CN110095497B - 一种测量线胀系数的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验装置技术领域，提供了一种测量线胀系数的实验装置，包括依次设置的激光发射器、第一透镜、第一镀高反射膜透明板、第二镀高反射膜透明板、第二透镜以及图样接收屏，实验装置还包括待测样品加热装置及推动件，推动件的一端伸入待测样品加热装置内用于于待测样品接触，推动件的另一端与第一镀高反射膜透明板或第二镀高反射膜透明板接触或连接。该装置能改善现有测量线胀系数的实验装置精度有限的问题。一种测量线胀系数的方法：将待测样品进行加热，使上述两个镀高反射膜透明板的距离因待测样品膨胀同步变化；记录干涉图样的变化量，进而计算得到待测样品膨胀长度；根据温差和膨胀长度计算线胀系数。该方法测得的线胀系数的精度高。

Description

一种测量线胀系数的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及测量装置技术领域，具体而言，涉及一种测量线胀系数的实验装置及方法。

背景技术

根据热胀冷缩原理，大多数物体在受热后会体积膨胀长度增加。其长度L和温度t之间的关系为：

L＝L₀(1+αt+βt²+……) (1)

式中L₀为温度t＝0℃时的长度，α、β是和被测物质有关的常数，都是很小的数值。而β以下各系数和α相比甚小，所以在常温下可以忽略，则式(1)可写成

L＝L₀(1+αt) (2)

此处α就是通常所称的线胀系数，单位是℃^-1。如：铜棒的线胀系数1.7×10^-5/℃。

设物体在温度t₁(单位为℃)时的长度为L，温度升到t₂(单位为℃)时，其长度增加δ，根据式(2)，可得

L＝L₀(1+αt₁)

L+δ＝L₀(1+αt₂)

若不知道0℃时的L₀，由此二式相比消去L₀,整理后得出

由于δ和L相比甚小，L(t₂-t₁)>>δt₁，所以式(3)可近似写成

测量线胀系数的主要问题，是怎样测量温度变化(t₂-t₁)引起长度的微小变化δ。

现有的实验装置中一般是用千分表或光杠杆测量固体升温过程中长度的微小变化。但千分表和光杠杆固定比较困难，操作复杂，且测量精度有限。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明提供了一种测量线胀系数的实验装置，旨在改善现有测量线胀系数的实验装置精度有限的问题。

本发明还提供了一种测量线胀系数的方法，该方法相较于现有技术能够更准确测定待测样品的线胀系数。

本发明是这样实现的：

一种测量线胀系数的实验装置，包括依次设置的激光发射器、第一透镜、第一镀高反射膜透明板、第二镀高反射膜透明板、第二透镜以及经第一透镜、第一镀高反射膜透明板、第二镀高反射膜透明板以及第二透镜干涉后形成的图样的图样接收屏。

实验装置还包括待测样品加热装置及用于改变第一镀高反射膜透明板和第二镀高反射膜透明板之间距离的推动件，推动件的一端伸入待测样品加热装置内用于与待测样品接触，推动件的另一端与第一镀高反射膜透明板或第二镀高反射膜透明板接触或连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，推动件为绝热推动件或低导热推动件。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，待测样品加热装置包括用于测定待测样品温度的温度探测器。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，推动件与第一镀高反射膜透明板连接，实验装置还包括安装座，安装座开设有安装槽，第一镀高反射膜透明板的边缘连接有第一支撑座，第一支撑座滑动设置于安装槽内，推动件与第一支撑座连接。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，第二镀高反射膜透明板的边缘连接有第二支撑座、第二透镜的边缘连接有第三支撑座、图样接收屏的边缘设置有第四支撑座，第一支撑座、第二支撑座、第三支撑座以及第四支撑座均可拆卸卡设于安装槽内。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，安装槽与第一支撑座对应的内壁设置有第一纳米涂层，第一支撑座位于安装槽内的部位的外壁设置有第二纳米涂层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，待测样品加热装置包括相互扣合的顶盖和底盖，顶盖和底盖围成加热腔，加热腔内设置有加热件。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，待测样品加热装置还包括扣合在顶盖和底盖相对两侧的第一侧盖和第二侧盖。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，激光发射器通过第一安装杆设置于顶盖上，第一透镜通过第二安装杆设置于顶盖上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，顶盖上设置有第一插套和第二插套，第一安装杆插设于第一插套内，第二安装杆插设于第二插套内。

一种测量线胀系数的方法，包括：

将待测样品进行加热，使待测样品因受热膨胀同步改变F-P干涉仪中两个镀高反射膜透明板的距离；

记录F-P干涉仪干涉图样的变化量，进而计算得到待测样品因膨胀增加的长度；

记录待测样品加热前后的温差；

根据待测样品加热前后的温差和因膨胀增加的长度计算待测样品的线胀系数。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的线胀系数的实验装置，使用时，由于两个透镜、两个镀高反射膜透明板以及图样显示屏的具体设置，使得上述几个结构构成了F-P干涉仪，在其作用下，配合设置待测样品加热装置以及推动件，使得待测样品在加热下，能够被精确地测量出其膨胀长度，进而能够精确地测得其线胀系数；而且采用F-P干涉仪的原理，投影得到的干涉图样明暗相间，亮条纹细锐，清晰度好，实验中非常利于实验者观察图样变化，从而更进一部使得测得的长度变化值更精确。本申请提供的实验装置相对于现有的测量测量线胀系数的实验装置，精度更高，且其操作也较为方便。

本发明通过上述涉及得到的测量线胀系数的方法，通过待测样品受热膨胀同步改变F-P干涉仪的两个镀高反射膜透明板的距离，进而使得干涉图样发生变化，实验者可以通过观察清晰的干涉图样的变化量进而准确计算出微小的线性膨胀量，进而能够非常精确测得待测样品的线胀系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的线胀系数的实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的线胀系数的实验装置的剖视图；

图3是图1的左视图；

图4是图1的右视图；

图5是图3中待测样品加热装置拆解开的结构示意图；

图6是图2中A区域的放大图；

图7是F-P干涉图样。

图标：100-线胀系数的实验装置；110-激光发射器；111-第一安装杆；120-第一透镜；121-第二安装杆；130-第一镀高反射膜透明板；131-第一支撑座；132-第二纳米涂层；140-第二镀高反射膜透明板；141-第二支撑座；150-第二透镜；151-第三支撑座；160-图样接收屏；161-第四支撑座；170-推动件；180-待测样品加热装置；181-温度探测器；182-顶盖；183-底盖；184-第一侧盖；185-第二侧盖；186-第一插套；187-第二插套；188-加热件；190-安装座；191-安装槽；192-第一纳米涂层；20-待测样品。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1至图4所示，本发明提供了一种测量线胀系数的实验装置100，包括依次设置的激光发射器110、第一透镜120、第一镀高反射膜透明板130、第二镀高反射膜透明板140、第二透镜150以及图样接收屏160。还包括待测样品加热装置180及用于改变第一镀高反射膜透明板130和第二镀高反射膜透明板140之间距离的推动件170，推动件170的一端伸入待测样品加热装置180内用于与待测样品20接触，推动件170的另一端与第一镀高反射膜透明板130或第二镀高反射膜透明板140接触或连接。

实验装置使用前，将待测样品20放置于待测样品加热装置180内。开启激光发射器，第一透镜120、两个镀高反射膜版以及第二透镜150构成F-P干涉仪。激光穿过第一透镜，在两个镀高反射膜透明板的作用下经第二透镜将等倾干涉图样投射到图样接收屏160上。升高待测样品加热装置180内的温度，待测样品20在受热下膨胀变长，通过推动推动件170进而推动镀高反射膜透明板移动，使得两个镀高反射膜透明板之间的距离变化，再使得图样接收屏160上的干涉图样(如图7所示)产生变化。例如使两个镀高反射膜透明板之间的距离逐渐变小，通过观察图样接收屏160上最中间的亮纹“吞进”了多少个，由于激光发射器发出的光的波长是已知的，即可判断出相邻两光束之间的光程差变化了多少个波长，则能够知道两个镀高反射膜透明板之间的距离减少了多少，进而能够得到金属膨胀了多少。实验前后记录温度的变化量。将温度变化量和测得的膨胀长度带入背景技术中提到的公式内即可测得线胀系数。例如：温度每变化5摄氏度，就记录一次“吞进”的条纹数，进而计算出膨胀长度，然后带入公式计算线胀系数。为减小测量误差可多次实验，将多次实验记录得到的平均值带入公式进行计算，或者每次实验后带入公式计算得到线胀系数，最后以多次实验得到的线胀系数的平均值作为最终实验结果。

在本发明其他实施例中，若装置的设置是金属膨胀使得两个镀高反射膜透明板之间的距离变大，则通过观察图样接收屏160上最中间的亮纹“吐出”了多少来判断两个镀高反射膜透明板之间的距离增大了多少。

本申请提供的测量测量线胀系数的实验装置100，由于两个透镜、两个镀高反射膜透明板以及图样显示屏的具体设置，使得上述几个结构构成了F-P干涉仪，在其作用下，配合设置待测样品加热装置180以及推动件，使得待测样品在加热下，能够被精确地测量出其膨胀长度，进而能够精确地测得其线胀系数；而且采用F-P干涉仪的原理，投影得到的干涉图样明暗相间，亮条纹细锐，清晰度好，实验中非常利于实验者观察图样变化，从而更进一部使得测得的长度变化值更精确。本申请提供的实验装置相对于现有的测量测量线胀系数的实验装置，精度更高，且其操作也较为方便。

在本申请中，激光发射器优选为He-Ne激光器，其波长为632.8nm。待测样品通常可选用金属棒，如铜棒或铝棒。图样接收屏160可以是CCD(电荷耦合元件)，也可以是毛玻璃。两个镀高反射膜透明板是能够实现F-P干涉的板，例如表面镀有高反射膜的玻璃板或者石英板。

优选地，在本实施例中待测样品加热装置180位于第一镀高反射膜透明板130远离第二度高反射膜板140的一侧，推动件170与第一镀高反射膜透明板130连接。则在实验过程中待测样品受热膨胀使得推动件170推动第一镀高反射膜透明板130移动进而使得两个镀高反射膜透明板的距离变小。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中推动件170也可以是与第一镀高反射膜透明板130接触，当两者仅接触时也可以达到上述效果，但是接触相较于连接稳定性略差。

进一步地，推动件170为绝热推动件或低导热推动件。选择绝热推动件或低导热推动件是为了避免待测样品在加热过程中热量通过推动件流出而浪费能量且影响升温速率。

进一步地，如图2和图5所示，待测样品加热装置180包括测样品加热装置包括相互扣合的顶盖182和底盖183，顶盖182和底盖183围成加热腔，加热腔内设置有加热件188。如此设置使得待测样品加热装置180的打开和关闭较为方便，掀开顶盖182则使得待测样品加热装置180打开。将待测样品加热装置180放置于加热腔内，使加热件188通电实现对待测样品的加热。优选地，顶盖182和底盖183均采用隔热材料制成，例如陶瓷，以防止热量散失。

由于顶盖和底盖是扣合设置，通常加热腔的大小与待测样品的大小刚好匹配，为了防止待测样品在径向上膨胀撑开顶盖182导致顶盖182和底盖183之间的缝隙加大使得热量散失过快。更进一步地，待测样品加热装置180包括扣合在顶盖182和底盖183相对两侧的第一侧盖184和第二侧盖185。采用两个侧盖185扣住顶盖182和底盖183，则能够防止上述情况发生。

进一步地，待测样品加热装置180包括用于测定待测样品温度的温度探测器181。温度探测器181设置于加热腔内。在本实施例中温度探测器181可以是电信号传输的探测器，使用时与外接显示屏通信连接，将随时探测到的温度信号发送至显示屏以供实验者随时读取温度值。

需要说明的是，在本申请的其他实施例中，还可以直接将温度计作为推动件170。温度计可以是玻璃棒式测温范围较大(例如：20摄氏度至100摄氏度)的水银温度计，温度计水银头的一端伸入待测样品加热装置180内，实验中一般是使加热装置温度从常温如25摄氏度升高温度至60或70摄氏度，每隔5摄氏度记录一次。这样推动件170即起到了测量温度的作用也起到了推动第一镀高反射膜透明板130的作用。

进一步地，如图1和图2所示，激光发射器110通过第一安装杆111设置于顶盖182上，第一透镜120通过第二安装杆121设置于顶盖182上。

更进一步地，顶盖182上设置有第一插套186和第二插套187，第一安装杆111插设于第一插套186内，第二安装杆121插设于第二插套187内。如此设置，能够实现激光发射器110和第一透镜120与顶盖182的可拆卸连接。

进一步地，线胀系数的实验装置100还包括安装座190，安装座190开设有安装槽191，第一镀高反射膜透明板130的边缘连接有第一支撑座131，第一支撑座131滑动设置于安装槽191内，推动件170通过与第一支撑座131连接实现与第一镀高反射膜透明板130的连接。

待测样品20膨胀时推动推动件170向外运动，进而使得推动件170推动第一支撑座131在安装槽191内滑动。

优选地，如图2和图6所示，安装槽191与第一支撑座131对应的内壁设置有第一纳米涂层192，第一支撑座131位于安装槽191内的部位的外壁设置有第二纳米涂层132。即，安装槽191与第一支撑座131接触的部位设置有第一纳米涂层192，第一支撑座131与安装槽191接触的部分设置有第二纳米涂层132。纳米涂层具有摩擦小，光滑度高的特点，设置纳米涂层后，推动件170微小的移动也能更轻易推动第一支撑座，能够保证更精确测量待测样品20的膨胀长度。

进一步地，第二镀高反射膜透明板140的边缘连接有第二支撑座141、第二透镜150的边缘连接有第三支撑座151、图样接收屏160的边缘设置有第四支撑座161，第一支撑座131、第二支撑座141、第三支撑座151以及第四支撑座161均可拆卸卡设于安装槽内。

上述设置使得第二镀高反射膜透明板140、第二透镜150以及图样接收屏160能够与安装座190实现可拆卸。进而使得整个实验装置可拆卸，便于装置的存放。可拆卸卡设具体是：第一支撑座131、第二支撑座141、第三支撑座151以及第四支撑座161的座底的大小正好与安装槽191的大小相匹配，直接将底座设置在安装槽191内，安装槽191的槽壁正好卡住底座。

本发明还提供了一种测量线胀系数的方法，包括：

S1、将待测样品进行加热，使待测样品因受热膨胀同步改变F-P干涉仪中两个镀高反射膜透明板的距离。

具体地，在本发明中，是将待测样品20放置于加热装置100中，升高加热装置100的温度，使得待测样品20膨胀进而推动推动件170移动，推动件170移动使得第一镀高反射膜透明板130移动，使得第一镀高反射膜透明板130和第二镀高反射膜透明板140之间的距离产生变化。

S2、记录F-P干涉仪干涉图样的变化量，进而计算得到待测样品因膨胀增加的长度。

两个高反射膜透明板之间的距离变化会引起干涉图样变化，实验者需要在实验过程中观测图样接收屏160上干涉图样的变化并记录待测样品20加热前后干涉图样的变化量，根据此变化量计算出待测样品因膨胀增加的长度。

干涉图样的变化量的判断方式为：通过观察图样接收屏160上最中间的亮图样“吞进”了多少个，由于激光发射器发出的光的波长是已知的，即可判断出相邻两光束之间的光程差变化了多少个波长，则能够知道两个镀高反射膜透明板之间的距离减少了多少，进而能够得到金属膨胀了多少。

S3、记录待测样品加热前后的温差。

S4、根据待测样品加热前后的温差和因膨胀增加的长度计算待测样品的线胀系数。

具体是将待测样品20加热前后的温差和因膨胀增加的长度带入至背景技术提到的公式内则能够计算得到待测样品的线胀系数。

综上所述，本发明提供的线胀系数的实验装置，由于两个透镜、两个镀高反射膜透明板以及图样显示屏的具体设置，使得上述几个结构构成了F-P干涉仪，在其作用下，配合设置待测样品加热装置以及推动件，使得待测样品在加热下，能够被精确地测量出其膨胀长度，进而能够精确地测得其线胀系数；而且采用F-P干涉仪的原理，投影得到的干涉图样明暗相间，亮条纹细锐，清晰度好，实验中非常利于实验者观察图样变化，从而更进一部使得测得的长度变化值更精确。本申请提供的实验装置相对于现有的测量测量线胀系数的实验装置，精度更高，且其操作也较为方便。

本发明提供的测量线胀系数的方法，通过待测样品受热膨胀同步改变F-P干涉仪的两个镀高反射膜透明板的距离，进而使得干涉图样发生变化，实验者可以通过观察清晰的干涉图样的变化量进而准确计算出微小的线性膨胀量，进而能够非常精确测得待测样品的线胀系数。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量线胀系数的实验装置，其特征在于，包括依次设置的激光发射器、第一透镜、第一镀高反射膜透明板、第二镀高反射膜透明板、第二透镜以及用于显示由所述激光发射器发射，经所述第一透镜、所述第一镀高反射膜透明板、所述第二镀高反射膜透明板以及所述第二透镜干涉后形成的图样的图样接收屏，

所述实验装置还包括待测样品加热装置及用于改变所述第一镀高反射膜透明板和所述第二镀高反射膜透明板之间距离的推动件，所述推动件的一端伸入所述待测样品加热装置内用于与待测样品接触，所述推动件的另一端与所述第一镀高反射膜透明板或所述第二镀高反射膜透明板接触或连接；

所述推动件与所述第一镀高反射膜透明板连接，所述实验装置还包括安装座，所述安装座开设有安装槽，所述第一镀高反射膜透明板的边缘连接有第一支撑座，所述第一支撑座滑动设置于所述安装槽内，所述推动件与所述第一支撑座连接；

所述安装槽与所述第一支撑座对应的内壁设置有第一纳米涂层，所述第一支撑座位于所述安装槽内的部位的外壁设置有第二纳米涂层；

所述第二镀高反射膜透明板的边缘连接有第二支撑座、所述第二透镜的边缘连接有第三支撑座、所述图样接收屏的边缘设置有第四支撑座，所述第一支撑座、所述第二支撑座、所述第三支撑座以及所述第四支撑座均可拆卸卡设于安装槽内；

所述待测样品为金属棒。

2.根据权利要求1所述的测量线胀系数的实验装置，其特征在于，所述推动件为绝热推动件或低导热推动件。

3.根据权利要求1所述的测量线胀系数的实验装置，其特征在于，所述待测样品加热装置包括用于测定待测样品温度的温度探测器。

4.根据权利要求1所述的测量线胀系数的实验装置，其特征在于，所述待测样品加热装置包括相互扣合的顶盖和底盖，所述顶盖和所述底盖围成加热腔，所述加热腔内设置有加热件。

5.根据权利要求4所述的测量线胀系数的实验装置，其特征在于，所述待测样品加热装置还包括扣合在所述顶盖和所述底盖相对两侧的第一侧盖和第二侧盖。

6.根据权利要求4所述的测量线胀系数的实验装置，其特征在于，所述激光发射器通过第一安装杆设置于所述顶盖上，所述第一透镜通过第二安装杆设置于所述顶盖上。

7.根据权利要求6所述的测量线胀系数的实验装置，其特征在于，所述顶盖上设置有第一插套和第二插套，所述第一安装杆插设于所述第一插套内，所述第二安装杆插设于所述第二插套内。

8.一种测量线胀系数的方法，其特征在于，采用如权利要求1~7任一项所述的测量线胀系数的实验装置实施，包括：

将待测样品进行加热，使待测样品因受热膨胀同步改变所述实验装置中两个镀高反射膜透明板的距离；

记录干涉图样的变化量，进而计算得到所述待测样品因膨胀增加的长度；

记录所述待测样品加热前后的温差；

根据待测样品加热前后的温差和因膨胀增加的长度计算待测样品的线胀系数。