本发明涉及用以监测高温空气下物体物理状态变化的装置，其涉及一种通过测量物体的重量和尺寸，用以监测置于高温炉中的物体物理状态的装置。 众所周知，可以在各种高温炉里处理或加工各种用不同材料制成的物品或物体（在技术领域内通常称为样品或工件）。高温炉的例子之一是烧结炉。
一种在烧结炉里加工的典型样品或工件是经注塑成型而形成的物体。这种注塑成型物体或物品由掺和石腊的原材料制成，并成型为所需的形状。在烧结炉里，这种注塑成型物体首先要“脱腊”，然后经初始的或主要的烧结工序。在脱腊工序中，注塑成型物体在烧结炉里在真空条件下加热，并由此在压力减小的情况下，通过逐渐地蒸发将成型物体中含有的石腊脱去。如果在这一工序过程中，炉中的温度和压力控制得太急速，那么成型物体中的石腊将蒸发得太快，这样，将引起成型物体以非常快的速度收缩和失重。而这又将在成型物体中产生非期望的开裂并使其形状损坏。然而，要对成型物体在加工期间，例如在烧结炉里脱腊期间所产生的任何物理变化进行实时监测在过去几乎是不可能的。为了解决这一问题，现有技术的普遍做法是当成型物体完成烧结工序从炉里取出后，严格检查开裂和带有裂纹的成型物体，并调整温度和压力条件，努力建立最佳的烧结炉操作条件，以便以后加工的成型物体能将裂纹和不希望有的畸变消除或减小到最低程度。
这些为烧结炉建立最佳操作条件的传统技术具有内在的缺点，即它们很大程度上取决于富有经验的操作人员的熟练程度和判断力，因此，缺乏用以选择操作条件的客观判断标准，从而使最终产品的成品率不高。
面对这些问题，近年来已尝试过在烧结炉里将各种用以测量工件重量或位移的机械装置安装到炉中的支架上。利用这些测量机构，可以通过将注塑成型物体悬挂在重量测量机构上而测定其重量，或通过检测注塑成型物体上表面的某一固定位置与放置成型物体的支承框架的某一固定位置之间的距离，来测定注塑成型物体的垂直尺寸。然而，现有技术方案的不足在于，这两种独立测量机构必须设置在不同位置上，从而使整体结构体积庞大而且复杂。而且，按照现有技术方案，必须在烧结炉的炉壁上开有洞孔，通过该洞孔将一个悬式探针和一个位置敏感探针插入炉中。这些洞孔对于炉温具有不利作用。况且，由于探针在炉内高温度下容易产生热膨胀，故用传统方案检测注塑成型物体的固定位置相当容易产生误差，而且，既使炉台轻微地上升和下降，也会引起在其它方面是固定的支承框架位置的偏移。
本发明是针对上述问题而构思的，其目的是提供一种能够解决上述问题，用以测量工件物理状态的装置。
本发明提供一种用以监测高温条件下工件的物理状态的装置，它包括：一个用以固定工件的支承框架;支承框架放置在其上的基座;一个可在工件和支承框架之间相对移动并可将支承框架连同工件从基座上提起的具有高端和低端的探针;当探针在工件和支承框架之间移动而没有提升支承框架的时候，用以检测探针高端位移的位移检测装置;当探针提升支承框架时，用以检测施加在探针高端处负荷的载荷检测装置。本发明的装置特点在于，根据由位移检测装置所检测到的探针的相对位移量，即可获得工件的垂直尺寸;同时，根据由重量检测装置所检测到的负荷，即可获得工件的重量。
为了消除因支承框架内部的热畸变而产生的测量误差，探针和支承框架的垂直尺寸应根据它们的线性膨胀系数而决定，使探针在其轴向上最大许可位移基本上保持恒定，而不因环境温度变化所引起的探针或支承框架的热畸变而受影响。另外一种方法是，探针可如此设计，使探针沿轴向向上移动时，能提升一个参考工件，该参考工件具有不同于探针本身的线性膨胀系数。支承框架的环境温度是利用以下事实测定的，即探针和参考工件之间在线性膨胀系数方面的差别，将根据环境温度而对探针的垂直位移产生影响，该垂直位移是指探针提升参考工件的位置到它衔接支承框架的位置之间的位移，由此，探针因热畸变而产生的相对位移变化即可得到校正。
在上述方案中，是通过将工件从支承框架上向上拉而测得工件的重量。
为了消除因驱使工件漂浮在炉中的力以及因负荷检测装置的增益漂移而对工件所产生的不利影响，已由探针往上拉的工件可以通过使探针上下垂直移动的一个驱动机械装置来振动。在此条件下，在负荷检测装置输出端所呈现的振动波形可以作电处理，振动系统的质量通过下列方程式求得：
于是，根据振动系统的质量相对于时间的变化，可以求得工件的质量变化。
工件的阻抗有助于测定工件的某些物理特性，例如含碳量。
为了方便和精确地测量工件的阻抗，可由在探针与工件接触时，所测得探针测量端与支承框架测量端之间的阻抗，在探针与支承框架接触而未将支承框架提起时，所测得两测量端之间的阻抗，以及可事先测定的支承框架本身的阻抗而得到工件的阻抗。
本发明的装置的设计，是通过探针的向上向下移动，周期地或断续地测量工件重量和尺寸的变化。通常，与测量过程比较，被测工件的变化很缓慢，故断续测量可认为是同时进行的。因此，有可能利用一台机械装置同时对重量和尺寸进行精确测量。单一的一体化探针结构简单，而且对炉温的不利影响极小。根据本发明，当探针的下端在支承框架内位移时，通过探针上端的位移量即可测定工件的垂直尺寸，探针上端的轴向移动精确地对应于探针下端的轴向移动，即使探针本身因热畸变而膨胀或支承基座放在其上的炉台发生下沉，由探针热膨胀和炉台下沉而产生的测量误差均可有效地消除，除非这种膨胀和下沉在一次测量过程中经受很大变化。
上述位移误差产生于支承框架外部。如果在支承框架内部不采取任何补救办法，那么，由于热畸变而导致膨胀的支承框架和探针低端，就会使探针下端的最大容许位移或相对位移产生变化。在本发明的装置中，采用预防措施使探针下端的最下容许位移保持恒定，而与热畸变无关，或对因热畸变而在探针下端的最大位移和相对位移方面所产生的变化加以补偿。采取预防措施后，发生在支承框架内部的任何误差都能有效地消除。
在根据夹具的振动波形而测得工件质量变化的装置中，所用的方程式不含有诸如气体密度和负荷检测装置的增益这些量，由此可实现精确测量，不会因施加在制作品上的浮力或检测装置的增益漂移而受影响。
在探针被用作电路中一个接触点来测量工件阻抗的装置中，无需将电极和引线设置在炉中。这样可有效地避免与此类电路元件的耐热特性及其对炉温的影响等有关的问题。而且，可以消除工件与阻抗计或欧姆计之间的电阻。所有这些都有助于测量精度的改善。
本发明将通过以下给出的详细描述和本发明几个较佳实施例的相应附图，提供更为详尽的说明。
图1是按照本发明的一个较佳实施例，应用于真空烧结炉的一台装置的剖面图;
图2是显示图1所示装置中在支承框架内运动的探针的局部放大剖面图;
图3是根据本发明另一个较佳实施例构成的一台装置中类似于图2的剖面图;
图4是根据本发明再一个较佳实施例构成的一台装置中类似于图2的剖面图;
图5是图4所示装置一种变换形式中类似于图2的剖面图;
图6是表示当探针在工件和支承框架之间移动时，由磁性标尺测得的位移X与力传感器测得的负荷W两者之间关系的曲线图;
图7是位移X和负荷W的曲线图，图中示有当磁性标尺以不同方向移动时所测负荷W的波动;
图8是根据本发明的又一个实施例，应用于真空烧结炉并具有阻抗测量设备的一种装置的剖视图;
图9是表示包含在图8所示装置中等效电路的示意图。
现在，将参照附图详细介绍本发明的一些较佳实施例。
参见图1，图1表示根据本发明的第一个实施例，应用于真空烧结炉的测量装置。该测量装置包括一个设置在炉腔1内部，由绝热材料制成的密封盒3。待测工件（例如一个注塑成型物体）放在密封盒3内部。工件A固定在象盒子一样的支承框架4的底面4a上，支承框架4本身通过支承座5支承在密封盒3的炉台3a上。支承框架4的顶壁4b上有一狭缝4c。狭缝4c允许悬式探针6通过炉腔1，绝热材料2和密封盒3伸入支承框架4内部。探针6的下端配置一个径向扩展的部分6a，用与探针6相同的材料制成。该扩展端部6a固定在探针6上，用以在工件A的顶面与支承框架4的顶壁4b之间作相对位移。当悬式探针6在扩展端6a紧靠支承框架4的顶壁4b的底面的情况下向上拉时，支承框架4连同工件A被向上提升而脱离支承座5。
炉腔1有一个顶部窗孔1a，副腔7以气密方式联接到该窗孔1a。驱动机构8支承着延伸到副腔7中的探针6的上端6b作上下运动。驱动机构8包括一个力传感器8c，探针6的上端6b由夹具8b通过一个柔性衬垫或薄片弹簧8a联接到力传感器8c;用以支承力传感器8c固定端的臂8d;从支承臂8向上延伸到副腔7外面的连杆8e;使连杆8e向上偏移，以便装在连杆上的凸轮随动件8f与凸轮8g形成压力接触的平衡弹簧8h;用以驱动凸轮8g和匹配的凸轮随动件8f，使连杆8e向上或向下垂直移动到所需位置的谐和驱动型步进马达8i;以及用以引导连杆8e作向上和向下运动的直线型导轨8j。施加在探针6顶端6b上的负荷以一种电信号形式，由力传感器8c连续输出。与连杆8e顶端接触联接的磁性标尺9，产生一个表示连杆8e顶端的垂直位移的电信号，由于支承臂8d的刚性结构，上述垂直位移与探针6顶端6b的垂直位移相一致。
步进马达8i，磁性标尺9和力传感器8c均连接到一台微计算机10。微计算机10连同磁性标尺9和力传感器8c，形成一个位移和负荷检测机构，检测如图6所示探针的位移X与负荷W之间的变化关系，其中，X由磁性标尺9测定，W由力传感器8c测定。微计算机10参照由力传感器8c和磁性标尺9所测得的数值，根据所测数值的变化确定探针的扩展下端6a是否与工件A相接触（如图6中P1所示），或其是否与支承框架4顶壁4b的底面相接触（如图6中P2所示），或其是否已将支承框架4连同工件A一起向上提拉（如图6中P3所示）。根据本发明的装置，将扩展下端6a提拉支承框架4时施加在探针上端6b上的负荷与下端6a未提拉支承框架时施加在上端6b上的负荷比较，便可获得两种负荷之间的差△W。然后从重量差△W中减去支承框架4的重量，即可计算出工件A的重量Wo。由于力传感器8c的读数对应于磁性标尺9的读数，因此当低端6a从工件A移动到支承框架4的顶壁4b的底面而未提拉支承框架时，首先测定探针上端6b的相对位移ε（见图2），然后从工件未置于支承框架4上时探针低端6a的最大允许位移lo中减去相对位移ε，即可获得制作件A的垂直尺寸h。
采用本发明的装置，通过上下移动探针6，可周期性地断续地测得工件的重量和尺寸。由于工件A例如注塑成型物体状态的任何变化与断续测量步骤比较，其过程极缓慢，故上述测量步骤可认为是同时进行的。结果，利用一台机械装置同时对重量和尺寸进行精确测量已成为可能。单一的一体化探针结构简单且对炉温的不利影响极小。
按照本装置，工件的垂直尺寸是当低端6a在支承框架4内部相对移动时，根据探针上端6b的相对位移量而测得的。因此，即使探针6因热畸变而膨胀或支承座5放置于其上的炉台3a发生下沉，探针6低端的相对位移ε仍精确对应于探针6上端的相对位移，故换句话说，因探针6热膨胀和炉台3a下沉而产生的测量误差可有效地加以消除，除非在一次测量过程中上述膨胀或下沉相当严重。
当图1所示的密封盒的外部与内部之间存在压力差P1-P2时，就会有气流X进入密封盒，对探针6施加一个气流压力，这样，由力传感器8c测得的承载在探针上端6b的负荷将不可避免地包含某些测量误差。由于本装置根据探针未提拉支承框架4时与提拉支承框架4时，承载在探针6上的两个负荷之差，获得包括工件A在内的支承框架4的重量，再从中减去支承框架4的重量后，计算出工件A的重量，故采用本发明的装置后，上述各种测量误差可有效地加以消除，除非该压力差P1-P2和气流X在一次测量过程中发生很大的变化。
根据本发明第二个实施例的装置，目的是要消除上述实施例未能有效消除的探针相对位移方面的误差。通过第一个实施例的装置能克服的误差只是在支承框架4外部所产生的误差。至于因热膨胀引起支承框架和探针6低端的垂直尺寸变化，将在支承框架4内部产生误差，使探针最大允许位移ε发生变化。因此，采用如图3所示的第2个实施例的装置，探针106扩展的低端106a的垂直尺寸1p和支承框架104的内部垂直尺寸1S，是根据其线性膨胀系数αp和αs，使它们满足下列方程式而确定的：
αs·1s＝αp·1p
应当注意，首先给出两种材料的线性膨胀系数α，然后再给出长度1，上述方程式就很容易满足。例如，建议1s按照方程式
1s＝（αp/αs）·1p
在最后确定。
采用这种装置，最大许可位移ε基本上保持恒定，不会因环境温度T而受到不利影响。因此，在支承框架4内部产生的任何误差都可以消除，由此大大改善了测量精度。
根据本发明第三个实施例的装置，其目的是采用与第二个实施例不同的方法，来补偿第一个实施例中由支承框架4中的热畸变而产生的误差，如图4所示，当探针206的扩展低端206a离开工件A朝着支承框架顶壁的下表面204b移动时，探针206利用探针206上形成的台肩206c勾住参考工件217将该参考工件向上提拉，该工件217由线性膨胀系数不同于探针的材料制成。参考工件217与探针206之间的线性膨胀系数之差，可由探针206扩展低端206a与其台肩206c之间的长度11，参考工件217的长度12以及它们的线性膨胀系数α1和α2而获得。根据所获得的线性膨胀系数之间的差，以及当探针提拉参考工件217后，直至探针低端206a紧靠在支承框架顶壁底面204b上时探针位移δ的变化率，支承框架204中的环境温度T可按下列方程式得到：
△δ＝（α1·11-α2·12）·△T
温度T可有效地用来补偿由于热畸变而引起的扩展低端206a的最大允许位移10的变化和其相对位移ε的变化。△δ实际上使磁性标尺9测得的数值相对应于由力传感器8c所测数值的变化范围即可获得。
采用这种方案，就有可能对炉温T变化时，因热畸变而产生的最大可能位移10的变化进行补偿。结果，支承框架204内部的任何误差均可消除，使测量精度得到进一步改进。
根据本发明第四个实施例的装置，其目的是通过将力传感器8c测得的数值输入诸如图1中所示微计算机一类的信号处理装置，从包括探针6的整个夹具的振动波形中获得工件A的质量变化。在图1所示的装置中，如果驱动机构8使探针6在把支承框架4与工件A一起提起的同时，反复地作上下运动，则每次磁性标尺9的往复触头的运动方向改变时，力传感器8c所测得的数值W就会发生波动，如图7所示。在这种情况下，由于力传感器8c的负荷W的波形与探针6的位移X的波形之间存在相关性，振动系统的角速度ω和阻尼因数n可从负荷W的波形中获得。首先，按下列方程式求得角速度ω和阻尼因数n：
f＝A-nte（COSωt+α）
其中，A是初始振幅，α是初始相位角。为此目的，微计算机将力传感器8c测得的数值送至一个微分电路。角速度ω从微分值成为零的周期获得，阻尼因数n可通过在较长一段时间内观察当微分值为零时力传感器8c所测得的数值而获得。振动系统的质量m由以下方程式给出：
其中，k为振动系统的弹性模量，它是预先获得的。数值m除了包括工件A的质量和支承框架4的质量外，还包括探针6的质量，其在较长一段时间内的变化精确地对应于工件A的质量变化。
采用这种方法，测量时不会因为作用在工件A上的浮力（尤其在加压情况下），或力传感器8c的增益漂移而受影响，从而使重量测量精度进一步提高。
必须注意，采用上述测量技术，通过驱动机构将三角波形以外的运动波形，诸如矩形波或梯形波加到承载框架和工件的探针上，也可获得相同的好结果。只要探针6和力传感器8c的弹性模量足够，柔性弹簧8a即可省略。
根据本发明第五个实施例的装置基本上与第一个实施例的相同，但作了变动以便实现对工件A的阻抗测量。为此目的，如图8所示，将一阻抗计410连接在力传感器408c的固定端与炉内支承体405之间，例如a点和b点，它们将被称为测量点。参照号410a指的是一种电绝缘材料。由阻抗计410测得的阻抗值送往微计算机10。
图9示意该装置的一个等效电路。Z1表示工件A的阻抗，Z2表示支承框架404的阻抗，Z0表示上述部分与阻抗计410之间的电路阻抗。阻抗Z1+Z0是当探针406与工件A接触时测得的，阻抗Z2+Z0是当探针406与支承框架404接触但尚未提拉它时测得的。从前一个阻抗中减去后者，阻抗Z0被消掉，得到差Z1-Z2，将支承框架404的阻抗Z2加到其中，便得到阻抗Z1。以如此得到的Z1值为基础，工件A的含碳量即可估计出来以用作含碳量控制，或它的介电常数即可估计得出，以使其保持在合适数值。
为了第一次得到支承框架404的阻抗Z2，可利用一个标准工件（其阻抗Z1是已知的）而计算Z1-（Z1-Z2）。
在现有技术装置中，电气引线从连接于工件A的一对电极中引伸到炉外，与此相比，本发明的方案取消了这种电极或引线，由此解除了关于其耐热特性以及其对炉温影响的问题。再有，由于阻抗计410与工件A之间的阻抗Z0被消掉，故有可能提高测量精度。
在不必测量工件A的电抗而只需要测定其电阻的情况下，可以用欧姆计替换阻抗计。另外，如果烧结炉由一种良导电材料制成，引线可以连接于炉子的外部，以取代由支承体405引伸到炉外的引线。通过力传感器408c，将探针对工件的接触压力控制在合适程度，对于防止工件A的表面遭受弧光放电的损害是有用的，而这种弧光放电当两者之间存在点接触时即可发生。
本发明已参照几个较佳实施例作了详细的描述。然而，必须注意，本发明并不局限于上述几个实施例，而诸如图5所示的各种变换都属于本发明的范围。
在图5所示的方案中，探针6的低端306具有大致是U型剖面，支承架304采用平面体的形式。当探针306向上移动时，它即勾住支承架304的底面，并将支承架连同工件A一起提拉。
如以上详细描述，本发明的装置仅利用一根探针，且能够监测置于热空气中的工件物理状态方面的任何变化，尽管本发明的装置采用断续测量，但其测量精度却与连续测量差不多。本发明的装置的优点是结构简单以及对炉温的不利影响极小。另外，在本发明的装置中，被测工件的垂直尺寸是当探针沿轴向上下移动时，根据探针的相对位移而得到的，故因热畸变致使探针长度变化而引起的任何测量误差均可得到消除，由此提高了测量精度。此外，本发明的装置能够消除由工件支承框架内部的热畸变所引起的测量误差，由此进一步改善了测量精度。由于探针与工件的接触压力可容易地调节，故用本发明的装置可以测量相当易碎的工件。
由于本发明的装置通过包括探针在内的整个夹具的振动，来测量工件质量的变化，故可以完成精确测量，而不会因作用在工件上的浮力和力传感器的增益漂移而受到不利影响。采用本发明的方案，探针与工件和支承框架交替接触，工件的阻抗可由兼作为一个电路部件的探针测得。本方案无需在炉内设置电极和引线，并确保更精确的测量，没有因引线的电阻而产生的测量误差。