CN111595895A - 一种金属线膨胀系数的测量装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属线膨胀系数的测量装置和系统，该测量装置包括：均热结构，由石英管、加热带、隔热层构成，其中，加热带缠绕在石英管外侧，金属棒以放入石英管中的方式进行加热并且悬空地支撑在石英管中；第一光栅位移传感器，由光栅尺移动端和固定端构成，位于待测量金属棒的轴向一端部，所述光栅尺移动端由第一弹簧和第一固定端抵接，用于测量其膨胀位移量；热电偶温度传感器，其热电偶探头用耐热胶带和金属棒粘贴在一起，用于即时测量金属棒的温度，其中，待测量金属棒的轴向两端部设置有隔热件。本测量装置为线膨胀系数测量提供了一个新途径，且可以替代传统实验并用于实验教学。

Description

一种金属线膨胀系数的测量装置和系统
技术领域
本发明涉及一种金属线膨胀系数的测量装置和金属线膨胀系数的测量系统。
背景技术
线膨胀系数是表征物质膨胀特性的重要参数，尤其对常温以上金属线膨胀系数的测量在实际工程测量中更具有重要意义。
测量微小变化量的方法常为光杠杆法和螺旋测微法。使用螺旋测微器，精度较低，对整体实验数据影响较大。
测量金属的线膨胀系数，常用的方法主要为光杠杆法，光杠杆法的实质为:将微小长度变化量经光杠杆装置转变为微小角度变化量，再经由尺度望远镜转变为刻度尺上较大的读数变化量，进而计算得到微小变化量。
利用光杠杆原理调节难度较大，光杠杆镜面与望远镜的光轴不能严格垂直，往往光杠杆平面镜与望远镜会存在一定的角度，造成望远镜中标尺读数有偏差，通过望远镜观测位移量放大倍数太大，会使结果受到影响，测量的量非常多，测量偏差较大，从而使实验测出的微小位移量的值不够准确。
因此，有必要提供一种测量准确且操作方便的金属线膨胀系数的测量装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属线膨胀系数的测量装置，以使金属线膨胀的测量准确且操作简便。
本发明的目的还在于提供一种金属线膨胀系数的测量系统，对金属线膨胀系数进行自动测量。
为此，本发明一方面提供了一种金属线膨胀系数的测量装置，包括：均热结构，由石英管、加热带、隔热层构成，其中，加热带缠绕在石英管外侧，待测量金属棒以放入石英管中的方式进行加热并且悬空地支撑在石英管中；热电偶温度传感器，其热电偶探头用耐热胶带和金属棒粘贴在一起，用于即时测量金属棒的温度；以及第一光栅位移传感器，由光栅尺移动端和固定端构成，位于待测量金属棒的一轴向端部，用于测量其膨胀位移量，其中，待测量金属棒的轴向两端部设置有隔热件，所述光栅尺移动端与所述待测金属棒的一轴向端部无间隙接触。
进一步地，上述金属线膨胀系数的测量装置还包括由光栅尺移动端和固定端构成的第二光栅位移传感器，用于差动地测量金属棒的膨胀位移量，其中，所述待测金属棒的另一轴向端部与第二光栅位移传感器的光栅尺移动端无间隙接触。
进一步地，上述金属线膨胀系数的测量装置还包括与所述光栅尺移动端抵接的压力可调的弹簧。
进一步地，上述待测量金属棒的一轴向端部为固定端，另一轴向端部为与所述光栅尺移动端抵接的自由伸缩端。
进一步地，上述金属线膨胀系数的测量装置还包括直线滑轨、第一滑块和第二滑块，其中，所述均热结构设置在所述直线滑轨上，位于均热结构轴向两端的部件分别安装在所述第一滑块和第二滑块上。
进一步地，上述金属线膨胀系数的测量装置还包括与光栅位移传感器电连接至的光栅尺数显表，并且所述热电偶探头电连接至热电偶温度传感器的显示器，还包括与所述加热带电连接的接触式自耦调压器。
根据本发明的另一方面，提供了一种金属线膨胀系数的测量系统，包括测量装置、数据处理装置和显示装置，其中，所述测量装置为根据上面所描述的金属线膨胀系数的测量装置。
进一步地，上述数据处理装置用于实时采集温度传感器和光栅位移传感器的数据并且根据采集的数据计算金属棒的线膨胀系数，还用于加热带的自动调压。
进一步地，上述数据处理装置用于实时采集温度传感器和光栅位移传感器的数据，并且由温度传感器示数t和数显表示数x对应关系通过拟合得到金属棒的x-t拟合曲线，然后计算曲线的拟合斜率k，由斜率k代入金属棒膨胀系数计算的等效公式
Figure BDA0002464042900000021
求得金属棒的线膨胀系数α，其中，l0是金属棒的原始长度。
本测温装置采取了用光栅位移传感器来测量金属的线膨胀系数的方案：采用高精度的光栅位移传感器测量出了金属膨胀的微小变化量，再根据热电偶温度传感器记录的实时温度，计算出金属的线膨胀系数。
与传统的光杠杆法相比，针对实验仪器和操作步骤等几个方面，本测量装置具有以下技术效果：
(1)在测量装置中，我们设计了石英管、保温隔热海绵和隔热件等器件，有效防止了光栅位移传感器等仪器其它结构因受热膨胀而造成的误差。
(2)将金属棒套进石英管中央，由加热带先加热石英管，然后通过空气传热使金属棒均匀受热；自耦调压器控制电压变化进而控制加热带功率，金属棒的温度在加热带的加热下缓慢升高。
(3)本测温装置通过拟合x-t曲线，并根据金属的线膨胀系数的等效公式，即可得出所测金属的线膨胀系数，相关文献指出金属的线膨胀系数并非简单的线性关系，利用本测量方法能够很好地验证这一点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的金属线膨胀系数的测量装置的结构示意图；
图2是根据本发明第一实施例的金属线膨胀系数的测量装置的截面示意图；
图3是根据本发明第二实施例的金属线膨胀系数的测量装置的结构示意图；
图4是根据本发明的测量装置进行实验得到的铝棒的x-t拟合曲线图；以及
图5是根据本发明的金属线膨胀系数的测量装置的框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1至图5示出了根据本发明的一些实施例。
图1和图2示出了根据本发明的第一实施例，结合参照图1和图2，在本实施例中，本金属线膨胀系数的测量装置包括：石英管11、加热带12、海绵隔热层13、第二端隔热件14、第二固定端15、接触式自耦调压器16、热电偶探头17、热电偶温度传感器18、由光栅尺移动端21和固定端22组成的第一光栅位移传感器、第一弹簧23、第一固定端24、第一端隔热件25、以及第一光栅尺数显表26。
在本实施例中，光栅位移传感器选自KA-300光栅尺，精度为5μm。光栅尺数显表优选为GS898-2数显表，与光栅位移传感器配套，用以显示光栅尺位移大小。
接触式自耦调压器选自TGC接触式自耦调压器，用来调节电源电压，作为加热带电源。热电偶温度传感器选自TM-902C温度计，用于测量金属棒的实时温度。第一隔热件和第二隔热件选自石棉隔热板。
由于金属棒的热传导系数较大，所以升温很快，如果直接把加热带(功率100w)缠绕在金属棒外，升温速度太快，例如铝棒大概每秒升温1-2度，这样不便于数据的记录，会导致测量误差太大。
我们采取将加热带(功率100w)缠绕在石英管外侧，把金属棒放入石英管中的方式进行加热，同时为了防止金属棒直接和石英管接触导致受热不均匀，我们又在石英管的两端设计了两个隔热卡槽19用于悬空地支撑金属棒(如图2所示)，使金属棒40处石英管的中央，而不与石英管接触。
如此使加热带先加热石英管，然后通过石英管内空气传热使金属棒升温，这种加热方式使得金属棒受热均匀。
为了保证金属的温度能够均匀且以适中的速度变化，我们在电路中接入一个自耦调压器，通过可调自耦调压器控制电压变化，这样就控制了加热带的功率，这样使得金属棒的升温缓慢而可调控。为了保证测量的准确性，升温速度不易过快，一般为每分钟1-2℃(此时自耦调压器的电压为60V左右)。
通过在金属棒两端分别放置一隔热件例如石棉板，在加热装置外面包围一层保温隔热海绵，以达到使整个实验装置保温与隔热的目的，减少加热装置的散热以及金属棒接触其他结构(比如光栅尺)引起其他结构的膨胀而造成的误差。
热电偶探头用耐热胶带和金属棒粘贴在一起，即时测量金属棒的温度并直接将温度数据显示在温度传感器的显示器上。优点是不用再读传统温度计示数就可直接读出金属棒的实时温度，可使实验变得更加简便直观。
金属棒受热膨胀推动石棉板，石棉板进而推动移动光栅尺移动端，以实现光栅尺移动端与金属棒的一轴向端部无间隙接触，光栅尺移动端在滑轨的带动下滑行一段微小距离，光栅尺数显表显示光栅尺移动的距离。
为了减小装置本身存在空隙而造成的预热时间(从开始加热到数显表示数开始变化所经历的时间)过长，我们采取在实验装置最右端加一弹簧予以加压，而弹簧弹性形变产生的弹力远远不会影响由于金属棒热膨胀而产生的位移大小。同时，为了进一步避免装置本身存在空程误差，我们对升温后得到的第一个测量数据进行舍弃，取第二组之后的数据作为有效实验数据。
本测量装置的测量对象为铝棒、铜棒、铁棒、银棒、金棒等金属棒。
下面以长度为30cm、纯度为99.99％铝棒为例对利用本装置来测量线膨胀系数的方法加以说明。
A)记录室温T0。
B)安装铝棒：将温度传感器探头与铝棒用胶带连接，将铝棒放置于石英管中的两端卡槽中，其两端放置第一石棉板和第二石棉板，并且使整个装置处于一条直线上。优选地，将由石英管等构成的均热结构固定设置在直线滑轨上，将位于均热结构两端的部件分别安装在两个滑块上，两个滑块的最终位置由螺钉固定，如此保证整个装置处于一条直线上同时铝棒的安装操作方便。
C)接通电源，调零数显表，调节自耦调压器初始电压50V左右，开始实验，记录数据。光栅尺数显表示数每增加5μm，记录一次温度传感器示数t和数显表示数x，同时缓慢调节自耦调压器电压为50V至60V之间。
D)本次试验数据记录如下：
表1实验数据的记录
Figure BDA0002464042900000051
Figure BDA0002464042900000061
E)由温度传感器示数t和数显表示数x对应关系，由计算机通过软件拟合可以得到铝棒的x-t拟合曲线，如图4所示。
观察x-t曲线可以得到：在一定温度范围内，铝棒的线膨胀长度微小变化量与温度的变化量成正比。由实验数据所拟合的x-t曲线，可以得到曲线的拟合斜率k＝7.0021。
由斜率k代入铝棒膨胀系数计算的等效公式
Figure BDA0002464042900000062
可求得铝棒的线膨胀系数为α＝23.34×10-6(℃-1)。
由金属铝的线膨胀系数理论值α0＝23.2×10-6(℃-1)，得
Δα＝|α0-α|＝0.14×10-6(℃-1)
故
Figure BDA0002464042900000063
由此可见，本实验误差很小，相对误差仅为0.60％，满足我们对实验的要求。
本实验与原有实验相比，实验成本相对较低，花费仅为几百元；实验仪器的拆分组装更加方便；实验的过程简单直接，一般均可顺利进行；位移微小量和温度的观测相较传统实验更加方便直观，读数实时精准；操作步骤简化，实验误差极小，综合性价比较高。
本测量装置将光栅位移传感器由工业加工领域转用至实验室中，为测量金属的线膨胀系数提供了一个新方法，且可以替代传统实验并用于实验教学。除此之外，还可以利用本实验进行金属纯度的检验，通过对比线膨胀系数的实验值与理论值，以此来检验金属材料的纯度。
图3示出了根据本发明的第二实施例，如图3所示，本实施例的金属线膨胀系数的测量装置包括在待测金属棒的另一端对称设置的第二光栅位移传感器(由光栅尺移动端31和固定端32组成)、第二弹簧33和第二光栅尺数显表36。
在本实施例中待测金属棒随动地设置在第一和第二光栅位移传感器二者之间，如此待测金属棒两端均允许自由伸长，如此能够差动地测量金属棒的膨胀位移量，这对于测量金属棒的膨胀位移量来说效果是非常理想的，它能够克服一端固定、一端自由伸缩模式对金属棒膨胀可能造成的阻碍，使得膨胀位移量的测量更精确可靠。
优选地，第一固定端24和第二固定端15均为可调固定端，用于调节弹簧压力。
在一实施例中，第一隔热件和第二隔热件为隔热帽，该隔热帽套设在金属棒上，如此金属棒安装操作更方便快捷。
图5示出了根据本发明的金属线膨胀系数的测量系统的框图，如图5所示，该测量系统包括测量装置100、数据处理装置200、显示装置300。其中，测量装置100用于测得金属棒的实时温度和金属棒的伸长位移量，数据处理装置200用于根据采集的实时温度和实时位移量计算线膨胀系数并且用于控制加热带的电压调压速度，显示装置300用于输出数据处理装置200的采集数据、x-t曲线图和线膨胀系数，如此实验人员只需将待测金属棒和测温装置100组装好即可，接下来实现自动测量金属线膨胀系统。
在图1和图3所示的实施例中，测量装置是为手动实验所配置的，需要人工处理数据。然而作为测量系统的测量装置，在结构上需要做些调整。
本测量系统的测量装置包括由石英管11、加热带12、海绵隔热层13构成均热结构、用于即时测量金属棒温度的热电偶温度传感器17、用于即时测量金属棒膨胀位移量的一个或两个光栅位移传感器、以及在待测量金属棒的轴向两端部设置的隔热件。其中，热电偶温度传感器的显示器和光栅尺数显表可由显示装置300代替。接触式自耦调压器由自动调压器代替或者数据处理装置200的自动调压功能模块代替。
数据处理装置200根据采集的实时温度和实时位移量计算线膨胀系数的方法如下：实时采集温度传感器和光栅位移传感器的数据，并且由温度传感器示数t和数显表示数x对应关系通过拟合得到金属棒的x-t拟合曲线，然后计算曲线的拟合斜率k，由斜率k代入金属棒膨胀系数计算的等效公式
Figure BDA0002464042900000071
求得金属棒的线膨胀系数α。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (9)

1.一种金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于，包括：
均热结构，由石英管、加热带、隔热层构成，其中，加热带缠绕在石英管外侧，待测量金属棒以放入石英管中的方式进行加热并且悬空地支撑在石英管中；
热电偶温度传感器，其热电偶探头用耐热胶带和金属棒粘贴在一起，用于即时测量金属棒的温度；以及
第一光栅位移传感器，由光栅尺移动端和固定端构成，位于待测量金属棒的一轴向端部，用于测量其膨胀位移量，
其中，待测量金属棒的轴向两端部设置有隔热件，所述光栅尺移动端与所述待测金属棒的一轴向端部无间隙接触。
2.根据权利要求1所述的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于，还包括由光栅尺移动端和固定端构成的第二光栅位移传感器，用于差动地测量金属棒的膨胀位移量，其中，所述待测金属棒的另一轴向端部与第二光栅位移传感器的光栅尺移动端无间隙接触。
3.根据权利要求1所述的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于，还包括与所述光栅尺移动端抵接的压力可调的弹簧。
4.根据权利要求1所述的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于，所述待测量金属棒的一轴向端部为固定端，另一轴向端部为与所述光栅尺移动端抵接的自由伸缩端。
5.根据权利要求1所述的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于，还包括直线滑轨、第一滑块和第二滑块，其中，所述均热结构设置在所述直线滑轨上，位于均热结构轴向两端的部件分别安装在所述第一滑块和第二滑块上。
6.根据权利要求1所述的金属线膨胀系数的测量装置，其特征在于，还包括与光栅位移传感器电连接至的光栅尺数显表，并且所述热电偶探头电连接至热电偶温度传感器的显示器，还包括与所述加热带电连接的接触式自耦调压器。
7.一种金属线膨胀系数的测量系统，其特征在于，包括测量装置、数据处理装置和显示装置，其中，所述测量装置为根据权利要求1至5中任一项所述的金属线膨胀系数的测量装置。
8.根据权利要求7所述的金属线膨胀系数的测量系统，其特征在于，所述数据处理装置用于实时采集温度传感器和光栅位移传感器的数据并且根据采集的数据计算金属棒的线膨胀系数，还用于加热带的自动调压。
9.根据权利要求8所述的金属线膨胀系数的测量系统，其特征在于，所述数据处理装置用于实时采集温度传感器和光栅位移传感器的数据，并且由温度传感器示数t和数显表示数x对应关系通过拟合得到金属棒的x-t拟合曲线，然后计算曲线的拟合斜率k，由斜率k代入金属棒膨胀系数计算的等效公式
Figure FDA0002464042890000021
求得金属棒的线膨胀系数α，其中，l0是金属棒的原始长度。
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