固体线膨胀系数测定仪的研制与改进

固体线膨胀系数测定仪的研制与改进 第 26 卷 第 2 期 Vol . 26 No . 2 物 理 实 验 P H YSICS EXP ER IM EN TA T ION Feb. ,2006 2006 年 2 月 固体线膨胀系数测定仪的研制与改进 贺靖勇 ,肖会芹 ,夏湘芳 () 株洲工学院 信息与计算科学系 ,湖南 株洲 412008 摘 要 :通过引入半导体恒温加热器 、温度自动控制电路及拉杆式位移传感器 ,对现有的仪器进行改进 ,设计了数字 智能化固体线膨胀系数测定仪 . 关键词 :线膨胀系数 ;温度控制 ;微小位移测量 () 文章编号 :100524642 20060220022203 中图分类号 :O551 . 3 文献标识码 : A 中取出 ,这必然会给温度计读数带来误差 ,如不取 1 引言 出而直接读数 ,则可能产生较大的视觉误差 . ) 在目前大学物理实验教材中 , 测量固体线膨 3微小位移量的测量方法不当 ,有的仪器使 胀系数的方法有很多种 , 但实验原理大都相同 , 利用旋转指针 ,有的使用螺旋测微器 ,有的使用千分 ΔΔL /t 表 ,有的使用光杠杆原理 ,这些方法要么系统测量 αΔΔ用公式= , 通过测量 L ,t , L 等数据 ,0 L 0 精度不够 ,要么操作误差较大 .α计算出线膨胀系数. 每种实验方法在加热方式 通过对以上几个问题的研究分析 ,笔者对该 ( ) ( 流水加热 、蒸汽加热 、电加热等、温度控制 断续 仪器的加热方式 、温度控制方式 、微小位移量的测 ) 式二位置控制 、比例 2积分2微分控制 P ID 等、微 ( ) 小位移量的测量方法 千分尺 、百分表 、传感器等量方式等方面进行了改进 ,设计出了数字智能化 等方式 上各 有 不同 . 其 中电 加热 法 因其 操作 简 固体线膨胀系数测定仪 . 单 , 加热迅速 , 实验装置紧密 , 并可在多点温度下 进行测量等优点而被广泛使用 . 2 实验装置与实验原理 通过对市场上多种常见固体膨胀系数测定仪 2 . 1 实验装置 的研究发现 ,在测量时存在结果误差较大 ,可重复 本仪器由数字智能化固体线膨胀系数测定仪 性较差 ,仪器可靠性不高等缺点 ,分析其原因有以控制箱和数字智能化固体线膨胀系数测定仪实验 下几个方面 :() 装置 图 12 部分组成 ,温度控制电路 、测温电路 、 ) 1温度控制方法不当 ,大多数实验装置采用 温度设定 、位移调零 、温度位移数显 、开关 、保险等 区间自动控温法或降低加热装置的电压进行温度 集成于控制箱中 , 半导体恒温加热器 、温度传感 控制. 在这 2 种温控方式下 ,被测固体棒达到恒 器 、位移传感器等安装在实验装置中. 温的时间很短 ,在实验过程中被测固体棒达到热 帄衡的时间与温度计响应时间不可能完全同步 , 因而若在每个温度点上没有足够长的恒温时间 , 就无法测得该温度点对应的固体棒真实的长度 . ) 2温度测量方式不当 ,大多实验装置测量温 度使用水银温度计 ,当把水银温度计插入被测固 体棒所在恒温装置时 ,会影响恒温装置中温度的 稳定 ;当温度计读数时 ,需要把温度计从测温环境 图 1 数字智能化固体线膨胀系数测定仪结构图 收稿日期 :2005205229 () 作者简介 :贺靖勇 1970 - ,男 ,湖南益阳人 ,株洲工学院信息与计算科学系工程师 ,学士 ,从事实验仪器研究 . 2 . 2 半导体恒温加热器控制器 2 . 2 . 3 温控器控温电路如图 4 所示 . 半导体制热片 2 . 2 . 1 半导体恒温加热器加热原理的工作状态由机械继电器 J 完成 ,继电器 J 的状 如图 2 所示 ,把 1 只 P 型半导体元件和 1 只 态由 TM200 智能调节控制 . TM200 智能调节控 N 型半导体元件通过连接片连接起来 ,接上直流 制器通过置于待测铜棒一端的 Pt 100 铂电阻温度 电源后 ,在接头处会产生温差和热量的转移 . 如 传感器探头采集的温度信号 ,经处理 、放大 、校正 后与设定温度值进行比较 ,从而驱动继电器 J 调 果把若干对半导体温差电偶在电路上串联起来 , 节半导体片工作模式. 若测量值低于设定值时 , 而在传热方面是并联的 , 这样就构成了加热器 . 设定半导体片处于制热状态 ; 若测量温度高于设 加热器上面是冷端 ,下面是热端. 通过铝块不断 定温度时 ,则改变电流方向 ,设定半导体片处于制 地吸热传递给铜棒 ,使铜棒温度不断的上升 . 这 冷状态. 测量值与设定值可在 L ED 显示器上直 就是半导体加热器的工作原理 . 如果改变电流的 接读取 ,智能调节器的设定温度可直接在控制箱 板面上手动调节 . 方向 ,则加热器的冷热端互换 ,使加热器可以十分 方便地实现制热/ 制冷的转换 ,从而可以实时控制 加热器的温度. 图 2 半导体恒温加热器原理图 图 4 温控器温控电路图 2 . 2 . 2 半导体恒温加热器 半导体恒温加热器结构如图 3 所示 ,由半导 2 . 3 微小位移的测量 体制热加热片及连接铜片组成 . 半导体制热加热 待测铜棒在一定温度下的伸长量的测量采用 片采用 20 片 T EC203105 型半导体片 , 在待测铜 位移传感器进行测量. 位移传感器又称为线性传 棒两侧对称分布. 感器 ,它分为电感式位移传感器 、电容式位移传感半导体片有热端面和冷端面 . 工作时 , 将热 器 、光电式位移传感器 、超声波式位移传感器 、霍 端面贴在导热铝块上 ,在热端面的接触表面涂一 尔式位移传感器等 ,本仪器采用的是电感式位移 层氧化锌导热硅胶 ,以提高制热/ 制冷效果 . 在冷 传感器中的拉杆式位移传感器. 该传感器具有防 端安装 2 个风扇 ,以加强散热 ,提高制热效果 . 潮 、防水 、耐高温 、耐低温等特性 ,且线性度好 、灵 敏度高. 具体参量见表 1 所示 . 表 1 拉杆式位移传感器参量 测量范围 线性度 工作温度 直流电源 灵敏度 - 1 ) ( / % / ? / mV ?mm / mm 电压/ V ?0 . 5 ?0 . 05 10 000 0,70 ?12 μ拉杆式位移传感器测量精度为 0 . 1 m ,符合 图 3 恒温加热器结构图 物 理 实 验 24 第 26 卷 - 5 α 计算得?铜 = 1 . 662 ×10 /?. 实验方法与实验结果3 通过查找资料得知 : 在 20 ?下 ,纯铜的线膨 - 5 实验方法3 . 1 胀系数理论值为 1 . 67 ×10 / ?, 与该数据相比 实验前先用游标卡尺测量待测铜棒在室温下 较 ,实验误差为 0 . 48 %左右. 的长度 L 并记下室温 t, 然后把待测铜棒放入加3 . 3 实验误差分析0 0 μ) 热器中 , 固定好位移传感器 , 使位移传感器拉杆与1位移传感器的精度为 0 . 1 m ,受位移传感 待测铜棒自然接触. 打开电源 , 使用位移调零旋 器的精度限制 ,微小位移的测量不可能更为准确. 钮将位移表调零 , 设定好加热温度 t, 打开加热开 1 ) 2在测量过程中 ,位移传感器的位置的垂直关 , 当测量温度与设定温度一致时 , 记录待测铜棒 度受人为因素的影响是不可避免的 ,其垂直度不 ΔΔ的位移量L , 计算出t = t- t.1 0 可能达到理想状态. ) ΔΔα 等 值 代 入 = 3温度控制精度在 0 . 1 ?以内 ,不可能达到将测 量 所 得 的 L , t , L 0 ΔΔL /t理想状态 ,不能十分准确的测定设定温度下的铜 中就可计算出线膨胀系数 , 重复实验 3,4L 0棒的位移量 . 次 , 计算出帄均值 , 可在一定程度上减小操作误 ) 420 ?下标定的铜棒长度的测量精度达不 差 . μ到 0 . 1 m 的精度要求 , 产生一定的系统误差是 实验过程中应注意 :测量室温时使用的温度 不可避免的 . 计应与控制箱上的温度显示的温度具有相同的精 结束语4 度 ; 待测铜棒在室温下的长度 L 要求准确 ; 位移 0 改进后的固体线膨胀系数测量仪具有结构紧 传感器拉杆与待测铜棒的接触要紧密 , 可以产生 原始微位移 , 然后通过位移调零旋钮将位移表调 凑 、操作简单 、系统误差较小 、实验结果准确度较 零 , 但原始位移量不能过大 , 否则会使位移传感器 ( 高等 特 点. 恒 温 装 置 可 控 温 度 范 围 较 广 0 , 的线性度受到影响 , 从而测出的微小位移量的值) 70 ?;升温时间较短 ,不超过 3 mi n ,控温精度较 不准确.高 ,小于 0 . 1 ?;温差波动小 ,可为铜棒线膨胀系 3 . 2 测量结果数的测量提供较好的温度环境. 位移传感器的精 在室温为 20 ?的条件下 ,采用本文介绍的固 μ度较高 ,可测量到 0 . 1 m. 体线膨胀系数测量仪对纯铜铜棒进行测量 ,所得 参考文献 : 实验数据见表 2 . 其中铜棒的初始长度为 : 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 温 度 20 ?下 ,用千分尺标定的铜棒初始长度 L 为0 [ 1 ] 张瑛 ,李尧 . CCD 探测器在测量金属丝线膨胀系数 () 中的应用 [J ] . 物理实验 ,2002 ,22 12:38,39 ,48 . 80 . 00 mm . 刘晓 . 金属线膨胀系数的智能 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 实验 [ J ] . 物理 [ 2 ] () 实验 ,1998 ,18 4:23,24 . 表 2 21 . 5,70 ?纯铜铜棒的测试数据 ( ) 谢行恕 , 康士 秀 , 霍剑青 . 大 学 物 理 实 验 第 二 册 - 1 [ 3 ] - 5[ M ] . 北京 :高等教育出版社 ,2001 . ΔΔt/ ? t/ ? ) L / mm α?(/ 10 徐德胜 . 半导体制冷与应用 技术 [ M ] . 上海 : 上海 20 0 0 ——— 交通大学出版社 ,1992 . [ 4 ] 1 . 667 21 . 5 1 . 5 0 . 002 0 () 杨述武 . 普通物理实验 一 、力学与热学部分[ M ] . 30 . 0 10 0 . 013 2 1 . 650 北京 :高等教育出版社 ,2000 . [ 5 ] 40 . 0 20 0 . 026 6 1 . 663 王俊杰 . 检测技术与仪表 [ M ] . 武汉 : 武汉 理工大 学出版社 ,2002 . 50 . 0 30 0 . 039 8 1 . 658 ()下转第 29 页 [ 6 ] 60 . 0 40 0 . 053 4 1 . 668 70 . 0 50 0 . 066 6 1 . 665 Sl ide rheostat choosing to l imite current or divide voltage by gra ph analysis XU L i2hai ( )Ch ume n High Sc hool , Yuh ua n 317605 , Chi na Abstract : The crit e rio n i s o bt ai ned fo r t he c hoo si ng of sli de r heo st at by grap h a naly si s. That i s , t he ma xi num re si st a nce of r heo st at i s clo se to t he mea suri ng o ne fo r t he cur re nt2li miti ng ci rcuit s a nd much le ss t ha n t he mea suri ng re si st a nce fo r t he devi di ng volt a ge ci rcuit s. So i n t he devi di ng volt a ge ci rc uit s , t he cho se n r heo st at sho ul d ha ve t he small re si st a nce a nd ha ve t he la r ger rat e d cur re nt . Key words : sli de r heo st at ; cur re nt2li miti ng ci rcuit ; divi di ng volt a ge ci rc uit ()上接第 21 页 Stat ic f riction on diff erent sha pe rod immersed in granular matter KO N G Wei2sh u , H U L i n , WU Yu2qi n , Z H A N G Xi ng2ga ng ( )Scie nce College , Guizho u U nive r sit y , Guiya ng 550025 , Chi na Abstract : The ma xi mum st atic f rictio n o n t he sa me cro ss sectio nal a rea a nd diff ere nt shap e ro d i mmer sed i n t he gra n ula r mat t e r i s st udied e xp eri me nt all y. It i s de mo n st rat e d t hat t he st atic f rictio n of t he ci rcle , squa re a nd f lat ro ds a re diff e re nt i n t he sa me co nditio n s. A mo del co n stit uti ng of layer s of gra n ula r mat t er w hic h a re symmet ricall y di st ri but e d i s e mp lo ye d to a nal yze t he e xp e ri me nt al re sult s qualit ativel y. Key words : gra n ula r mat t er ; f rictio n fo rce ; st re ss c ur ve ()上接第 24 页 Development and improvement of solid l inear expansion coeff icient analyzer H E J i ng2yo ng , XIA O H ui2qi n , XIA Xia ng2f a ng ()Depart ment of Info rmatio n & Mat hematics Science , Zhuzho u Instit ute of Technology , Zhuzho u 412008 , China Abstract : The develop me nt of t he soli d li nea r e xp a n sio n coefficie nt mea suri ng device i s realize d t hro ugh i nt ro duci ng se mico nducto r t he r mo st atic heat er , t e mp e rat ure self2co nt rolli ng ci rcuit a nd di s2 p lace me nt se n so r . Thi s device i s di gitize d i nt elli gi bl y. Key words : li nea r e xp a n sio n co efficie nt ; t e mp erat ure co nt rol ; micro2di sp lace me nt mea sure