一种材料膨胀系数的测量系统.pdf

本发明涉及一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括两固体微片激光回馈干涉仪光学系统和一电测及电控系统，两固体微片激光回馈干涉仪光学系统之间设置一升温炉，升温炉包括一炉膛，炉膛内部设置一腔体，腔体两对侧分别向外对称设置一穿孔，每一穿孔外端部固定设置一穿孔封装结构，每一穿孔封装结构外侧通过一窗片夹持座固定一窗片，腔体内还设置有一能够放置待测样品的样品台装置，炉膛内壁固定悬挂设置有加热元件和温度传感器。本发明是一种具有完全非接触、精度高、测量温度范围大、抗震性高、特别适合较低表面反射材料的线膨胀系数测量系统，本发明能广泛应用于各种材料的膨胀系数的较大温度范围、高精度测量。

1.  一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统和一电测及电控系统，所述第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统之间设置一升温炉；所述升温炉包括一炉膛，所述炉膛内部设置一腔体，所述腔体两对侧分别向外对称设置一穿孔，每一所述穿孔外端部固定设置一穿孔封装结构，每一所述穿孔封装结构外端部设置一窗片，所述腔体内还设置有一能够放置待测样品的样品台装置，所述炉膛内还固定设置有加热元件和温度传感器；
所述电测及电控系统包括一计算机和一升温炉温度采集显示与控制系统，所述计算机内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；所述第一固体激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，同时所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据外腔相位变化量计算得到待测样品的总膨胀量；所述高温控制模块通过所述升温炉温度采集显示与控制系统对所述加热元件的温度变化进行控制，同时所述升温炉温度采集显示与控制系统通过所述温度传感器实时采集所述炉膛内的温度值并将其发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和所述炉膛内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。

2.  如权利要求1所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述干涉系统测量模块对平均线膨胀系数的计算公式为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0,]]>
其中，T0为初始温度，T1为升温后的温度，L0为温度为T0时待测样品的长度，S为待测样品从温度T0升温到T1的总膨胀量。

3.  如权利要求1或2所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学器件和光电信号处理系统，光学元件包括第二微片激光器，所述第二微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和参考反射镜；所述第二微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时发射到所述透镜，经所述透镜会聚到所述参考反射镜；所述测量光经所述参考反射镜透射出的光经第二窗片、第二穿孔封接结构和第二穿孔垂直入射到待测样品的另一侧面上，经待 测样品另一侧面反射的光按照原测量光路返回进入所述第二微片激光器形成第二测量回馈光；所述参考光经所述参考反射镜反射的光沿着平行于测量光的光路返回进入到所述第二微片激光器形成第二参考回馈光；所述第二微片激光器将所述第二测量回馈光和第二参考回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统将第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统。

4.  如权利要求1或2所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第一微片激光器，所述第一微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和反射镜；所述第一微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时发射到所述透镜，所述透镜出射的测量光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔垂直入射到待测样品的一侧面上，经待测样品一侧面反射的光按照原测量光路返回进入所述第一微片激光器形成第一测量回馈光；所述透镜出射的参考光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔穿过所述腔体并通过第二穿孔、第二穿孔封接结构和第二窗片发射到设置在所述第二窗片外侧的反射镜上，经所述反射镜反射的光按照平行于测量光的光路返回，进入所述第一微片激光器形成第一参考回馈光；所述第一微片激光器将所述第一测量回馈光和第一参考回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射后进入所述光电信号处理系统，所述光电信号处理系统将所述第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统。

5.  如权利要求1或2所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第一微片激光器，所述第一微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和参考反射镜；所述第一微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时穿过所述透镜会聚到所述参考反射镜上，所述测量光经所述参考反射镜透射出的光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔垂直入射到待测样品的一侧面上，经待测样品一侧面反射的光按照原光路返回进入到所述第一微片激光器形成第一测量回馈光；所述参考光经所述参考反射镜反射的光按照平行于测量光的光路返回，进入到所述第一微片激光器形成第一参考回馈光；所述第一微片激光器将所述第一测量回馈光和第一参考回馈 光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统将第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统。

6.  一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括一固体微片激光回馈干涉仪光学系统和电测及电控系统，所述固体微片激光回馈干涉仪光学系统下方设置一升温炉，所述升温炉包括一炉膛，所述炉膛内设置一腔体，所述腔体顶部向外延伸设置一穿孔，所述穿孔外端部设置一穿孔封接结构，所述穿孔封接结构外端部设置一窗片，所述腔体内还设置有一能够放置参考物和待测样品的样品台装置；所述炉膛内还固定设置有加热元件和温度传感器；
所述固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有微片激光器，所述微片激光器的出射光路上依次设置有第一分光镜，第一声光调制器、第二声光调制器、透镜、第二分光镜和反射镜；所述微片激光器发出的激光依次发射到所述第一分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时发射到所述透镜，经所述透镜会聚到所述第二分光镜，所述测量光经所述第二分光镜透射的光经所述窗片、穿孔封装结构和穿孔垂直入射到待测样品的上表面，经待测样品上表面反射的光按照原光路返回进入到所述微片激光器形成测量回馈光；所述参考光经所述第二分光镜反射的光照射到所述反射镜，经所述窗片、穿孔封装结构和穿孔垂直入射到参考物的上表面，经参考物上表面反射的光按照平行于原所述测量光的光路返回进入到所述微片激光器形成参考回馈光；所述微片激光器将所述参考回馈光和测量回馈光发射到所述第一分光镜上，经所述第一分光镜反射的光进入所述光电信号处理系统；所述光电信号处理系统将所述参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统；
所述电测及电控系统包括一计算机和一升温炉温度采集显示与控制系统，所述计算机内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；所述固体激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的所述参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据外腔相位变化量计算得到待测样品的总膨胀量；所述高温控制模块通过所述升温炉温度采集显示与控制系统对所述加热元件的温度变化进行控制，同时所述升温炉温度采集显示与控制系统通过所述温度传感器实时采集所述炉膛内的温度值并将其发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和所述炉膛内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。

7.  如权利要求6所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述干涉系统测量模块对平均线膨胀系数的计算公式为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0,]]>
其中，T0为初始温度，T1为升温后的温度，L0为温度为T0时待测样品的长度，S为待测样品从温度T0升温到T1的总膨胀量。

8.  一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统和一电测及电控系统，所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统的下方，所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统的一侧设置一升温炉；所述升温炉包括一炉膛，所述炉膛内设置一腔体，所述腔体顶部向外延伸设置一穿孔，所述穿孔外端部设置一穿孔封接结构，所述穿孔封接结构外端部设置一窗片，所述腔体内还设置有一能够放置参考物和待测样品的样品台装置；所述炉膛内还固定设置有加热元件和温度传感器；
所述电测及电控系统包括一计算机和一升温炉温度采集显示与控制系统，所述计算机内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；所述第一固体激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，同时所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据外腔相位变化量计算得到待测样品的总膨胀量；所述高温控制模块通过所述升温炉温度采集显示与控制系统对所述加热元件的温度变化进行控制，同时所述升温炉温度采集显示与控制系统通过所述温度传感器实时采集所述炉膛内的温度值并将其发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和所述炉膛内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。

9.  如权利要求8所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述干涉系统测量模块对平均线膨胀系数的计算公式为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0,]]>
其中，T0为初始温度，T1为升温后的温度，L0为温度为T0时待测样品的长度，S为待测样品从温度T0升温到T1的总膨胀量。

10.  如权利要求8或9所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学 元件包括第一微片激光器，所述第一微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜，第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和第一参考反射镜；所述第一微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经过声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时经所述透镜会聚到所述第一参考反射镜上，所述测量光经第一参考反射镜透射的光经所述窗片、穿孔封接结构和穿孔垂直入射到待测样品的上表面，经待测样品上表面反射的光按照原光路返回进入到所述第一微片激光器形成第一测量回馈光；所述参考光经所述第一参考反射镜反射的光按照平行于原测量光的光路返回进入到所述第一微片激光器形成第一参考回馈光；所述第一微片激光器将第一参考回馈光和第一测量回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射的光进入所述光电信号处理系统；所述光电信号处理系统将获得的所述第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量输出到所述电测及电控系统。

11.  如权利要求8或9所述的一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第二微片激光器，所述第二微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜，第一声光调制器、第二声光调制器、透镜、第二参考反射镜和反射镜；所述第二微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时经所述透镜会聚到所述第二参考反射镜，所述测量光经所述第二参考反射镜透射的光照射到所述反射镜上，经所述反射镜反射的光经所述窗片、穿孔封接结构和穿孔垂直入射到参考物的上表面，经参考物上表面反射的光按照原光路返回进入到所述第二微片激光器形成第二测量回馈光；所述参考光经所述第二参考反射镜反射的光按照平行于原所述测量光的光路返回进入到所述第二微片激光器形成第二参考回馈光；所述第二微片激光器将所述第二参考回馈光和第二测量回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射后进入所述光电信号处理系统，所述光电信号处理系统将获得的所述第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到电测及电控系统。

一种材料膨胀系数的测量系统
技术领域
本发明涉及一种材料膨胀系数的测量系统，特别是关于一种基于固体微片激光回馈干涉仪的材料膨胀系数的测量系统。
背景技术
材料膨胀系数是材料的热物性之一，是表征材料特性的重要特征量，对材料膨胀系数的测量在实际工程和基础研究中具有重要意义。近年来，材料膨胀系数的测量在一些重要领域的应用引起大家的兴趣，例如，精密光刻技术，为其它二级膨胀计(推杆或相似装置)提供传递标准，以及为特殊材料提供高温膨胀系数技术标准等，因此，对测量方法提出了更高的要求。
对不同材料和尺寸的试样在各种温度范围内的线膨胀系数的测量方法有很多，常见的方法有电容法、机械法和光学法。然而，电容法和机械法由于自身技术的原理特点，引进了不可避免的误差，不能满足高精度测量要求；光学法主要分为光学成像法、散斑干涉法和光学干涉法；较电容法和机械法，光学法虽然在精度或误差控制上有很大改善，但依然存在一些问题；如光学成像法虽能实现非接触式测量，但材料样品在特定高温下的自身辐射发光会影响成像的质量，从而限制了高温下的测量精度；散斑干涉法虽也可以实现非接触式测量，但它的精度不高；光学干涉法包括Fizeau干涉法、Fabry–Perot干涉法、迈克尔逊干涉法、光外差干涉膨胀法、以及移相技术等，光学干涉法相比于前述其它方法，尽管在分辨率和精度上有很大的提高，但也存在以下几个不足点：1)待测样品只有在较低温度环境下(样品表面未被氧化或无相变，使之具有较高表面反射率)才能实现完全非接触式测量；2)对样品表面粗糙度和形状有特殊要求，如待测样品表面需要特殊镜面加工使之具有较高表面反射率等；3)对较低表面反射率的待测样品或待测样品在较高温度测量时，需要配合目标(如样品表面镀膜或需要光学参考物质等)；4)系统需要很高的抗震条件来保护易破坏的光路系统。
本申请人之前发表的中国发明专利申请号为200710062859.5的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”中，如图1所示，其包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括微片激光器1，微片激光器1的出射光路上依次设置有分光镜2，第一声光调制器3和第二声光调制器4，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，且调制后参考光和测量光之间有一角度α；测量光和参考光同时发射到透镜5，经透镜5会聚到参考反射镜6上，测量光经参考反射镜6垂直入射到待测 样品7的一侧面，经待测样品7一侧面反射的光按照原测量光路返回进入微片激光器1形成测量回馈光；调节参考反射镜6与光轴之间的角度，使参考光按照平行于原测量光的光路返回进入微片激光器1形成参考回馈光；微片激光器1将参考回馈光和测量回馈光发射到分光镜2上，经分光镜2反射的光进入光电信号处理系统，光电探测器8将两路光信号转换为测量电信号和参考电信号送入第一正交相敏检波器9和第二正交相敏检波器10中；参考电信号发生电路11从第一正弦信号发生源12和第二正弦信号发生源13中获得标准正弦参考电信号和测量电信号送入第一正交相敏检波器9和第二正交相敏检波器10中；由第一正交相敏检波器9和第二正交相敏检波器10获得参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量，进而得到位移量。
上述准共路式微片激光器回馈干涉仪利用了微片激光器的移频光回馈效应、外差式相位测量方法，以及光学设计使测量光和参考光的传播路径大部分重合的技术，实现了反射率很低或粗糙度很高的物体的运动位移的非接触高精度测量。目前，对于如何利用准共路式微片激光器回馈干涉仪测量材料的热膨胀系数还没有研究。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有完全非接触、高精度、较大测量温度范围、适合较低表面反射率、基于固体微片激光回馈干涉仪的材料的膨胀系数的测量系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统和一电测及电控系统，所述第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统之间设置一升温炉；所述升温炉包括一炉膛，所述炉膛内部设置一腔体，所述腔体两对侧分别向外对称设置一穿孔，每一所述穿孔外端部固定设置一穿孔封装结构，每一所述穿孔封装结构外端部设置一窗片，所述腔体内还设置有一能够放置待测样品的样品台装置，所述炉膛内还固定设置有加热元件和温度传感器；所述电测及电控系统包括一计算机和一升温炉温度采集显示与控制系统，所述计算机内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；所述第一固体激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，同时所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据外腔相位变化量计算得到待测样品的总膨胀量；所述高温控制模块通过所述升温炉温度采集显示与控制系统对所述加热元件的温度变化进行控制，同时所述升温炉温度采集显示与控制系统通过所述温度传感器实时采集所述炉膛内的温度值并将其发送到所述干涉 系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和所述炉膛内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。
所述干涉系统测量模块对平均线膨胀系数的计算公式为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0,]]>
其中，T0为初始温度，T1为升温后的温度，L0为温度为T0时待测样品的长度，S为待测样品从温度T0升温到T1的总膨胀量。
所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学器件和光电信号处理系统，光学元件包括第二微片激光器，所述第二微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和参考反射镜；所述第二微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时发射到所述透镜，经所述透镜会聚到所述参考反射镜；所述测量光经所述参考反射镜透射出的光经第二窗片、第二穿孔封接结构和第二穿孔垂直入射到待测样品的另一侧面上，经待测样品另一侧面反射的光按照原测量光路返回进入所述第二微片激光器形成第二测量回馈光；所述参考光经所述参考反射镜反射的光沿着平行于测量光的光路返回进入到所述第二微片激光器形成第二参考回馈光；所述第二微片激光器将所述第二测量回馈光和第二参考回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统将第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统。
所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第一微片激光器，所述第一微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和反射镜；所述第一微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时发射到所述透镜，所述透镜出射的测量光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔垂直入射到待测样品的一侧面上，经待测样品一侧面反射的光按照原测量光路返回进入所述第一微片激光器形成第一测量回馈光；所述透镜出射的参考光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔穿过所述腔体并通过第二穿孔、第二穿孔封接结构和第二窗片发射到设置在所述第二窗片外侧的反射镜上，经所述反射镜反射的光按照平行于测量光的光路返回，进入所述第一微片激光器形成第一参考回馈光；所述第一微片激光器将所述第一测量回馈光和第一参考回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射 后进入所述光电信号处理系统，所述光电信号处理系统将所述第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统。
所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第一微片激光器，所述第一微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和参考反射镜；所述第一微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时穿过所述透镜会聚到所述参考反射镜上，所述测量光经所述参考反射镜透射出的光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔垂直入射到待测样品的一侧面上，经待测样品一侧面反射的光按照原光路返回进入到所述第一微片激光器形成第一测量回馈光；所述参考光经所述参考反射镜反射的光按照平行于测量光的光路返回，进入到所述第一微片激光器形成第一参考回馈光；所述第一微片激光器将所述第一测量回馈光和第一参考回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统将第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统。
一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括一固体微片激光回馈干涉仪光学系统和电测及电控系统，所述固体微片激光回馈干涉仪光学系统下方设置一升温炉，所述升温炉包括一炉膛，所述炉膛内设置一腔体，所述腔体顶部向外延伸设置一穿孔，所述穿孔外端部设置一穿孔封接结构，所述穿孔封接结构外端部设置一窗片，所述腔体内还设置有一能够放置参考物和待测样品的样品台装置；所述炉膛内还固定设置有加热元件和温度传感器；
所述固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有微片激光器，所述微片激光器的出射光路上依次设置有第一分光镜，第一声光调制器、第二声光调制器、透镜、第二分光镜和反射镜；所述微片激光器发出的激光依次发射到所述第一分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时发射到所述透镜，经所述透镜会聚到所述第二分光镜，所述参考光经所述第二分光镜透射的光经所述窗片、穿孔封装结构和穿孔垂直入射到待测样品的上表面，经待测样品上表面反射的光按照原光路返回进入到所述微片激光器形成测量回馈光；所述参考光经所述第二分光镜反射的光照射到所述反射镜，经所述窗片、穿孔封装结构和穿孔垂直入射到参考物的上表面，经参考物上表面反射的光按照平行于原所述测量光的光路返回进入到所述微片激光器形成参考回馈光；所述微片激光器将所述参考回馈光 和测量回馈光发射到所述第一分光镜上，经所述第一分光镜反射的光进入所述光电信号处理系统；所述光电信号处理系统将所述参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述电测及电控系统；
所述电测及电控系统包括一计算机和一升温炉温度采集显示与控制系统，所述计算机内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；所述固体激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的所述参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据外腔相位变化量计算得到待测样品的总膨胀量；所述高温控制模块通过所述升温炉温度采集显示与控制系统对所述加热元件的温度变化进行控制，同时所述升温炉温度采集显示与控制系统通过所述温度传感器实时采集所述炉膛内的温度值并将其发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和所述炉膛内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。
所述干涉系统测量模块对平均线膨胀系数的计算公式为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0,]]>
其中，T0为初始温度，T1为升温后的温度，L0为温度为T0时待测样品的长度，S为待测样品从温度T0升温到T1的总膨胀量。
一种材料膨胀系数的测量系统，其特征在于：它包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统和一电测及电控系统，所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统的下方，所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统的一侧设置一升温炉；所述升温炉包括一炉膛，所述炉膛内设置一腔体，所述腔体顶部向外延伸设置一穿孔，所述穿孔外端部设置一穿孔封接结构，所述穿孔封接结构外端部设置一窗片，所述腔体内还设置有一能够放置参考物和待测样品的样品台装置；所述炉膛内还固定设置有加热元件和温度传感器；所述电测及电控系统包括一计算机和一升温炉温度采集显示与控制系统，所述计算机内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；所述第一固体激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，同时所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统的光电信号处理系统将获得的第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到所述干涉系统测量模块，所述干涉系统测量模块根据外腔相位变化量计算得到待测样品的总膨胀量；所述高温控制模块通过所述升温炉温度采集显示与控制系统对所述加热元件的温度变化进行控制，同时所述升温炉温度采集显示与控制系统通过所述温度传感器实时采集所述炉膛内的温度值并将其发送到所述干涉系统测量 模块，所述干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和所述炉膛内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。
所述干涉系统测量模块对平均线膨胀系数的计算公式为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0,]]>
其中，T0为初始温度，T1为升温后的温度，L0为温度为T0时待测样品的长度，S为待测样品从温度T0升温到T1的总膨胀量。
所述第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括第一微片激光器，所述第一微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜，第一声光调制器、第二声光调制器、透镜和第一参考反射镜；所述第一微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经过声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时经所述透镜会聚到所述第一参考反射镜上，所述测量光经第一参考反射镜透射的光经所述窗片、穿孔封接结构和穿孔垂直入射到待测样品的上表面，经待测样品上表面反射的光按照原光路返回进入到所述第一微片激光器形成第一测量回馈光；所述参考光经所述第一参考反射镜反射的光按照平行于原测量光的光路返回进入到所述第一微片激光器形成第一参考回馈光；所述第一微片激光器将第一参考回馈光和第一测量回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射的光进入所述光电信号处理系统；所述光电信号处理系统将获得的所述第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量输出到所述电测及电控系统。
所述第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第二微片激光器，所述第二微片激光器的出射光路上依次设置有分光镜，第一声光调制器、第二声光调制器、透镜、第二参考反射镜和反射镜；所述第二微片激光器发出的激光依次发射到所述分光镜、第一声光调制器和第二声光调制器，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，所述测量光和参考光同时经所述透镜会聚到所述第二参考反射镜，所述测量光经所述第二参考反射镜透射的光照射到所述反射镜上，经所述反射镜反射的光经所述窗片、穿孔封接结构和穿孔垂直入射到参考物的上表面，经参考物上表面反射的光按照原光路返回进入到所述第二微片激光器形成第二测量回馈光；所述参考光经所述第二参考反射镜反射的光按照平行于原所述测量光的光路返回进入到所述第二微片激光器形成第二参考回馈光；所述第二微片激光器将所述第二参考回馈光和第二测量回馈光发射到所述分光镜上，经所述分光镜反射后进入所述光电信号处理系统，所述光电信号处理系统将 获得的所述第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量发送到电测及电控系统。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用特殊结构的升温炉装置设置有样品台，待测样品可以放置在样品台上，可以准确测量材料两端由温度变化引起的膨胀量，实现了完全非接触式测量。2、本发明由于升温炉装置炉膛底面和样品台表面光滑，可以有效消除由样品台或炉膛震动等引起的样品的位移量，从而提高了系统抗环境干扰能力。3、本发明由于升温炉装置与固体微片激光回馈干涉仪构成了外差测量系统，可以有效补偿升温炉膛内、外环境扰动，让系统不需要特定的真空环境，系统结构简单。4、本发明由于采用的升温炉装置炉膛内温度可以从室温升到1600℃，具有较大的温度测量范围，进一步提高了本发明的应用范围。5、本发明由于采用具有极高回馈光灵敏度的微片激光回馈干涉仪，使得即使在较高温度时样品表面(氧化或相变)具有较低表面反射率，仍可以实现完全非接触式测量，因此，对于待测样品的测量温度范围较传统干涉法有很大的提升。6本发明不仅可以广泛用于各种固体材料的非接触测量，同时也可以实现液体材料的非接触测量。因此，本发明能广泛应用于各种材料的膨胀系数的较大温度范围、高精度测量。
附图说明
图1为专利申请号为200710062859.5测量系统原理图，
图2为本发明实施例1结构示意图，
图3为本发明实施例1的计算模型示意图，
图4为本发明实施例2结构示意图，
图5为本发明实施例2的计算模型示意图，
图6为本发明实施例3结构示意图，
图7为本发明实施例3的计算模型示意图，
图8为本发明实施例4结构示意图，
图9为本发明实施例4的计算模型示意图，
图10为本发明碳纤维样品夹持结构图，其中图10(a)为碳纤维样品夹持结构侧视图，图10(b)为碳纤维样品夹持结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀通过膨胀系数来表示，通常所说的膨胀系数是指线膨胀系数，材料的线膨胀系数是指温度升高1℃后材料的相对伸长。在实际工作中材料的线膨胀系数的测量需要获得温度和膨胀量两 个物理量，下面对两个物理量的获得进行详尽的描述。
实施例1：
如图2所示，本发明实施例1包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统14、15和一电测及电控系统16，两固体微片激光回馈干涉仪光学系统之间设置一升温炉17，升温炉17包括一炉膛171，炉膛171内部设置一腔体172，腔体172两对侧分别向外对称设置一穿孔173，每一穿孔173外端部固定设置一穿孔封装结构174，每一穿孔封装结构174外端部通过一窗片夹持座175固定一窗片176，腔体内还设置有一能够放置待测样品的样品台装置177，炉膛171内还固定悬挂设置有加热元件和温度传感器(图中未示出)。
第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统14与现有系统结构基本相同，它包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括有第一微片激光器141，第一微片激光器141的出射光路上依次设置有分光镜142、第一声光调制器143、第二声光调制器144、透镜145和反射镜146；第一微片激光器141发出的激光依次发射到分光镜142、第一声光调制器143和第二声光调制器144，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，测量光和参考光同时发射到透镜145，透镜145出射的测量光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔垂直入射到待测样品的一侧面上，经待测样品一侧面反射的光按照原测量光路返回进入第一微片激光器形成第一测量回馈光；透镜145出射的参考光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔穿过腔体172并通过第二穿孔、第二穿孔封接结构和第二窗片发射到设置在第二窗片外侧的反射镜146上，调节反射镜146与光轴之间角度，使参考光按照平行于原测量光的光路返回进入第一微片激光器141形成第一参考回馈光；第一微片激光器141将第一参考回馈光和第一测量回馈光发射到分光镜142上，经分光镜142反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统用于获得第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量，光电信号处理系统的结构和原理与背景技术中提到的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”的结构和原理相同，在此不再赘述。
第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统15也与现有系统结构基本相同，它包括若干光学器件和光电信号处理系统，光学元件包括有第二微片激光器151，第二微片激光器151的出射光路上依次设置有分光镜152、第一声光调制器153、第二声光调制器154、透镜155和参考反射镜156；第二微片激光器151发出的激光依次发射到分光镜152、第一声光调制器153和第二声光调制器154，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，测量光和参考光同时发射到透镜155，经透镜155会聚到参考反射镜156；经参考反射镜156透射的测量光经第二窗片、第二穿孔封接 结构和第二穿孔垂直入射到待测样品的另一侧面上，经待测样品另一侧面反射的光按照原光路返回进入到第二微片激光器151形成第二测量回馈光；调节参考反射镜156与光轴之间的角度，使经参考反射镜156反射的参考光沿着平行于原测量光的光路返回进入到第二微片激光器151形成第二参考回馈光；第二微片激光器151将第二参考回馈光和第二测量回馈光发射到分光镜152上，经分光镜152反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统用于获得第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量，第二光电信号处理系统的结构和原理与背景技术中提到的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”的结构和原理相同，在此不再赘述。
电测及电控系统16包括一计算机161和一升温炉温度采集显示与控制系统162，计算机161内设置一高温控制模块和干涉系统测量模块；第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统14、15的光电信号处理系统将输出的外腔相位变化量信号发送到干涉系统测量模块计算得到待测样品的总膨胀量；高温控制模块通过升温炉温度采集显示与控制系统162对加热元件的温度变化进行控制，同时升温炉温度采集显示与控制系统162通过温度传感器实时采集炉膛171内的温度值并将其发送到干涉系统测量模块，干涉系统测量模块根据待测样品的总膨胀量和炉膛171内的温度值计算得出待测样品在不同温度范围内的平均线膨胀系数。
上述实施例中，干涉系统测量模块的具体工作过程为：
假定第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统14、15的第一参考回馈光、第一测量回馈光、第二参考回馈光、第二测量回馈光的位移量分别为和则：
SΩ1=c2nωΔPr1=SL5+2SL2+SL7+SL6---(1)]]>
S2Ω1=c2nωΔPm1=SL5+SL2+S1+SL8-S3---(2)]]>
SΩ2=c2nωΔPr2=SL9---(3)]]>
S2Ω2=c2nωΔPm2=SL9+SL4+SL10+SL2+SL11+S2+S3---(4)]]>
式中，c为真空中光速，n为空气折射率，ω为从第一、第二微片激光器出射的激光的频率，分别为第一、第二测量回馈光引起的外腔相位变化量，分别为第一、第二参考回馈光引起的外腔相位变化量。
如图3所示，温度为T0时，待测样品处于实线描述的位置，温度为T1时，待测样品经充分膨胀后，处于虚线描述的位置。各光路段的定义为：L0为温度为T0时待测样品的长度；L1为腔体172的腔长；L2为窗片176的厚度；L3为反射镜146的厚度； L4为参考反射镜156的厚度；L5为第一微片激光器141到第一窗片表面的距离；L6为反射镜146表面到第二窗片表面之间的距离，L7为第一参考光在炉膛171内的光程；L8为第一窗片1761表面到温度T1时充分膨胀后待测样品表面之间的距离；L9为第二微片激光器151到参考反射镜156表面之间的距离；L10为参考反射镜156表面到第二窗片表面之间的距离；L11为第二窗片表面到温度T1时充分膨胀后待测样品另一侧面之间的距离；S₁为待测样品的左侧膨胀量；S₂为待测样品的右侧膨胀量；S₃为待测样品的位移量；S_L2为窗片176的热效应引起的位移量；S_L4为参考反射镜156的热效应引起的位移量；S_L5为L5段光路中各光学元件的热效应引起的位移量和该L5段气体环境随温度变化引起的位移量之和；S_L6、S_L7分别为L6段和L7段气体环境随温度变化引起的位移量；S_L8为L8段气体环境随温度变化引起的位移量；S_L9为L9段光路中各光学元件的热效应引起的位移量和该段气体环境随温度变化引起的位移量之和；S_L10、S_L11分别为L10段和L11段气体环境随温度变化引起的位移量。
由公式(2)和(4)，得到待测样品的总膨胀量S为：
S=S1+S2=S2Ω1+S2Ω2-(2SL2+SL4+SL5+SL8+SL9+S10+SL11)---(5)]]>
由于窗片176、参考反射镜156的厚度和热膨胀系数很小，使得S_L2、S_L4可以忽略；反射镜146、参考反射镜156与第二窗片之间的距离很小，即L6、L10很小，且所处的环境的温度变化小，使得这部分气体环境随温度变化引起的位移量S_L6、S_L10可以忽略，即：
S_L2≈S_L4≈S_L6≈S_L10≈0     (6)
第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统14、15的各光学元件及所处气体环境基本相同，使得：
S_L9+S_L4+S_L10≈S_L5     (7)
由于第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统14中参考光和测量光之间的夹角α很小(如图1所示)，反射镜146可以补偿腔体172内环境干扰量，使第一参考回馈光和第一测量回馈光光程基本相同，使得L1＝L8+L11+S₁+S₂+L0≈L7，且腔体172处于近似热平衡环境，又S₁、S₂很小，则有：
S_L8+S_L11≈S_L7·[(L1-L0)/L1]     (8)
SΩ1-SΩ2=SL5+2SL2+SL7+SL6-SL9=SL7---(9)]]>
将公式(3)、(6)、(7)、(8)、(9)代入公式(5)，得到总膨胀量S为：
S≈S2Ω1-2SΩ2+S2Ω2-(SΩ1-SΩ2)·[(L1-L0)/L1]---(10)]]>
则待测样品在这段温度内的平均线膨胀系数为：
α(T0;T1)=1L0×ST1-T0---(11)]]>
下面以表面粗糙度为0.8，边长为40mm的立方体样块铝的膨胀系数的测量为例，对本发明实施例1的使用过程进行详细描述。
1)将待测样品放在样品台装置177上，再微调待测样品和第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统14、15，使第一、第二微片激光器141、151输出单纵模、线偏振、波长为1064nm的激光；
2)调节第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统14、15的水平高度，使两光学系统的测量光穿过升温炉17的穿孔173中心并处于同一水平高度，并且使得两测量光光轴基本重合并与待测样品表面垂直；
3)高温控制模块通过升温炉温度采集显示与控制系统162对炉膛171温度进行控制，使得腔体172的温度从室温加热到1000℃以上，温度加热步长为150℃，该步长加热时间为半小时，且在每一个温度值保持5小时使得待测样品铝充分膨胀；
4)干涉系统测量模块根据待测样品铝的长度、待测样品铝的总膨胀量和温度，计算出不同温度范围内的待测样品铝的平均线膨胀系数。
实施例2：
如图4所示，本发明实施例2的结构与实施例1的结构基本相同，它包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统18、15和电测及电控系统16，不同的是本实施例所采用的第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统18的结构不同，本实施例中的第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统18采用与实施例1中第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统15相同的结构，电测及电控系统16与实施例1中结构和原理相同，在此不再赘述。
本实施例的第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统18，包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括微片激光器181，微片激光器181的出射光路上依次设置有分光镜182、第一声光调制器183、第二声光调制器184、透镜185和参考反射镜186；微片激光器181发出的激光依次发射到分光镜182、第一声光调制器183和第二声光调制器184，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，测量光和参考光同时穿过透镜185会聚到参考反射镜186上，经参考反射镜186透射的测量光经第一窗片、第一穿孔封接结构和第一穿孔垂直入射到待测样品的一侧 面上，经待测样品一侧面反射的光按照原光路返回，进入到微片激光器181形成测量回馈光；调节参考反射镜186与光轴之间的角度，使得照射到参考反射镜186上的参考光的反射光按照平行于原测量光的光路返回，进入到微片激光器181形成参考回馈光；微片激光器181将参考回馈光和测量回馈光发射到分光镜182上，经分光镜182反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统用于获得参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量，光电信号处理系统的结构和原理与背景技术中提到的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”的结构和原理相同，在此不再赘述。
本实施中，如图5所示，干涉系统测量模块与实施例1的计算过程基本相同，不同的是本实施例将实施例1中反射镜146换成参考反射镜186，因而计算时采用参考反射镜186的厚度L4，具体的：假定本实施例中两固体微片激光回馈干涉仪光学系统的第一参考回馈光、第一测量回馈光、第二参考回馈光、第二测量回馈光得出的位移量分别为和则：
SΩ1=c2nωΔPr1=SL9---(12)]]>
S2Ω1=c2nωΔPm1=SL9+SL4+SL10+SL2+S1-S3---(13)]]>
SΩ2=c2nωΔPr2=SL9---(14)]]>
S2Ω2=c2nωΔPm2=SL9+SL4+SL10+SL2+S2+S3---(15)]]>
由公式(13)和(15)，得到待测样品的总膨胀量S为：
S=S1+S2=S2Ω1+S2Ω2-2(SL2+SL9+SL4+SL10)---(16)]]>
同样的，忽略S_L2、S_L4、S_L10后，温度从T0升到T1，待测样品的总膨胀量S为：
S=S1+S2=S2Ω1+S2Ω2-SΩ1-SΩ2---(17)]]>
将式(17)代入(11)，即可得到待测样品在这段温度内的平均线膨胀系数。
实施例3
如图6所示，本发明实施例3包括一微片激光回馈干涉仪光学系统19和电测及电控系统16，固体微片激光回馈干涉仪光学系统19的下方设置一升温炉20；升温炉20包括一炉膛201，炉膛201内设置一腔体202，腔体202顶部向外延伸设置一穿孔203，穿孔203外端部固定设置一穿孔封接结构204，穿孔封接结构204外端部通过一窗片夹持座205固定一窗片206，腔体202内还设置有一能够放置参考物和待测样品的样品台装置207，炉膛201内还固定悬挂设置有加热元件和温度传感器(图中未显示)；本实施例的电测及电控系统16与实施例1相同，其具体原理不再赘述。
固体微片激光回馈干涉仪光学系统19与现有系统结构基本相同，它包括若干光学 元件和光电信号处理系统；光学元件包括微片激光器191，微片激光器191的出射光路上依次设置有第一分光镜192，第一声光调制器193、第二声光调制器194、透镜195、第二分光镜196和反射镜197。微片激光器191发出的激光依次发射到第一分光镜192、第一声光调制器193和第二声光调制器194，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，测量光和参考光同时发射到透镜195，经透镜195会聚到第二分光镜196上，经第二分光镜196透射的测量光经窗片206、穿孔封装结构204和穿孔203垂直入射到待测样品的上表面，经待测样品上表面反射的光按照原光路返回进入到微片激光器191形成测量回馈光；经第二分光镜196反射的参考光照射到反射镜197上，调节反射镜197与光轴之间的角度，使参考光经窗片206、穿孔封装结构204和穿孔203垂直入射到参考物的上表面，且使得经参考物上表面反射的光按照平行于原测量光的光路返回进入到微片激光器191形成参考回馈光；微片激光器191将参考回馈光和测量回馈光发射到第一分光镜192，经第一分光镜192反射的光进入光电信号处理系统；光电信号处理系统用于获得参考回馈光和测量回馈光的外腔相位变化量并输出到电测及电控系统16，光电信号处理系统的结构和原理与背景技术中提到的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”的结构和原理相同，在此不再赘述。
本实施中，假定固体微片激光回馈干涉仪光学系统19的参考回馈光和测量回馈光的位移量分别为S_Ω和S_2Ω，则：
SΩ=c2nωΔPr=SL2Ω+SL4Ω+S3+S4---(18)]]>
S2Ω=c2nωΔPm=SL22Ω+SL32Ω+S1+S2+S3+S4---(19)]]>
如图7所示，温度为T0时，待测样品和参考物处于实线描述的位置，温度为T1时，待测样品和参考物经充分膨胀后，处于虚线描述的位置。各光路段的定义为：L0为温度为T0时待测样品的长度；L1为腔体202的腔长；L2为微片激光器191到窗片206下表面的距离；L3为测量光在腔体202内的光程；L4为参考光在腔体202内的光程；S₁为待测样品的上侧膨胀量；S₂为待测样品的下侧膨胀量；S₃为参考物的总膨胀量；S₄为样品台装置207和炉膛201底部的膨胀量；和分别为参考光和测量光在L2段光路中各光学元件和该L2段气体环境随温度变化引起的位移量之和；为测量光在L3段气体环境随温度变化引起的位移量；为参考光在L4段气体环境随温度变化引起的位移量。
由公式(19)，得到待测样品的总膨胀量S为：
S=S1+S2=S2Ω-(SL22Ω+SL32Ω+S3+S4)---(20)]]>
由于第二分光镜196和反射镜197之间的距离及第二分光镜196厚度较小，即L2段的参考光路和测量光路基本相同，使得在腔体202内的参考光和该参考光在参考物上表面的反射光之间的角度α很小，且待测样品的厚度L0较小，即腔体202内参考光路和测量光路基本相同，使得则待测样品的总膨胀量为：
S＝S_2Ω-S_Ω     (21)
将式(21)代入(11)，即可得到待测样品在这段温度内的平均线膨胀系数。
实施例4
如图8所示，本发明实施例4包括第一、第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统21、22和电测及电控系统16，第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统21下方，第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统22的一侧设置一升温炉20；升温炉20与实施例3中结构相同，电测及电控系统16与实施例1中结构相同，其具体原理不再赘述。
第一固体微片激光回馈干涉仪光学系统21与现有系统结构基本相同，它包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括第一微片激光器211，第一微片激光器211的出射光路上依次设置有分光镜212，第一声光调制器213、第二声光调制器214、透镜215和参考反射镜216。第一微片激光器211发出的激光依次发射到分光镜212、第一声光调制器213和第二声光调制器214，经声光调制器移频的光为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，测量光和参考光同时经透镜215会聚到参考反射镜216上，经参考反射镜216透射的测量光经窗片206、穿孔封接结构204和穿孔203垂直入射到待测样品的上表面，经待测样品上表面反射的光按照原光路返回进入到第一微片激光器211形成第一测量回馈光；调节参考反射镜216的角度，使得照射到参考反射镜216上的参考光的反射光按照平行于原测量光的光路返回进入到第一微片激光器211形成第一参考回馈光；第一微片激光器211将第一参考回馈光和第一测量回馈光发射到分光镜212上，经分光镜212反射的光进入光电信号处理系统；光电信号处理系统用于获得第一参考回馈光和第一测量回馈光的外腔相位变化量，光电信号处理系统的结构和原理与背景技术中提到的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”的结构和原理相同，在此不再赘述。
第二固体微片激光回馈干涉仪光学系统22与现有系统结构基本相同，它包括若干光学元件和光电信号处理系统；光学元件包括第二微片激光器221，第二微片激光器221的出射光路上依次设置有分光镜222，第一声光调制器223、第二声光调制器224、透镜225、参考反射镜226和反射镜227。第二微片激光器221发出的激光依次发射到分光镜222、第一声光调制器223和第二声光调制器224，经过两声光调制器移频的光 为测量光，未经声光调制器移频的光为参考光，测量光和参考光同时经透镜225会聚到参考反射镜226上，经参考反射镜226透射的测量光照射到反射镜227上，经反射镜227反射的测量光经窗片206、穿孔封接结构204和穿孔203垂直入射到参考物的上表面，经参考物上表面反射的光按照原光路返回进入到第二微片激光器形成第二测量回馈光；调节第二参考反射镜226的角度，使得照射到参考反射镜226上的参考光的反射光按照平行于测量光的光路返回进入到第二微片激光器221形成第二参考回馈光；第二微片激光器221将第二参考回馈光和第二测量回馈光发射到分光镜222上，经分光镜222反射的光进入光电信号处理系统，光电信号处理系统用于获得第二参考回馈光和第二测量回馈光的外腔相位变化量并输出到电测及电控系统16，光电信号处理系统的结构和原理与背景技术中提到的“准共路式微片激光器回馈干涉仪”的结构和原理相同，在此不再赘述。
本实施例中，假定本实施例中两固体微片激光回馈干涉仪光学系统的第一参考回馈光、第一测量回馈光、第二参考回馈光、第二测量回馈光得出的位移量分别为和则：
SΩ1=c2nωΔPr1=SL3---(22)]]>
S2Ω1=c2nωΔPm1=SL3+SL6+SL7+S1+S2+S3+S4---(23)]]>
SΩ2=c2nωΔPr2=SL2---(24)]]>
S2Ω2=c2nωΔPm2=SL2+SL4+SL5+SL8+S3+S4---(25)]]>
如图9所示，温度为T0时，待测样品和参考物处于实线描述的位置，温度为T1时，待测样品和参考物经充分膨胀后，处于虚线描述的位置。各光路段的定义为：L0为温度为T0时待测样品的长度；L1为炉膛202的腔长；L2为微片激光器221到第二参考反射镜226表面之间的距离；L3为微片激光器211到第一参考反射镜216表面之间的距离；L4为第二参考反射镜226左表面到反射镜227表面之间的距离；L5为反射镜227表面到窗片206右表面之间的距离；L6为参考反射镜216上表面到窗片206下表面之间的距离；L7为第一测量光在腔体202内的光程；L8为第二测量光在腔体202内的光程；S₁为待测样品的上侧膨胀量；S₂为待测样品的下侧膨胀量；S₃为参考物的总膨胀量；S₃为样品台装置207和炉膛201底部的膨胀量；S_L2、S_L3、S_L4、S_L5、S_L6分别为L2、L3、L4、L5、L6段光路中各光学元件的热效应引起的位移量和该对应段气体环境随温度变化引起的位移量之和；S_L7、S_L8分别为L7、L8段气体环境随温度变化引起的位移量。
由公式(23)，得到待测样品的总膨胀量S为：
S=S1+S2=S2Ω1-(SL3+SL6+SL7+S3+S4)---(26)]]>
由于L4+L5≈L6，且它们处于相似的环境下，则S_L4+S_L5≈S_L6；待测样品的厚度L0较小，则有S_L7≈S_L8；则总膨胀量可简化为：
S=S2Ω1-SΩ1-S2Ω2+SΩ2---(27)]]>
将式(27)代入(11)，即可得到待测样品在这段温度内的平均线膨胀系数。
上述各实施例中，升温炉17和20均可以采用1600℃立式实验高温炉，炉膛171和201均采用耐高温陶瓷纤维材料，加热元件采用硅钼棒，温度传感器采用热敏电阻，炉膛171和201底面水平且光滑，其一方面为了方便调节第一、第二测量光与待测样品表面的角度使它们相互垂直，另一方面可以减小待测样品由外界环境引起的震动。
上述各实施例中，当待测样品为高温难氧化的材料时，腔体172和202内采用空气；当待测样品为高温易氧化的材料时，腔体172和202内采用氮气。
上述实施例2中，参考反射镜186和156设置在窗片176外侧，不能对炉膛171内高温环境引起的测量光的光程误差进行补偿，当测量精度要求较高时，腔体172内也可以抽真空，以得到高精度要求。
上述各实施例中，样品台装置177和207采用陶瓷纤维材料加工而成，且其表面光滑使其与待测样品完全接触来减小外界环境引起的振动。
上述各实施例中，窗片夹持座175和205均可以采用膨胀系数小的殷钢材料。
上述各实施例中，窗片176和206均可以采用两面镀1064nm光波长增透膜、膨胀系数小的石英窗片。窗片176和206的形状均可以采用楔形，以保证测量光和参考光照射到其表面时，反射光不会进入各微片激光器。
上述各实施例中，当待测样品为质量和体积较小或难以立式放置时，如条形状样块碳纤维复合材料时，采用碳纤维样品夹持结构进行夹持。如图10(a)、图10(b)所示，该样品夹持结构包括一底座23，底座23一端高一端低，在底座23较高的一端的中部设置一沿长度方向延伸的凹槽24，底座23高的一端向凹槽24并排设置两个螺纹孔25。使用时，将一垫片26放置在凹槽24中，用螺丝27顶住垫片26把待测样品固定在凹槽24中。其中，底座23及垫片26均采用耐高温大密度材料。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。