干涉法测量金属的热膨胀系数-讲义

1干涉法测量金属的线膨胀系数固体的线膨胀是指固体受热时在某一方向上的伸长。这种特性是工程结构设计、机械和仪表制造、材料加工中要考虑的重要因素。在相同条件下，不同材料的固体线膨胀的程度不同。各种材料膨胀特性用线膨胀系数（简称线胀系数）来描述。线胀系数是选用材料的一项重要指标，实际中经常要对材料线胀系数做测定。对于金属材料，温度变化引起长度的微小变化比较微小,一般采用光杠杆、光的衍射法等进行精确测量。本实验中利用干涉法测量金属棒的热膨胀系数。一、实验目的1．观察物体线膨胀现象，学会测量金属的线胀系数.2．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法.二、实验仪器SGR—1型热膨胀实验装置、游标卡尺、铜棒、铝棒.三、工作原理在不太大的温度变化范围内，原长为l0的物体，受热后其伸长量l与其原长l0、温度的增加量t近似成正比，即0llt（1）式中的比例系数即称为线胀系数，它表示当温度升高1℃时固体的相对伸长量。由上式可得llt（2）不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，石英玻璃线胀系数很小。线胀系数是选用材料的一项重要指标。附表中列出几种物质的线胀系数值，对应有一个温度范围。表1几种材料的线胀系数材料铜铝铂普通玻璃石英玻璃瓷器601/10()C17.123.89.19.50.53.4~4.1温度范围（℃）0~10020~20020~700实验指出，同一材料在不同的温度区段，其线胀系数是不同的，但在温度变化不大的范围内，线膨胀系数近似是一个常量。线膨胀系数的测定是人们了解材料特性的一种重要手段。在本实验中我们用SGR-1型热膨胀实验装置测量金属棒在20℃～50℃范围内的线膨胀系数，其工作原理是基于光干涉法来进行微小长度量的测量，其光路图见图1所示。从He-Ne激光器出射的激光束经过分束器（半反镜）后分成两束，分别由两个反射镜：定镜和动镜反射回来，由于分束器的作用两束反射光在观察屏上会相遇并形成明暗相间的同心环状干涉条纹。长度为l0的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t0上升至t时，试件因受热膨胀，从l0伸长到l，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N个环的变化，则l-l0=Δl=N2（3）2数显温控仪扩束器观察屏分束器定镜M1石英垫转向镜M2测温探头电热炉石英管动镜试样He-Ne激光器图1而线膨胀系数00()lltt（4）所以只要测出某一温度范围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数。四、实验步骤1.安放试件（1）用M4螺钉旋入试件一端的螺纹孔内，从试件架上提拉出来，横放在实验台上，再用卡尺测量并记录试件初始长度l0。（2）将电热炉从仪器侧面的台板上平移取下，手提M4螺钉把试件送进电热炉（注意：试件的测温孔与炉侧面的圆孔一定要对准）。（3）卸下M4螺丝，用平面镜背面石英管一端的螺纹件将平面镜与试件联接起来（注意：用手稍微拧紧平面镜后不可再用力，否则容易损坏平面镜同螺纹之间的石英细管）。在炉体复位（从台板开口向里推到头）后，务必将测温探头穿过炉壁插入试件下半截的测温孔内，测温器手柄，应紧靠电热炉的外壳（图2）。炉体下部与侧台板之间，用两个手钮锁紧。图2电热炉内结构示意图2.调节迈克耳孙干涉光路3打开装置总电源，按“激光”开关，拨开扩束器，调节M1和M2两个平面镜背后的螺丝，使观察屏上的两组光点中的两个最强重合，然后把扩束器转到光路中，屏上即出现干涉条纹，这时微调平面镜的方位，可将椭圆干涉环的环心调到视场的适中位置。对扩束器作二维调节，可纠正观察屏上光照的不均匀。3.测量（1）测量铝棒的线膨胀系数①测量前，先将温控仪选择开关置于“设定”，转动设定旋钮，直到显示出预定温度值。设定温度后，将选择开关置于“测量”。②按“加热”键，观察干涉圆环的变化，当温度显示超过室温5℃后，记录试件初始温度t0，同时开始仔细默数干涉环的变化个数。待达到预定数50环时，记录此时的温度显示值t。测试完毕后，直接按“暂停”键，停止加热。可根据公式（3）和（4）计算铝棒的线胀系数。（2）测绘铜棒线膨胀与温度变化关系曲线①更换试件。松开加热炉下部的手钮，使炉体平移，离开侧台板。旋下动镜拔下测温头，再换上螺丝提手从炉内取出试件。待炉内温度降到最接近室温的稳定值，按步骤1要求安放待测试件，安妥后通常需要重新调节光路。②按“加热”键，观察干涉圆环的变化，当温度显示超过室温3℃后，记录试件初始温度t0，同时开始仔细默数干涉环的变化个数。每计数20个干涉环时，记录此时的对应的温度显示值t，共5组100环。实验完毕，切断加热炉电源。以横轴标出铜棒温度变化0ttt，以纵轴标出线膨胀伸长量l，描点作图。由图解法求出铝的线胀系数。五、数据记录与处理1.测量铝棒的线胀系数初始长度l0铝==632.8nm表1试件品种温度/℃干涉环变化数N试件伸长量2lN线膨胀系数（×10-6/℃）t0t硬铝502.测量铜棒线膨胀与温度变化关系曲线初始长度l0铜==632.8nm表2干涉环变化数N020406080100温度t/℃t/℃l/mm斜率K=线涨系数=4六、注意事项（1）在平面镜与铜螺丝之间粘接的石英细管质脆易损，不能承受较大的扭力和拉力；炉底上的石英垫不能承受试件落体的冲击；试样入炉与出炉必须用M4长螺钉做辅助工具。（2）实验前不要按“加热”开关，以免为恢复加热前温度而延误实验时间，或因短时间内温度忽升忽降而影响实验测量的准确度。实验中，每次加热前都需要静置一段时间观察温度显示，耐心等待试件入炉后的热平衡状态。（3）为了避免体温传热对炉内外热平衡扰动的影响，不要用手抓握待测试件。（4）本仪器宜在低照度实验室使用，室内应避免强烈的空气流动。地面和台面不可有较强的震动。实验室应保持安静。（5）注意保护眼睛,不要正面直接注视激光光束。附录SGR-1型热膨胀实验装置1.仪器外形见图3。图32.主要技术指标He-Ne激光器：功率约1mW，波长632.8nm分束器光圈数：N=2平面镜光圈数：N=2数字测温最小分度：0.1℃试件品种：硬铝（20℃起测）黄铜α=20.6×10-6/℃（25~300℃）钢（20℃起测）试件尺寸：l=150mm，φ=18mm适宜升温范围：室温—60℃温控仪工作环境：温度0—50℃，湿度85%以下无腐蚀性气体5线膨胀装置系统误差：＜3%耗电功率：约50W重量（含附件）：17.25kg3.数显温控仪数显温控仪的测温探头通过铜热电阻，取得代表温度信号的阻值，经电桥放大器和非线性补偿器转换成与被测温度成正比的信号；而温度设定值使用“设定旋钮”（图4）调节，两个信号经选择开关和A/D转换器，可在数码管上分别显示测量温度和设定温度。仪器加热接近设定温度，通过继电器自动断开加热电路；在测量状态，显示当前探测到的温度。图4