CN219369620U - 一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，包括悬臂板、电阻应变片、双臂电桥、电压测量组件、加热器以及采集待测金属件温度的温度传感器；所述电阻应变片的数量为两个，两个电阻应变片分别固定于悬臂板的前、后侧面上且两个电阻应变片位置相对应；以两个电阻应变片作为两臂接入到双臂电桥中，所述双臂电桥与电压测量组件电连接；待测金属件的自由端与悬臂板的自由端接触配合，所述加热器作用于待测金属件。其测量误差小，操作便捷。

Description

一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置

技术领域

本实用新型涉及金属性能测试，具体涉及一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置。

背景技术

“热胀冷缩”是许多物体都具有的物理性质。对于金属材料，热膨胀造成的形变虽然不大，但可以产生较大的应力，所以在工程设计、机械制造、材料加工等过程中都需要予以充分的考虑。生活中常见的钢轨对接和桥梁对接的伸缩缝都是金属热膨胀特性的体现。金属热膨胀系数作为度量金属材料热膨胀程度的物理量，是工程建设时选材的重要依据，因此准确测量金属热膨胀系数对于工业生产和制造有着举足轻重的作用。

金属热膨胀系数的测量是各高校必开的经典物理实验之一，测量金属热膨胀系数的办法通常有顶杆式间接法、激光测量法和望远镜直读法等方法。其中顶杆式间接法又因测量微小形变的方法不同大致分为直接测量法、光杠杆法、光学干涉法等方法。现阶段大多高校在实验中结合顶杆式间接法和机械千分表来测量金属热膨胀系数，但误差较大，操作较复杂。因此开发制作出一套误差更小、操作更加便捷的测量装置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，其测量误差小，操作便捷。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，包括悬臂板、电阻应变片、双臂电桥、电压测量组件、加热器以及采集待测金属件温度的温度传感器；所述电阻应变片的数量为两个，两个电阻应变片分别固定于悬臂板的前、后侧面上且两个电阻应变片位置相对应；以两个电阻应变片作为两臂接入到双臂电桥中，所述双臂电桥与电压测量组件电连接；待测金属件的自由端与悬臂板的自由端接触配合，所述加热器作用于待测金属件。

进一步，还包括数据分析模块，所述数据分析模块与电压测量组件和温度传感器连接，基于获取的温度变化情况和电压变化情况按预设程序计算得到待测金属件的线膨胀系数。

进一步，所述电压测量组件与双臂电桥之间连接有放大器。

进一步，所述加热器包括金属加热腔、固定于金属加热腔内的至少一片陶瓷PTC发热片以及与陶瓷PTC发热片电连接的数显温控仪。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过将两个电阻应变片分别固定于悬臂板的前、后侧面上且两个电阻应变片位置相对应，由于电阻应变片的厚度很小，且与悬臂板固定在一起，能够将电阻应变片发生的应变量近似等于悬臂板表面处的应变量，两个电阻应变片作为两臂接入到双臂电桥中，所述双臂电桥与电压测量组件电连接，即利用对电压的测量来代替对金属棒伸长量的测量，准确得到待测金属件的线膨胀系数，测量误差小，测量灵敏度高，操作方便快捷。

附图说明

图1是本实用新型所述基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述双臂电桥示意图；

图3是定标时铝棒电压与位移关系图；

图4是铝棒电压与温度关系图；

图5是采用本实用新型所述基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置测得的铁棒、铝棒、铜棒的线膨胀系数的相对误差。

图中，1—悬臂板，2—电阻应变片，3—双臂电桥，4—放大器，5—电压测量组件，6—加热器，7—数据分析模块，8—待测金属件，9—供桥电源，10—固定电阻，11—第一平衡电阻，12—第二平衡电阻。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参见图1，所示的基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，包括悬臂板1、电阻应变片2、双臂电桥3、电压测量组件5、加热器6以及采集待测金属件8温度的温度传感器；所述电阻应变片2的数量为两个，两个电阻应变片2分别固定于悬臂板1的前、后侧面上且两个电阻应变片2位置相对应。以两个电阻应变片2作为两臂接入到双臂电桥3中，所述双臂电桥3与电压测量组件5电连接；待测金属件8的自由端与悬臂板1的自由端接触配合，所述加热器6作用于待测金属件8。

为了提高测量效率，所述测量装置还包括数据分析模块7，所述数据分析模块7与电压测量组件6和温度传感器连接，基于获取的温度变化情况和电压变化情况按预设程序计算得到待测金属件8的线膨胀系数。

所述加热器6包括金属加热腔、均匀安装固定于金属加热腔内的三片陶瓷PTC发热片以及与陶瓷PTC发热片电连接的数显温控仪。陶瓷PTC发热片具有快速发热、性能稳定、耗散功能低的优点。并且三片陶瓷PTC发热片的均匀安装固定使得加热更加均匀。再利用数显温控仪通过PID算法对温度进行控制，可以实时精确监测加热温度，通过数显温控仪设定温度，控制陶瓷PTC发热片加热，加热腔具有良好的导热性能，使得热量快速传导至待测金属件7上，从而使得待测金属件进行稳定均匀加热。

电阻应变片2作为一种力学传感元件应用广泛，可测量应变、应力、弯矩、加速度和位移等物理量。电阻应变片分为金属应变片、半导体应变片。金属应变片中的箔式应变片利用光刻技术刻印的金属箔栅作为敏感光栅，粘贴于纸、胶膜和玻璃纤维布等制成的绝缘基底上；半导体应变片是将单晶硅电锭切片、研磨腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚的衬底上制成的。

由于箔式应变片阻值越大，温度影响越小，但信号越不稳定；半导体应变片灵敏系数越小，温度影响越小，但电阻温度系数越不稳定。通过多次实验不同阻值的箔式应变片和不同灵敏系数的半导体应变片，最终选择了电阻为120Ω，灵敏系数为120的半导体应变片，其具有较大的灵敏系数，且机械滞后小，横向效应小，稳定性较好。应变片传递系统是悬臂板的形变传递给粘剂层后传递给箔栅，查阅资料可知使用薄的胶层、细的敏感箔栅和粘度高的胶粘剂，可以获得更好的应变传递效果。因此在实验中我们使用502胶水，其固化速度快，粘结力强；同时电阻应变片2也随同悬臂板1发生形变。

电阻应变片2粘贴在悬臂板1上，当金属杆即待测金属件7受热膨胀使得悬臂板1产生一定的形变时，电阻应变片2也会随之产生一定的电阻值改变。为了准确的测量出电阻应变片2的阻值变化，利用双臂电桥3将电阻应变片2电阻的变化转化为电压的变化。双臂电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围广、线性度好等优点，能够较好地满足应变测量的要求，因此我们在实验中选择双臂电桥来测量。

由于电阻应变片2的厚度很小，且与悬臂板1牢固的粘贴在一起，可以将电阻应变片2的发生的应变量近似等于悬臂板1的表面处的应变量。在实验中发现金属形变和测量的电压满足线性关系，并通过理论推导利用悬臂板1的形变与伸长量关系式、电阻应变片电阻变化率与形变关系式、双臂电桥关系式，最终得到线膨胀系数α的表达式：

式中，L为待测金属件原长，k为电阻应变片灵敏系数，h为悬臂板厚度，β为差动放大器的放大系数，E₀为供桥电源；

ΔU为双臂电桥3的桥路输出电压差值，Δt为待测金属件7的温度差值。

参见图2，R₁和R₂为120Ω的固定电阻10，R₃、R₄为电阻应变片2，测量出双臂电桥3桥路输出电压就能够得到电阻的变化值。由于两个电阻应变片2阻值不绝对相对，所以采用第一平衡电阻11即固定电阻R和第二平衡电阻12即滑动变阻器R_w1组成电桥平衡网络，通过调节第二平衡电阻12使双臂电桥3平衡。

在测量时，由于双臂电桥3桥路输出电压很小，常规电压测量组件5即电压表无法直接测得输出的电压值，因此在所述电压测量组件5与双臂电桥3之间连接有放大器4，本实施例中，所述放大器4为AD620型号的差动放大器，用于放大双臂电桥3桥路输出电压。

具体测量时，包括如下步骤：

步骤一，差动放大器调零。将差动放大器接7V电源，连接差动放大器的正(+)、负(-)短接调零。再将差动放大器的输出端与电压表相连，接通电压表电源。调节差动放大器的增益旋钮到恰当位置，调节差动放大器的调零旋钮，使得电压表显示为零，关闭差动放大器和电压表的电源。

步骤二，连接电路，根据图2接线，用控制器压紧电阻应变片2，接通电源，将双臂电桥3的供桥电源9调至3.2V，缓慢调节电桥平衡网络中的第二平衡电阻12即滑动变阻器R_w1使得电压表显示为零。

步骤三，定标，用控制器将悬臂板和螺旋测微计固定，转动测微头，使悬臂板的自由端产生位移，每移动0.01mm的距离记录一个电压示数。利用所记录数据拟合曲线，确定双臂电桥输出电压和位移的关系。

步骤四，测量，具体包括：

1)连接陶瓷PTC发热片和数显温控仪；

2)将待测金属件7和不良热导体的顶针放入加热腔即特厚壁紫铜管内，将悬臂板1自由端与顶针接触，固定测量装置，注意不要使悬臂板1发生形变；

3)打开数显温控仪的电源，设定加热的温度值，开始加热。当显示值上升到大于设定值，温控仪自动停止加热，正常情况下在±0.3℃左右波动三次以上后，可以认为待测金属件7的温度达到了设定值。

4)当温度到达设定值且处于较为稳定的状态后，记录电压表的示数。以3℃为间隔，重复上一步骤。利用定标中所拟合的曲线和电压表的示数确定金属杆发生的微小形变，并记录下待测金属件7发生的微小形变。

5)利用记录的数据拟合出待测金属件7受热后的伸长量与其温度增加量的曲线，并求出金属杆的线膨胀系数。

按照上述流程进行操作，对铝合金的金属线膨胀系数进行了测量，实验结果如下：

定标，参见图3，将所得数据导入Origin中进行拟合，进行线性拟合得到的R²＝0.99917，线性拟合程度较高。

装置搭建好后，测量温度与电压的关系，参见图4，将所得数据导入Origin中进行拟合，得到R²＝0.99469，拟合程度较高，其中拟合曲线的斜率k₂＝1.415V/℃。

铝合金金属棒的原长L＝377.32mm。

计算得到铝棒的线膨胀系数并计算相对误差，利用上述的测量数据代入公式可以得到铝棒的线膨胀系数α为22.1×10^-6/℃，查阅资料得到该铝棒理论上的线膨胀系数α₀为22.7×10^-6/℃，相对误差为除了铝棒外，还采用了铜棒和铁棒进行测量，分别计算相对误差，结果参见5，采用本实用新型所述基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置测得的铁棒、铝棒、铜棒的线膨胀系数的相对误差较小。

以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，其特征在于：包括悬臂板（1）、电阻应变片（2）、双臂电桥（3）、电压测量组件（5）、加热器（6）以及采集待测金属件（8）温度的温度传感器；

所述电阻应变片（2）的数量为两个，两个电阻应变片（2）分别固定于悬臂板（1）的前、后侧面上且两个电阻应变片（2）位置相对应；以两个电阻应变片（2）作为两臂接入到双臂电桥（3）中，所述双臂电桥（3）与电压测量组件（5）电连接；

待测金属件（8）的自由端与悬臂板（1）的自由端接触配合，所述加热器（6）作用于待测金属件（8）。

2.根据权利要求1所述的基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，其特征在于：还包括数据分析模块（7），所述数据分析模块与电压测量组件（5）和温度传感器连接，基于获取的温度变化情况和电压变化情况按预设程序计算得到待测金属件的线膨胀系数。

3.根据权利要求1或2所述的基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，其特征在于：所述电压测量组件（5）与双臂电桥（3）之间连接有放大器（4）。

4.根据权利要求1或2所述的基于电阻应变片的金属线膨胀系数测量装置，其特征在于：所述加热器（6）包括金属加热腔、固定于金属加热腔内的至少一片陶瓷PTC发热片以及与陶瓷PTC发热片电连接的数显温控仪。