CN216350455U - 一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括底座，所述底座上沿水平方向依次同轴设置有激光器、用于调节激光光束大小的矩形光阑和观测屏，所述矩形光阑和观测屏之间设置有用于调节待测金属棒温度的温控组件和固定棒，所述温控组件和固定棒均通过竖直的支架安装在底座上；所述温控组件上的待测金属棒与固定棒组成衍射狭缝，且两者沿水平方向同轴设置；所述激光器发出的平行激光穿过矩形光阑后，经过衍射狭缝时发生衍射，衍射图样显示在观测屏上。本实用新型结构简单，实用性、工作可靠性及操作便捷性好，利用狭缝衍射能够测量狭缝宽度的原理，实现对金属线膨胀系数的测量，且测量精度高、误差小。

Description

一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置

技术领域

本实用新型属于测量仪器技术领域，具体涉及一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置。

背景技术

金属的线膨胀系数是表征金属热胀冷缩程度的物理量，用来反映金属纵向的微小尺寸变化随温度的变化规律，是金属材料热性能的重要参数之一。金属的线膨胀系数仅与金属材料的性质有关，在精密机械、金属加工、高精度仪表制造等应用场合，需要对金属的线膨胀系数进行精确的测量。然而，金属由于温度差导致的线膨胀量很小，金属线膨胀系数很难直观地测量出来。目前测量金属的微小尺寸变化常采用的方法有千分表法、单缝衍射法等。

公开号为CN204027490U的实用新型专利公开了一种利用千分表来测量线膨胀系数的实验装置，千分表通过固定支架固定安装在待测金属的轴线上，可方便测量待测金属的热膨胀量，然而采用千分表直接读数法的测量误差较大，导致测量精度不高。

公开号为CN205192992U的实用新型专利公开了一种基于单缝衍射测量金属线膨胀系数的实验仪，其能利用单缝衍射法测量微小变化长度，实验操作简便。但是，一方面，该装置中缺少待测金属棒的温控装置，温度变化导致的误差较大，另一方面，其采用了同轴设置的固定片、传杆与待测金属棒在竖直方向上组成衍射细缝，固定棒、传杆由于环境温度变化会导致衍射细缝宽度的变化，这给缝宽的测量引入了一定的误差。

由此可见，目前金属线膨胀系数测量装置存在对微小位移量的值测量不够准确的问题。因此，亟需设计一种结构简单、测量准确的金属线膨胀系数测量装置。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置，有效解决现有金属线膨胀系数测量装置存在的对微小位移量的值测量不够准确的问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括底座，所述底座上沿水平方向依次同轴设置有激光器、用于调节激光光束大小的矩形光阑和观测屏，所述矩形光阑和观测屏之间设置有用于调节待测金属棒温度的温控组件和固定棒，所述温控组件和固定棒均通过竖直的支架安装在底座上；所述温控组件上的待测金属棒与固定棒组成衍射狭缝，且两者沿水平方向同轴设置；所述激光器发出的平行激光穿过矩形光阑后，经过衍射狭缝时发生衍射，衍射图样显示在观测屏上。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述固定棒为殷钢棒。

进一步，所述温控组件包括恒温箱。

进一步，所述温控组件还包括控温仪和温度传感器；所述控温仪与温度传感器通过有线方式电性连接，且两者与恒温箱组成闭环温度控制系统，用于对待测金属棒的温度进行调节，并使待测金属棒保持温度稳定。

进一步，所述激光器、矩形光阑和观测屏均通过竖直的支架安装在底座上。

进一步，所述支架的高度可调节。

进一步，所述支架包括内部中空的外管、套接于外管的内管、齿条、齿轮及转动连接于外管的传动杆；所述齿条沿内管轴向设置，并固定安装在内管上；所述齿轮与齿条相啮合；所述传动杆贯穿外管的侧壁，且其一端固定连接于齿轮，另一端固定连接有调节旋钮。

进一步，所述内管的内部中空，且其侧壁上沿轴向开设有与传动杆相适配的条形开口；所述齿条安装在内管的内腔中。

进一步，所述外管固定安装在底座上，所述内管的下端自外管的顶部插入外管的内腔，所述传动杆设置在外管的上部。

进一步，所述内管固定安装在底座上，且其上端自外管的底部插入外管的内腔，所述传动杆设置在外管的下部。

本实用新型的有益效果是：本实用新型结构简单，实用性、工作可靠性及操作便捷性好，利用狭缝衍射能够测量狭缝宽度的原理，实现对金属线膨胀系数的测量，且测量精度高、误差小。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型所述温控组件及固定棒的结构示意图(俯视)；

图3为本实用新型的局部结构示意图(俯视)；

图4为本实用新型一种实施方式所述支架的主视图；

图5为本实用新型一种实施方式所述支架的剖视图；

图6为本实用新型另一种实施方式所述支架的主视图。

图中：

1、底座，2、支架，201、外管，202、内管，203、齿条，204、齿轮，205、传动杆，206、条形开口，3、调节旋钮，4、激光器，5、矩形光阑，6、温控组件，601、控温仪，602、温度传感器，603、待测金属棒，604、恒温箱，7、固定棒，8、观测屏。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

由于金属受热膨胀时的伸长量数值非常小，不易直接测量，所以常规的长度测量仪器有较大的测量误差，从而降低测量结果的准确性。基于此，本实用新型利用狭缝衍射原理，将待测金属棒603微小的膨胀量转化放大为对衍射条纹间距的测量，从而能够精确地测量待测金属线膨胀系数。

如图1和图2所示，本实用新型所设计的一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括底座1，优选的，所述底座1水平(xy平面)放置。所述底座1上沿水平方向依次同轴设置有激光器4、矩形光阑5和观测屏8。所述矩形光阑5和观测屏8之间设置有温控组件6和固定棒7。所述激光器4、矩形光阑5、温控组件6、固定棒7和观测屏8均通过竖直的支架2安装在底座1上。所述温控组件6上的待测金属棒603与固定棒7组成衍射狭缝，且两者沿水平方向同轴设置，以有效避免给缝宽的测量引入误差，即支架2由于环境温度变化并不会导致衍射狭缝的宽度变化。

所述激光器4作为衍射测量的光源，发出某一波长为λ的平行激光。优选的，所述激光器4采用氦氖激光器，发出的激光波长λ为650nm。

所述矩形光阑5用于调节激光光束的大小，使通过矩形光阑5后的光束比衍射狭缝的宽度略宽。

所述温控组件6用于调节待测金属棒603的温度，并使待测金属棒603保持温度稳定。

所述激光器4发出的平行激光穿过矩形光阑5后，经过衍射狭缝时发生衍射，在观测屏8上形成衍射图样，为明暗相间的衍射条纹。衍射条纹的间距和衍射狭缝的宽度有关，在观测屏8上测量衍射条纹的间距变化就能间接测量出衍射狭缝的宽度变化，而衍射狭缝的宽度变化是由待测金属棒603的膨胀量变化形成的，因此，本实用新型能够间接测得待测金属棒603的线膨胀系数，且精确度高、误差小。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还具有如下的改进方案，以获得进一步提升本实用新型实用性、工作可靠性和操作便捷性，以及对金属线膨胀系数的测量精度等技术效果。

优选的，所述固定棒7为伸长量对温度不敏感的殷钢棒，其热膨胀系数极小，可有效避免环境温度变化导致固定棒7的膨胀量影响衍射狭缝的宽度，从而进一步提升本实用新型对金属线膨胀系数的测量精度。

如图1所示，用于连接固定棒7与底座1的支架2安装在固定棒7靠近待测金属棒603的一端，以进一步确保环境温度变化导致固定棒7的膨胀量不会影响衍射狭缝的宽度，降低误差。

如图2所示，所述温控组件6包括恒温箱604、控温仪601和温度传感器602。所述控温仪601与温度传感器602以有线方式电性连接，且两者与恒温箱604组成闭环温度控制系统，从而实现能够对待测金属棒603的温度进行调节，并使待测金属棒603保持温度稳定，以确保能够较为精确地测量待测金属棒603的线膨胀系数，降低温度变化导致的误差。

如图1所示，所述支架2上设置有调节旋钮3。增设的调节旋钮3，用于调节支架2的高度，通过旋转调节旋钮3能够快速调节所述激光器4、矩形光阑5、温控组件6、固定棒7和观测屏8在z方向的高度，从而进一步提升本实用新型的实用性、工作可靠性和操作便捷性。

在本实用新型中，所述支架2的结构有以下两种优选的实施方式。

如图4和图5所示，为第一种实施方式。所述支架2包括内部中空的外管201、套接于外管201的内管202、齿条203、齿轮204及转动连接于外管201的传动杆205。所述齿条203沿内管202轴向设置，并固定安装在内管202上。所述齿轮204与齿条203相啮合。所述传动杆205贯穿外管201的侧壁，且其一端固定连接于齿轮204，另一端固定连接有调节旋钮3。

所述内管202的内部中空，且其侧壁上沿轴向开设有与传动杆205相适配的条形开口206。所述齿条203安装在内管202的内腔中。

所述外管201固定安装在底座1上，所述内管202的下端自外管201的顶部插入外管201的内腔，所述传动杆205设置在外管201的上部。

需要调节支架2的高度时，手动旋转调节旋钮3，调节旋钮3通过传动杆205带动齿轮204转动，齿条203及内管202在齿轮204的作用下向上或向下移动，从而实现支架2的高度可调节，且结构稳固性和操作便捷性好。

如图6所示，为第二种实施方式。在本实施方式中，支架2其它结构与第一种实施方式基本相同，区别仅在于所述内管202固定安装在底座1上，且其上端自外管201的底部插入外管201的内腔，所述传动杆205设置在外管201的下部。

需要调节支架2的高度时，手动旋转调节旋钮3，调节旋钮3通过传动杆205带动齿轮204转动，与此同时，齿轮204及外管201沿着齿条203向上或向下移动，从而实现支架2的高度可调节，且结构稳固性和操作便捷性好。

如图3所示，本实用新型的工作原理(操作步骤)如下：

(1)按照图1-图3所示安装好所述装置，测量出待测金属棒603的长度l、待测金属棒603及固定棒7组成的衍射狭缝与观测屏8之间的距离R；

(2)使用温控组件6将待测金属棒603加热至温度t₁，并保持温度不变，打开激光器4的开关，使激光器4发出波长λ为650nm的激光，激光经过衍射狭缝后产生的衍射图样出现在观测屏8上，在观测屏8上记录第n级暗条纹中心位置与0级中央条纹的间距Δ_n1，取n＝4作为参考；

(3)使用温控组件6将待测金属棒603加热至温度t₂，并保持温度不变，再在观测屏8上记录第4级暗条纹中心位置与0级中央条纹的间距Δ_n2；

(4)将上述测量结果代入公式：

得到待测金属棒603的线膨胀系数α。

本实用新型中，未对结构进行描述的设备及组件，均为市售设备或组件。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用衍射测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，包括底座(1)，所述底座(1)上沿水平方向依次同轴设置有激光器(4)、用于调节激光光束大小的矩形光阑(5)和观测屏(8)，所述矩形光阑(5)和观测屏(8)之间设置有用于调节待测金属棒(603)温度的温控组件(6)和固定棒(7)，所述温控组件(6)和固定棒(7)均通过竖直的支架(2)安装在底座(1)上；所述温控组件(6)上的待测金属棒(603)与固定棒(7)组成衍射狭缝，且两者沿水平方向同轴设置；所述激光器(4)发出的平行激光穿过矩形光阑(5)后，经过衍射狭缝时发生衍射，衍射图样显示在观测屏(8)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定棒(7)为殷钢棒。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温控组件(6)包括恒温箱(604)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述温控组件(6)还包括控温仪(601)和温度传感器(602)；所述控温仪(601)与温度传感器(602)通过有线方式电性连接，且两者与恒温箱(604)组成闭环温度控制系统，用于对待测金属棒(603)的温度进行调节，并使待测金属棒(603)保持温度稳定。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器(4)、矩形光阑(5)和观测屏(8)均通过竖直的支架(2)安装在底座(1)上。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述支架(2)的高度可调节。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述支架(2)包括内部中空的外管(201)、套接于外管(201)的内管(202)、齿条(203)、齿轮(204)及转动连接于外管(201)的传动杆(205)；所述齿条(203)沿内管(202)轴向设置，并固定安装在内管(202)上；所述齿轮(204)与齿条(203)相啮合；所述传动杆(205)贯穿外管(201)的侧壁，且其一端固定连接于齿轮(204)，另一端固定连接有调节旋钮(3)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述内管(202)的内部中空，且其侧壁上沿轴向开设有与传动杆(205)相适配的条形开口(206)；所述齿条(203)安装在内管(202)的内腔中。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述外管(201)固定安装在底座(1)上，所述内管(202)的下端自外管(201)的顶部插入外管(201)的内腔，所述传动杆(205)设置在外管(201)的上部。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述内管(202)固定安装在底座(1)上，且其上端自外管(201)的底部插入外管(201)的内腔，所述传动杆(205)设置在外管(201)的下部。

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