الحراري، وقد تصل دقتها إلى مستوى النانومتر. هذا هو نوع الجهاز الذي يستخدمه موردو المواد القياسية المعتمدة. على سبيل المثال، يستخدم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا مقياس تداخل فيزو ثنائي الحزمة لاعتماد التمدد الحراري لمواده المرجعية المعتمدة . أثبتت هذه الطريقة دقتها العالية، حيث تصل دقتها إلى جزء من طول موجة الضوء الساقط، إلا أنها محدودة بانعكاسية سطح العينة. فإذا كانت العينة غير عاكسة، أو أصبحت كذلك أثناء الاختبار، يصبح من الضروري استخدام مرآة تُلامس العينة بواسطة قضيب دفع حراري . وبذلك، تفقد هذه الطريقة ميزة عدم التلامس، وتصبح شبيهة إلى حد كبير بجهاز قياس التمدد الإلكتروني .

تُستخدم أجهزة قياس التمدد الضوئية جنبًا إلى جنب مع أجهزة قياس التمدد التقليدية في صناعة السيراميك لإجراء اختبارات غير مدمرة لسلوك العينة أثناء المعالجة الحرارية. وتُستخدم هذه الأجهزة في التحليل الحراري لأنواع مختلفة من المواد، مثل المواد غير المتماسكة (مثل تمدد وانكماش حبيبات الفريت غير المتماسكة ، كما هو الحال في البلاط الخام ) والبوليمرات (سلوكها فوق درجة حرارة التحول الزجاجي ، حيث يبدأ التوتر السطحي بسحب الحواف مما يؤدي إلى انكماش العينة)، بالإضافة إلى تحليل عمليات تصنيع المواد المختلفة، مثل حركية التلبيد ، والتمدد الحراري ، وسلوك التلبيد لطبقة رقيقة من الطلاء الزجاجي أو أغشية البوليمر الرقيقة .

• مقياس التمدد
• التحليل الحراري