CN108614003A - 一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置 - Google Patents

一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，包括支撑底座，支撑底座顶部安装有测量壳体，测量壳体前、后两端分别设置有前透明玻璃层和后透明玻璃层，测量壳体内部设置有均匀加热机构，均匀加热机构包括设置在测量壳体内部且均匀分布的导热块，导热块内部设置有放置腔，放置腔内设置有电加热板，相邻导热块之间均设置有热膨胀系数测量机构，测量壳体外部架设有门型架，门型架上设置有调节拍照机构，该装置能够避免测量结构对待测物体的测量产生影响，同时能够使装置内温度分布更均匀，有利于保证测量结果的精准度，此外还能够同时测量多个物体的热膨胀系数，既方便多次测量取平均值，又可以同时测量多个物体的热膨胀系数。

Description

一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置
技术领域
本发明涉及工程物理领域，具体为一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置。
背景技术
工程物理是物理，工程和数学三种学科结合的学科。基础物理和要解决的问题及工程技巧相结合，使工程物理有广泛的应用。这门交叉学科是为技术领域内继续发明而设置，和传统的工程学科不同，工程科学/物理不需限定在一个科学或物理的分支。而工程科学/物理是指某一专门化如光学，量子物理，材料科学，应用物理学，纳米技术，微型品制造，力学工程，电工程，生物物理，控制理论，空气动力学，能量，固态物理等在应用物理方面提供较彻底的基础训练。它通过加强对数学，科学，统计和工程原理的应用，使解决工程问题更优化和具创造性的学科。这学科侧重研究和发展，设计和分析，具交叉功能，是理论科学和实际工程间的一座桥梁。
热膨胀系数是单位长度、单位体积的物体，温度升高1℃时，其长度或体积的相对变化量，可用平均线膨胀系数α或平均体积膨胀系数β表示：
或
式中L、V分别为试样原始长度(mm)和原始体积(mm3)，ΔL、ΔV分别为温度由t1(℃)上升到t2(℃)时试样的相对伸长和体积的变化量。在一般情况下，β≈3α，因此实用上采用线膨胀系数α来表示。它随材料的组成和温度的变化而异，是固体材料受热冲击时反映其性能变化的物理参数。
大多数情况之下，热膨胀系数为正值，也就是说温度变化与长度变化成正比，温度升高体积扩大。但是也有例外，如水在0到4摄氏度之间，会出现负膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。
现有的测量热膨胀系数的装置通常采用“顶杆法”，顶杆法是一种经典方法，采用机械测量原理，即将试样的一端固定在支持器的端头上，另一端与顶杆接触，试样、支持器和顶杆同时加热，试样与这些部件的热膨胀差值被顶杆传递出来，并被测量。
但是，现有的热膨胀系数测量装置存在以下缺陷：
(1)由于顶杆和支持器尺寸较长，使得在测量时，顶杆和支持器之间的膨胀量难以相互抵消，使待测物体热膨胀系数的测量精度不高；
(2)测量热膨胀系数的装置一般较长，使得在测量时，很难保证装置内温度的均匀，会对待测物体热膨胀系数的测量产生一定的影响；
(3)现有的热膨胀系数测量装置一般只能同时对一个物体进行测量，既不能同时测量多个物体的热膨胀系数，又不能快速的完成对相同尺寸同一物体的多次测量取平均值。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，该装置能够避免测量结构对待测物体的测量产生影响，使得物体热膨胀系数的测量精度更高，同时，能够使装置内温度分布更均匀，有利于保证测量结果的精准度，此外，该装置还能够同时测量多个物体的热膨胀系数，既方便多次测量取平均值，又可以同时测量不同物体的热膨胀系数，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，包括支撑底座，所述支撑底座的顶部固定安装有测量壳体，且测量壳体的前、后两端分别设置有前透明玻璃层和后透明玻璃层，所述测量壳体的内部设置有均匀加热机构；
所述均匀加热机构包括设置在测量壳体内部且均匀分布的导热块，所述导热块的顶端、底端均与测量壳体固定连接，且在导热块的内部设置有放置腔，所述放置腔内均设置有电加热板，相邻的两个所述导热块之间均设置有热膨胀系数测量机构，所述测量壳体的外部架设有固定在支撑底座上的门型架，且在门型架上设置有调节拍照机构。
进一步地，所述热膨胀系数测量机构包括设置在测量壳体底部的陶瓷座，且陶瓷座分别位于对应的两个导热块之间，所述陶瓷座的顶面均设置有插设放置槽。
进一步地，所述陶瓷座的正上方均设置有陶瓷导正板，且陶瓷导正板的两端均与导热块固定连接，所述陶瓷导正板的表面均设置有与对应的插设放置槽位于同一竖直面的导正条形孔。
进一步地，所述导正条形孔的两侧均设置有位于陶瓷导正板顶面的探头固定槽，且探头固定槽内均设置有温度检测探头，所述陶瓷导正板的顶端两侧均连接有隔热空心套管，所述隔热空心套管的顶端均穿过测量壳体并连接有温度测量仪，所述温度测量仪均通过检测线与对应的温度检测探头连接，且检测线分别穿过对应的隔热空心套管与陶瓷导正板的内部。
进一步地，所述陶瓷导正板的底端均连接有与隔热空心套管对应的支撑杆，且支撑杆和隔热空心套管的内侧均连接有若干个导正杆，所述导正杆的内端均连接有导正片。
进一步地，所述前透明玻璃层的内壁设置有若干个分别与插设放置槽对应的光源底座，且在光源底座的侧面设置有平行光源。
进一步地，所述后透明玻璃层的内壁设置有若干个分别与光源底座对应的光影投放面。
进一步地，所述调节拍照机构包括设置在门型架前侧内壁上的若干个移动滑槽，且移动滑槽上均设置有移动滑块，所述移动滑块的内侧均固定安装有照相机。
进一步地，所述移动滑块的正下方均设置有固定在支撑底座上的调节气缸，且调节气缸的输出端均通过调节轴与对应的移动滑块连接。
进一步地，所述后透明玻璃层与门型架后侧之间设置有若干个横向对照板，且横向对照板分别与移动滑块一一对应，所述横向对照板的顶端与对应的移动滑块的顶端之间均通过弯折杆连接，所述横向对照板的前侧均设置有渐缩薄刃，且渐缩薄刃的前端分别与照相机的镜头中心对应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在测量时，能够避免测量结构本身的热膨胀对待测物体的测量产生影响，使得物体热膨胀系数的测量精度更高；
(2)本发明能够使装置内各处温度分布更均匀，使得待测物体的热膨胀更均匀，有利于保证测量结果的精准度；
(3)本发明能够同时测量多个物体的热膨胀系数，既可以用来多次测量取平均值，以提升测量结果的准确度，又可以同时测量不同物体的热膨胀系数，使得装置的使用效果更好。
附图说明
图1为本发明的整体剖面结构示意图；
图2为本发明的门型架剖面结构示意图；
图3为本发明的前透明玻璃层侧视结构示意图；
图4为本发明的后透明玻璃层侧视结构示意图；
图5为本发明的弯折杆俯视结构示意图。
图中标号：
1-支撑底座；2-测量壳体；3-前透明玻璃层；4-后透明玻璃层；5-均匀加热机构；6-热膨胀系数测量机构；7-门型架；8-调节拍照机构；9-光源底座；10-平行光源；11-光影投放面；
501-导热块；502-放置腔；503-电加热板；
601-陶瓷座；602-插设放置槽；603-陶瓷导正板；604-导正条形孔；605-探头固定槽；606-温度检测探头；607-隔热空心套管；608-温度测量仪；609-检测线；610-支撑杆；611-导正杆；612-导正片；
801-移动滑槽；802-移动滑块；803-照相机；804-调节气缸；805-调节轴；806-横向对照板；807-弯折杆；808-渐缩薄刃。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图5所示，本发明提供了一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，包括支撑底座1，支撑底座1的顶部固定安装有测量壳体2，且测量壳体2的前、后两端分别设置有前透明玻璃层3和后透明玻璃层4，前透明玻璃层3和后透明玻璃层4均由耐高温的玻璃材料制成，测量壳体2其余的面均由隔热材料制成，可以避免测量壳体2内的温度过多的外散，同时，测量壳体2的顶面设置有若干个活动连接的门，能够用于向测量壳体2内放置待测物体。
测量壳体2的内部设置有均匀加热机构5，均匀加热机构5包括设置在测量壳体2内部且均匀分布的导热块501，导热块501由导热性能较好的金属或复合材料制成，导热块501的顶端、底端均与测量壳体2固定连接。
导热块501的内部设置有放置腔502，放置腔502内均设置有电加热板503，电加热板503用于对测量壳体2内进行加热，与电加热板503连接的导线均穿过测量壳体2，且控制电加热板503加热温度的控制模块均设置在测量壳体2的外部，通过设置均匀分布的导热块501，能够使测量壳体2内的温度分布更均匀，可以使待测物体的热膨胀更均匀，有利于保证测量结果的精准度。
相邻的两个导热块501之间均设置有热膨胀系数测量机构6，热膨胀系数测量机构6包括设置在测量壳体2底部的陶瓷座601，且陶瓷座601分别位于对应的两个导热块501之间。
通过在相邻的两个导热块501之间设置热膨胀系数测量机构6，能够使多个待测物体处于同一测量环境，使得装置可以同时测量多个物体的热膨胀系数，不仅能够用来对同一材质、同一大小的待测物体进行多次测量取平均值，以提升测量结果的准确度，还能够同时测量不同物体的热膨胀系数，使得装置的使用效果更好。
陶瓷座601的顶面均设置有插设放置槽602，陶瓷座601的正上方均设置有陶瓷导正板603，且陶瓷导正板603的两端均与导热块501固定连接，陶瓷座601和陶瓷导正板603均由特定的陶瓷材料制成，这类陶瓷材料的热膨胀系数几乎为0，使得装置本身结构的热膨胀对待测物体的测量不会产生影响，使得待测物体热膨胀系数的测量精度更高。
陶瓷导正板603的表面均设置有与对应的插设放置槽602位于同一竖直面的导正条形孔604，插设放置槽602和导正条形孔604的大小均与待测物体的大小匹配，在测量时，能够通过测量壳体2顶部的门，分别向各个插设放置槽602内放置待测物体，且待测物体均穿过对应的导正条形孔604，使得待测物体能够始终竖直设置，且在热膨胀伸长时，能够向上延长，通过测量延长的长度，便能推算出待测物体的热膨胀系数。
导正条形孔604的两侧均设置有位于陶瓷导正板603顶面的探头固定槽605，且探头固定槽605内均设置有温度检测探头606，陶瓷导正板603的顶端两侧均连接有隔热空心套管607，隔热空心套管607的顶端均穿过测量壳体2并连接有温度测量仪608。
温度测量仪608均通过检测线609与对应的温度检测探头606连接，且检测线609分别穿过对应的隔热空心套管607与陶瓷导正板603的内部，通过温度测量仪608和温度检测探头606，能够实时的得到相邻的两个导热块501之间的温度，以便于对各个电加热板503的加热温度进行调节，使得测量壳体2内的温度能够稳定，有利于热膨胀系数的测量，隔热空心套管607能够起到保护检测线609的作用，避免检测线609在高温下损坏。
陶瓷导正板603的底端均连接有与隔热空心套管607对应的支撑杆610，且支撑杆610和隔热空心套管607的内侧均连接有若干个导正杆611，导正杆611的内端均连接有导正片612。
对应的两个导正片612之间的距离与待测物体的宽度相当，使得待测物体插入插设放置槽602内时，能够位于对应的两个导正片612之间，可以保证待测物体热膨胀时，能够始终沿着竖直方向延伸，避免待测物体弯曲，影响测量结果。
前透明玻璃层3的内壁设置有若干个分别与插设放置槽602对应的光源底座9，且在光源底座9的侧面设置有平行光源10，后透明玻璃层4的内壁设置有若干个分别与光源底座9对应的光影投放面11。
在测量时，平行光源10能够发出平行的光并照射在待测物体上，使得光影投放面11上能够出现待测物体的影子，且待测物体影子的高度始终与待测物体实际的高度相等，同时，光源底座9和光影投放面11的宽度需保证均略小于待测物体的宽度。
测量壳体2的外部架设有固定在支撑底座1上的门型架7，且在门型架7上设置有调节拍照机构8，调节拍照机构8包括设置在门型架7前侧内壁上的若干个竖直的移动滑槽801，且移动滑槽801上均设置有移动滑块802，使得移动滑块802能够在移动滑槽801上上下移动，且不会脱离移动滑槽801，移动滑块802的内侧均固定安装有照相机803，照相机803分别与各个待测物体一一对应。
移动滑块802的正下方均设置有固定在支撑底座1上的调节气缸804，且调节气缸804的输出端均通过调节轴805与对应的移动滑块802连接，使得调节气缸804工作时，能够使移动滑块802精准的上下移动，使得照相机803的高度能够精准的改变。
后透明玻璃层4与门型架7后侧之间设置有若干个横向对照板806，且横向对照板806分别与移动滑块802一一对应，横向对照板806的顶端与对应的移动滑块802的顶端之间均通过弯折杆807连接，使得移动滑块802上下移动时，横向对照板806能够一起上下移动。
弯折杆807为倒“匚”形，可以避免测量壳体2对弯折杆807的移动产生影响，同时，弯折杆807的顶部应设置一段弯弧，使得弯折杆807不会影响待测物体的取放。
横向对照板806的前侧均设置有渐缩薄刃808，且渐缩薄刃808的前端分别与照相机803的镜头中心对应，在测量时，可以通过待测物体在光影投放面11上的投影，使调节气缸804带动照相机803、横向对照板806向上移动，待渐缩薄刃808与投影的顶面齐平时，照相机803对待测物体进行照相，由于光源底座9的宽度略小于待测物体的宽度，使得待测物体不会被完全遮挡，仍有一部分暴露在外，之后通过电加热板803多次调节测量壳体2的温度，待测量壳体2内的温度稳定后，利用照相机803进行分别照相，最后通过照片的放大比对以及测量，便能得出待测物体伸长的距离，最终得到待测物体的热膨胀系数。完成测量过程。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，包括支撑底座(1)，其特征在于：所述支撑底座(1)的顶部固定安装有测量壳体(2)，且测量壳体(2)的前、后两端分别设置有前透明玻璃层(3)和后透明玻璃层(4)，所述测量壳体(2)的内部设置有均匀加热机构(5)；
所述均匀加热机构(5)包括设置在测量壳体(2)内部且均匀分布的导热块(501)，所述导热块(501)的顶端、底端均与测量壳体(2)固定连接，且在导热块(501)的内部设置有放置腔(502)，所述放置腔(502)内均设置有电加热板(503)，相邻的两个所述导热块(501)之间均设置有热膨胀系数测量机构(6)，所述测量壳体(2)的外部架设有固定在支撑底座(1)上的门型架(7)，且在门型架(7)上设置有调节拍照机构(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述热膨胀系数测量机构(6)包括设置在测量壳体(2)底部的陶瓷座(601)，且陶瓷座(601)分别位于对应的两个导热块(501)之间，所述陶瓷座(601)的顶面均设置有插设放置槽(602)。
3.根据权利要求2所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述陶瓷座(601)的正上方均设置有陶瓷导正板(603)，且陶瓷导正板(603)的两端均与导热块(501)固定连接，所述陶瓷导正板(603)的表面均设置有与对应的插设放置槽(602)位于同一竖直面的导正条形孔(604)。
4.根据权利要求3所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述导正条形孔(604)的两侧均设置有位于陶瓷导正板(603)顶面的探头固定槽(605)，且探头固定槽(605)内均设置有温度检测探头(606)，所述陶瓷导正板(603)的顶端两侧均连接有隔热空心套管(607)，所述隔热空心套管(607)的顶端均穿过测量壳体(2)并连接有温度测量仪(608)，所述温度测量仪(608)均通过检测线(609)与对应的温度检测探头(606)连接，且检测线(609)分别穿过对应的隔热空心套管(607)与陶瓷导正板(603)的内部。
5.根据权利要求3所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述陶瓷导正板(603)的底端均连接有与隔热空心套管(607)对应的支撑杆(610)，且支撑杆(610)和隔热空心套管(607)的内侧均连接有若干个导正杆(611)，所述导正杆(611)的内端均连接有导正片(612)。
6.根据权利要求1所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述前透明玻璃层(3)的内壁设置有若干个分别与插设放置槽(602)对应的光源底座(9)，且在光源底座(9)的侧面设置有平行光源(10)。
7.根据权利要求1所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述后透明玻璃层(4)的内壁设置有若干个分别与光源底座(9)对应的光影投放面(11)。
8.根据权利要求1所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述调节拍照机构(8)包括设置在门型架(7)前侧内壁上的若干个移动滑槽(801)，且移动滑槽(801)上均设置有移动滑块(802)，所述移动滑块(802)的内侧均固定安装有照相机(803)。
9.根据权利要求8所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述移动滑块(802)的正下方均设置有固定在支撑底座(1)上的调节气缸(804)，且调节气缸(804)的输出端均通过调节轴(805)与对应的移动滑块(802)连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于工程热物理的热膨胀系数测量装置，其特征在于：所述后透明玻璃层(4)与门型架(7)后侧之间设置有若干个横向对照板(806)，且横向对照板(806)分别与移动滑块(802)一一对应，所述横向对照板(806)的顶端与对应的移动滑块(802)的顶端之间均通过弯折杆(807)连接，所述横向对照板(806)的前侧均设置有渐缩薄刃(808)，且渐缩薄刃(808)的前端分别与照相机(803)的镜头中心对应。
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