金屬熱脹系數自動測量儀的研制

劉存海　劉芬芬

摘 要 將邁克爾遜干涉儀的精確測量和傳統金屬線膨脹系數的測量方法相結合，研制一種金屬熱脹系數自動測量儀，被測金屬樣品被加熱后會發生長度的變化，從帶動鏡面產生微小移動，進而引起邁克爾遜光路中兩束光的光程差的改變，通過干涉條紋自動計數系統記錄溫度變化時干涉條紋的變化數量，以實現對金屬熱脹系數的自動測量。

關鍵詞 熱脹系數；邁克爾遜干涉儀；自動測量

中圖分類號：TP212.6 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）10-0038-03

Abstract An automatic measurement instrument for the metallic thermal expansion coefficient is developed based on the combination of the traditional measuring and Michelson Interferometer. The length of the metal varies， the mirror moves tiny and the length difference of two lights when the metal is heated. The metallic thermal expansion coefficient is measured automatically with a Michelson Interference fringes automatic counter for different temperature.

Key words thermal expansion coefficient； Michelson Interfero-meter； automatic measurement

1 引言

固體在溫度改變時，都要產生膨脹或收縮，其變形雖小，卻能產生非常大的作用力[1-4]。各種儀器、機器設備、建筑物通常用不同的固體材料制成，選擇這些材料時必須考慮它們的膨脹和收縮性能。因此，熱膨脹系數是表征材料的熱物理性質的重要參數。在工程技術中，對于處在溫度變化條件下的材料，熱膨脹系數不僅有助于材料性能，而且是對材料進行結構設計的關鍵參數。材料的熱膨脹性能的重要性還表現在它與材料抗熱震的能力、受熱后應力大小及分布密切相關。此外，通過對材料熱膨脹系數隨溫度變化曲線的測定，還可以進行材料相變、微裂變的愈合和擴展等基礎理論的研究。因此，準確測量材料的熱膨脹系數，不僅對了解材料的熱膨脹性能，進行材料隨溫度變化過程分析具有重要的意義，而且對新型材料的研究和應用、新科技領域的開發和擴展都具有非常重要的作用。

傳統的金屬熱膨脹系數傳統測量方法是利用加熱器加熱，并采用光杠桿和尺讀望遠鏡讀數的方法進行測量，但這種測量存在設備占地面積大、調節難度高和測量精度低等問題[1]。為了解決傳統測量方法中存在的種種不足，將邁克爾遜干涉原理和金屬熱脹系數傳統測量方法相結合，實現金屬熱脹系數的自動測量。

2 工作原理

金屬熱脹系數自動測量儀是在傳統邁克爾遜干涉儀的基礎上，利用帶有反射鏡的加熱系統替代原有的動鏡部分，利用條紋自動計數系統替代毛玻璃觀察屏，具體光路如圖1所示。激光器發出的光，經分光板后分成兩部分。其中，光束1經分光板反射后向著反射鏡1前進；光束2透過分光板，然后經過補償板向著反射鏡2前進。這兩束光波分別經反射鏡1和反射鏡2反射后逆著各自的入射方向返回，最后被條紋自動計數系統接收。

測量時，利用加熱系統改變被測金屬管自身溫度，由于熱脹冷縮的作用，金屬管會發生微小形變，從而帶動與之相連的反射鏡2產生微小的移動，從而引起邁克爾遜光路中兩束光的光程差的改變，進而造成干涉條紋數目的變化。通過干涉條紋自動計數系統記錄溫度變化時上干涉條紋的變化數量為N，則被測金屬管的長度變化量Δl為：

式中λ為激光波長。通過加熱系統的溫度顯示部分可記錄與Δl對應的溫度變化值Δt，則被測金屬管得熱脹系數α為：

式中l0為被測金屬管初始長度。

3 實驗裝置

金屬熱脹系數自動測量儀分為邁克爾遜干涉系統、加熱系統和干涉條紋自動計數系統，如圖2所示。

邁克爾遜干涉系統 邁克爾遜干涉系統是在傳統的邁克爾遜干涉儀基礎上改進而成的，它包括激光光源、固定反射鏡、底座、補償板、分束板等幾部分。光源采用多束光纖激光器，波長為632.8 nm，系統工作原理和調節方法與邁克爾遜干涉儀相同。

加熱系統 加熱系統如圖3所示，它由數碼管溫度計、電源模塊、被測金屬管、金屬管固定座、加熱筒、反射鏡片、導軌固定座和外殼箱等部分組成。金屬管處在加熱筒中央，其一端被固定座固定，另一端連接一反射鏡片，反射鏡片角度可調；數碼管溫度計的溫度顯示部分位于加熱系統前部，Pt100熱電偶溫度傳感器放置在被測金屬管中央；導軌固定座將外殼箱固定在邁克爾遜導軌上；電源模塊可對數碼管和加熱筒供電。

接通電源，溫度顯示屏顯示金屬管的溫度。打開加熱開關，加熱筒開始加熱時，指示燈亮起；關掉電源開關，停止加熱時，指示燈熄滅，溫度計仍然顯示溫度，便于測量降溫過程中的溫度變化。除反射鏡片外，其他所有部件均被置于外殼箱中，并用隔熱材料加以保護，防止升溫過程中對系統產生影響，系統內部各部分之間均采用高溫線相連接。為了加強降溫測量中降溫的實施，在外殼箱兩側設計有均勻的散熱孔。

干涉條紋自動計數系統 干涉條紋自動計數系統如圖4所示，其工作原理是通過比較光敏電阻和閾值來采集干涉條紋的變化，產生與明暗條紋相對應的電脈沖，再通過單片機來計數并顯示。該系統包括光敏電阻、信號檢測與處理電路和計數顯示驅動電路三部分。

1）光敏電阻。根據實驗原理，接收屏上出現明暗相間的條紋變化，條紋圓心處光強也是明暗交替變化的，明暗變化一個周期，正好對應條紋的一次吞吐。將光敏電阻安裝在接收屏的干涉條紋圓心處用來采集光信號，即將干涉環中心的明暗變化轉換成相應的電脈沖信號，將信號輸入單片機，經過程序處理后得出變化的條紋數，最后經數碼管進行數字顯示。

2）信號檢測與處理電路。光電檢測器件所接收的光信號一般十分微弱，輸出信號往往被深埋在噪聲當中，要有效利用這種信號，就必須對其進行放大。信號檢測與處理電路選擇性能優越的集成運放LM358模塊為主要工作元件，它可對光敏電阻的輸出信號進行有效放大，并進行降噪處理。

3）計數顯示驅動電路。利用單片機對信號進行處理并計數。單片機是采用先進的CMOS工藝的單片8位微處理器，并采用串行接口4位LED顯示驅動器，它是一種高集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，只需外接一個電阻就可為所有的LED提供電流。

4 系統測評

為了測試設計制作的金屬熱脹系數自動測量儀的性能，對加熱系統進行整體測試，反復多次升溫降溫測量，發現整個系統具有加熱穩定、散熱均勻和運行可靠等優點。此外，為了驗證系統金屬熱膨脹系數測量的精確性，分別利用傳統光杠桿放大法和本測量儀對紫銅空心桿的線膨脹系數進行對比試驗，各試驗五次，并計算出兩種測量方法所獲得的測量結果相對于標準值（1.64×10-5/℃）的相對誤差，結果如圖5所示。不難發現，與傳統光杠桿測量方法相比，干涉法測量法的誤差被極大地降低，結果精確度較高。

5 結語

本文設計制作的金屬熱膨脹系數自動測量儀以傳統邁克爾遜干涉儀為基礎，將光的干涉原理運用到金屬線膨脹系數的測量當中。與傳統金屬線膨脹系數測量方法相比，該測量儀具有結構簡單、設計巧妙和測量精度高等優點。

參考文獻

[1]楊述武，馬葭生，賈玉民，等.普通物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]李新春.金屬線脹系數測量實驗研究[J].實驗科學與技術，2005（1）：79-81.

[3]趙斌，陳明偉.金屬線脹系數的測定[J].武漢工業學院學報，2004，23（2）：109-110.

[4]劉愛華.電熱法測量固體線脹系數改進[J].物理實驗，2005，25（5）：42-44.