用电子散斑干涉法测量材料热膨胀系数
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选做-干涉法测量金属的线膨胀系数剖析
干涉法是一种常用的光学测量方法,可用于测量物体表面形态、薄膜厚度、光学模式等。
此外,干涉法还可以用于测量金属材料的线膨胀系数,从而剖析金属的热膨胀特性。
在测量金属的线膨胀系数时,首先需要获得金属材料的表面形态变化,利用干涉法可在金属表面上形成干涉条纹,从而反映出金属的形态变化情况。
当金属受热时,其温度升高,长度也随之增加,这种长度的增加导致光程差的改变,从而使干涉条纹发生移动。
通过测量干涉条纹移动的距离和温度变化量,就可以计算出金属的线膨胀系数。
1、实验器材
干涉仪、热源、温度计、计时器、样品支架等。
2、实验步骤
(1)在试验前将待测金属样品切割成长度为30-40 mm左右、直径为10 mm左右的细棒,并将其磨光准备好。
(2)将磨好的样品固定在样品支架上,并将支架放置在干涉仪的工作台上。
(3)调整干涉仪的镜子,使其成为一组平行光。
(4)打开热源,将其放置在待测金属样品旁边,使其加热。
(5)当待测金属样品的温度达到一定程度时,干涉条纹会出现移动,此时需使用计时器记录干涉条纹的移动时间,并使用温度计测量待测金属样品的温度。
(6)根据干涉条纹移动的距离和温度变化量,计算出金属的线膨胀系数。
金属的线膨胀系数是金属材料的基本物理参数之一,常常用于研究金属在温度变化时的形态变化和性能变化。
利用干涉法测量金属的线膨胀系数可以更加准确地研究金属的热膨胀特性,并且可以用于优化金属材料的设计和制造。
同时,干涉法还可以应用于其他领域,如测量液体的密度、薄膜厚度等。
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l 0的物体,受热后其伸长量l ∆与其原长l 0、温度的增加量t ∆近似成正比,即0l l t α∆=⋅⋅∆ (1)式中的比例系数α 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ll tα∆=⋅∆ (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l 0的待测固体试件被电热炉加热,当温度从t 0上升至t 时,试件因受热膨胀,从l 0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 - l 0 = Δl = N2λ(3)数显温控仪扩束器观察屏分束器定镜 M 1石英垫转向镜 M 2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()ll t t α∆=- (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。
物理实验中的热膨胀测量技术热膨胀是物质在加热过程中由于温度升高而体积增大的现象。
热膨胀测量技术是一项重要的物理实验技术,广泛应用于工程、材料科学、天文学等领域。
本文将重点探讨物理实验中的热膨胀测量技术,包括一些常见的测量方法和设备。
一、扩散法测量热膨胀扩散法是一种常见的热膨胀测量方法,其原理是利用热传导的差异来测量物体的体积变化。
一般情况下,实验中会采用金属材料或陶瓷等导热性能较好的物质作为测量样品。
首先,将两个样品通过一个热传导接触面连接起来,并加热其中一个样品。
随着温度升高,加热样品会发生热膨胀,导致两个样品之间的热传导差异增大,进而使得另一个样品温度升高。
通过测量温度的变化,可以计算出样品的热膨胀系数。
扩散法测量热膨胀具有高精度、灵敏度高的优点,被广泛应用于材料研究领域。
例如,科学家们可以利用扩散法测量材料在高温下的膨胀系数,从而了解材料在不同温度下的物理性质,为材料的设计和制造提供基础数据。
二、光学干涉法测量热膨胀光学干涉法是另一种常见的热膨胀测量技术,其原理是利用光的干涉现象测量物体的位移或形变。
实验中通常采用Michelson干涉仪来进行测量。
Michelson干涉仪是一种基于干涉原理构建的测量仪器,可以将光波的干涉现象转化为位移或形变的测量结果。
在热膨胀测量实验中,研究人员会将一个样品与Michelson干涉仪相连,并将光源发出的光线照射在样品上。
由于样品的热膨胀引起的位移,导致干涉仪的干涉条纹产生变化。
通过对干涉条纹的观察和分析,可以计算出样品的热膨胀系数。
光学干涉法测量热膨胀具有非接触、无损伤、高精度等优点,适用于测量各种材料的膨胀参数。
它在材料科学、机械工程、航空航天等领域有着广泛的应用。
例如,在制造精密仪器或导航设备时,科学家可以利用光学干涉法测量材料的热膨胀,从而保证制造的产品在不同温度下能够保持稳定的性能。
三、电阻式测温法测量热膨胀电阻式测温法是利用物体的电阻随温度变化的规律来测量热膨胀的一种方法。
干涉法测热膨胀系数【实验目的】1、 了解迈克尔逊干涉仪的基本原理。
2、 采用干涉法测量试件的线膨胀系数。
【实验原理】 1、固体的线膨胀系数在一定温度范围内,原长为0L (在0t =0℃时的长度)的物体受热温度升高,一般固体会由于原子的热运动加剧而发生膨胀,在t (单位℃)温度时,伸长量△L ,它与温度的增加量△t (△t=t-0t )近似成正比,与原长0L 也成正比,即:△L=α×0L ×△t (1)此时的总长是:t L =0L +△L (2)式中α为固体的线膨胀系数,它是固体材料的热学性质之一。
在温度变化不大时,α是一个常数,可由式(1)和(2)得tL L t L L L t 1000•∆=-=α (3) 由上式可见,α的物理意义:当温度每升高1℃时,物体的伸长量△L 与它在0℃时的长度之比。
α是一个很小的量,附录中列有几种常见的固体材料的α值。
当温度变化较大时,α可用t 的多项式来描叙:α=A+Bt+C 2t +……式中A ,B ,C 为常数。
在实际的测量当中,通常测得的是固体材料在室温1t 下的长度1L 及其在温度1t 至2t 之间的伸长量,就可以得到热膨胀系数,这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数α:()()1212112112t t L L t t L L L -∆=--≈α (4)式中1L 和2L 分别为物体在1t 和2t 下的长度,△21L =2L -1L 是长度为1L 的物体在温度从1t 升至2t 的伸长量。
在实验中我们需要直接测量的物理量是21L ∆,1L ,1t 和2t 。
2、干涉法测量线膨胀系数图1 干涉法线膨胀系数原理图采用迈克尔逊干涉法测量试件的线膨胀系数如图1所示,根据迈克尔逊干涉原理可知,长度为L 1的待测试件被温控炉加热,当温度从t 1上升至t 2时,试件因线膨胀推动迈克尔逊干涉仪动镜(反射镜3)的位移量与干涉条纹变化的级数N 成正比,即:2λNL =∆ (5)式中λ 为激光的光波波长。
!第!"卷!第"期强激光与粒子束#$%&!"!’$&"!!())*年"月+,-+./012345124’6.427,831914:5;<=&!())*!文章编号!!!))!>*?(("())*#)">)"@!>)*用电子散斑干涉法测量材料热膨胀系数"陈思颖!!(!!黄晨光(!!陈!捷?!!王春奎(!!段祝平("!!北京理工大学光电工程系!北京!)))@!$(!中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室!北京!)))@)$?!中国兵器工业A (研究所!内蒙古包头)!*)?*#!!摘!要!!利用双光束电子散斑干涉法"15.,#对试件受热变形进行了实时观测!针对一次实验过程中得到的图片较多"?))!A ))幅#的特点!在图像处理时摒弃了以往的手动识别等位移线的办法!用:47349语言编写了批处理程序!能够在采集的大量散斑图片中自动快速准确地标定等位移线!得到相应的位移和应变!并结合实时测量的温度值!获得了*A 钢和3B !(铝合金在不同温升率下的热膨胀系数及其随温度的变化%实验结果表明!在涉及的温升率范围内!温升率的改变对材料热膨胀系数的影响不明显!材料的热膨胀系数随温度的升高略有上升%!!关键词!!热膨胀系数$!电子散斑干涉法$!温升率!!中图分类号!!7’(*C !!!!文献标识码!!4!!不同温升率条件下!研究材料的热膨胀系数及其随温度的变化规律!在激光对材料加热机理的分析中!特别是在相关的热物性测试领域里具有重要的地位!并有着强烈的应用需求&!’%!!关于材料的热膨胀系数测试技术!已有很多成熟的理论和方法!并制定了多种标准&(!?’%其中具有代表性的有光杠杆法(直接观测法(光干涉法(D 光法(电容法(光栅法(机械杠杆法(热调幅法(超声微波法(密度测量法和电阻测量法等等%但是!一些传统方法"如顶杆法等#有明显的局限!一是实验时温升速率较慢!难以模拟强激光加热的实际工况!二是其测试精度相对来说比较低!只能给出一个较宽温度区间内"!)E 以上#的平均热膨胀系数%至于其它的一些方法!也存在着诸如实验条件苛刻(试样加工要求高等问题!使其难以推广应用%!!电子散斑干涉法"15.,#是()世纪")年代逐渐发展起来的一种新型光学测试技术!它利用材料表面的漫反射现象跟踪材料的变形情况&*!"’!属于非接触性测量!不仅测试精度高!而且对测量环境要求低$测量本身不会对实验现象产生影响%过去!人们主要利用该方法来测量材料在机械载荷和热载荷下引起的变形&C !F ’!而现在我们可以设计出灵活的加热方式来模拟不同功率的激光对材料的热效应!并采用15.,方法测量材料在不同温升率下的热膨胀系数%此外该方法能够捕捉到!)G !E 温度变化带来的试样变形!对测试结果进行求导分析!便可方便地获得材料每一温度点对应的热膨胀系数%H I J &!!5K L M N OP Q R $SP L Q T <U I =J T VT M L P 图!!测试和采集系统示意图!!本文利用15.,技术测量了*A 钢和铝合金3B !(的热膨胀系数随温度的变化!并实验研究了温升率对热膨胀系数的影响%"!装置介绍与测试原理"&"!实验装置!!实验中!采用工频大电流加热!我们对购置的直流电焊机进行了改装!在其两极用较粗的铜电缆与试样两端连接%在电缆和试样间设计加工了一个转接装置!以降低接触电阻%通过调节电焊机的电压可以方便地控制试件的升温速率%经过测试!试样的温升率在?!A ))W )T 之间可调控%!!我们在试件背后焊接上热电偶的正负极"热电偶是铬铝型的!正极是铬!负极是铝#!通过数字示波器记录热电偶的输出电压来获得试件的实时温度%!!实验光源是*)P0的+L >’L 激光器!运用双光束电子散斑干涉方法来测量物体在升温过程中产生的位"收稿日期!())?>)*>)A $!!修订日期!())*>)!>!A 基金项目!国家自然科学基金资助课题"!)))()(!#$国家@"?计划项目资助课题作者简介!陈思颖"!F C A *#!女!博士!研究方向为动态光学测试及图像处理% 万方数据684强激光与粒子束第16卷高略有上升。
此外,本文发展了新的图像处理方法并编制了相应的程序,改变了传统的、对变形前后散斑图像进行手动处理标识等位移线的方式,在实验中起到了关键性的作用。
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Pfecfrfci£,Department·BeijingInstituteofTechnology.Beijing100081.China;2.NationalKeyLaboratoryofNonlinearMechanics,InstituteofMechanics,theChineseAcademyofSciencesBeijing100080.China;3.Thefift,-secondInstituteofOrdnanceIndustryofChina.Baotou014034.China)Abstract:Inthispaper,thethermalexpansioneoeffieientsofLYl2and45steelindifferenttemperatuTPrisingratioareac—quiredbyelectronicspecklepatterninterferometer(ESPI).forthepictures(300~500frames)ofeachexperiment.abatchpro·cessingcodewasdesignedtoidentifythecentraIlinesautomaticallyinsteadoftheoldmanualrecognition.Afterdisplacementsandreal—timetemperaturemeasurementsobtained,thethermalexpansioncoefficientscanbededuced.Itisprovedthatinthetempera—ture-rising-ratiorangeconcernedinthispaper.thethermalexpansioncoefficientsarealmostindependenceoNtemperature-risingratiotandatthesametime,theyincreasewithinanarrowrangewhenthetemperaturerises.Keywords:Thermalexpansioncoefficient;Electronicspecklepatterninterferometry(ESPl);Temperature-risingratio。