干涉法测线胀系数

用迈克尔逊逊干涉仪测金属的线胀系数晏伟仁[1]物理与电子工程学院摘要材料热膨胀系数是材料的热物性之一[1]，是表征材料性质的重要特征量，尤其对材料在常温以上时线膨胀系数的测量在实际工程中更具有重要意义。

测量金属的线胀系数有多种不同的实验方法, 常用的是光杠杆法。

由于金属受热的膨胀过程是动态过程, 故此法需在动态过程中对多个数据同时进行观测, 易引起较大偶然误差, 影响了测量结果的精度。

采用迈克尔逊干涉法测量材料线膨胀系数和传统的顶杆法相比具有测量准确，测量分辨率高等优点。

关键词迈克尔逊干涉法; 线胀系数Abstract Material’s thermal expansion coefficient is the nature of material, it is mask material-nature’s important characteristic. Especially for material that measure the Line Coefficient of expansion of metal in reality has important applies in high temperature .Measure the Line Coefficient of expansion of metal has many different methods . In common use optical lever to measure it . Due to metal heated is a dynamic process , we should write down much record in this dynamic process，it is easy that cause big probable error , so use this method affect measuring-result’s precision . Take with Michelson laser interference to measure the Line Coefficient of Expansion of metal than optical lever moreaccurately, and has high precision and resolution.Key words Michelson interference；Line Coefficient of Expansion2011-12-27 科技创新实训作业[1] 晏伟仁。

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。

摘要材料的线膨胀系数是物质的基本热物理参数之一，是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标，是工程结构设计、精密仪器制造、材料加工中必须考虑的重要参数之一，在科学研究中处于重要的基础地位。

准确的测量材料线膨胀系数，对于基础科学研究、技术创新、工程应用都具有重要的意义。

热膨胀的研究发展了近300年，各种测量方法已经成熟，但人们利用新的科学技术不断改善各种装置，从而产生了一代又一代的新型测量系统。

近年来，CCD传感器技术的迅猛发展与广泛应用使线膨胀系数的在线测量成为了现实。

本文将简单介绍几种在线测量线膨胀系数的方法并通过和我国实验室所普遍采用的光杠杆法的对比实验，着重介绍一种利用等厚干涉并借助CCD电子显微镜及其显示系统在线测量金属线胀系数的新方法。

通过实验研究，该方法具有温升范围小、加热功率低、测量精度高、操作简单直观、占地空间小等优点，是一种简单实用的测量金属材料线膨胀系数的方法，具有广泛的应用前景。

关键词：线膨胀系数；等厚干涉；CCD工业相机；在线测量AbstractMaterials' coefficient of linear expansion is one of a basic thermophysical parameters,it is an important indicator that to measure the materials thermal stability is good or bad,it is one of an important parameters that must be considered in engineering structural design ,precision instrument manufacturing, materials' processing,has an important foundation position in scientific research.Accurate measurement materials' coefficient of linear expansion has important significance in basic scientific research, technological innovation and application. The research of thermal expansion developed nearly 300 years, various measurement methods have mature, but people use new science and technology improve various devices, and resulting generation after generation of new measurement system produced.In recent years, the rapid development and widely used of CCD sensor technology made measure the coefficient of linear expansion online became a reality.This article will briefly introduces several online measurement method of linear expansion coefficient,through comparison with widely used laboratory optical lever method introduced a new method to online measuring linear expansion coefficient by using the equal thickness interference method, CCD electron microscope and display system.Through the experimental research, this method has advantages of temperature range,low heating power, high accuracy, easy operation, small space, it is a simple and practical measurement metal material linear expansion coefficient method, it has a broad prospect of application.Key words：Coefficient of Linear Thermal Expansion；Optical interference thickness；CCD Industrial Cameras；Online Survey目录摘要 ................................................................................................................................................ １ABSTRACT ................................................................................................................................... ２第一章绪论 ................................................................................................................................ ４1.1热膨胀系数的定义 ............................................................................................................ ４1.2热膨胀测量的发展 ............................................................................................................ ５1.3热膨胀测量的意义 ............................................................................................................ ８第二章常见的几种测量线膨胀系数的方法......................................................................... １０2.1单缝衍射法...................................................................................................................... １０2.1.1 基本原理................................................................................................................... １０2.1.2 实验装置和方法....................................................................................................... １１2.2激光衍射法...................................................................................................................... １３2.2.1 基本原理................................................................................................................... １３2.2.2 实验装置和方法....................................................................................................... １３2.3激光干涉法 .................................................................................................................... １４2.3.1 基本原理................................................................................................................... １４2.3.2 实验装置................................................................................................................... １５第三章金属线胀系数的光干涉法和光杠杆法测量研究..................................................... １８3.1光杠杆法 ........................................................................................................................ １８3.1.1 基本原理................................................................................................................. １８3.1.2 实验装置及内容..................................................................................................... １８3.1.3 数据处理及分析..................................................................................................... ２０3.2等厚干涉法 .................................................................................................................... ２１3.2.1 基本原理................................................................................................................. ２１3.2.2 实验装置................................................................................................................. ２２3.2.3 CCD传感器 ........................................................................................................... ２４3.2.4 实验方法及内容..................................................................................................... ２４3.2.5 图像处理及数据采集............................................................................................. ２５3.2.6 数据处理及分析..................................................................................................... ２６3.3主要结论和创新点.......................................................................................................... ２６参考文献 .................................................................................................................................... ２９附录一 ........................................................................................................................................ ３０附录二 ........................................................................................................................................ ３９致谢 ............................................................................................................................................ ４８第一章 绪论1.1 热膨胀系数的定义通常将材料因受热膨胀而使其长度产生变化的现象叫金属的线性膨胀，将材料由于受热膨胀而引起的在一维方向上的长度变化称之为材料的线膨胀系数。

第29卷第6期2016年12月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEYol.29 No.6Dec.2016文章编号：1007-2934(2016)06-0081-02用迈克尔逊干涉仪测量金属的线膨胀系数侯俊江，崔景闯，林峰，林上金*，胡澄(解放军理工大学，江苏南京211101)摘要：将迈克尔逊干涉仪的精确测量和金属线膨胀系数的PID温度控制测量方法相结合，被测金属样品被加热后会发生长度的变化，从带动镜面产生微小移动，进而引起迈克尔逊光路中两束光的光程差的改变，通过干涉条纹记录温度变化时干涉条纹的变化数量，以实现对金属热胀系数的精确测量。

关键词：迈克尔逊干涉仪;线胀系数;测量中图分类号：TP212.6 文献标志码：A D〇l:10.14139/22-1228.2016.006.021线膨胀系数是表征物体热胀冷缩程度的物理 量，它仅与材料的性质有关，可以用多种方法测量 金属线膨胀系数[1-5]。

测量金属线膨胀系数的关 键是加热方式、温度控制和微小位移测量，本文利 用迈克尔逊干涉仪和金属线膨胀系数的P I D温 度控制测量方法相结合，通过P I D控制原理实现 对被测金属样品温度的精细控制，并使被测金属 样品被加热后发生长度的变化，带动镜面产生微 小移动，进而引起迈克尔逊光路中两束光的光程 差的改变，通过干涉条纹记录温度变化时干涉条 纹的变化数量，以实现对金属热胀系数的精确 测量。

1实验装置与实验原理1.1实验装置实验装置如图1所示。

待测金属样品（紫铜管）与P I D温控仪连通; 水泵提供循环水流，可加热和保温，它的自由端上 固定反射镜2,金属样品长度的变化，将带动镜面 移动，导致迈克尔逊光路中两束光的光程差的改 变，进而引起干涉条纹的变化。

1.2实验原理(1)金属线膨胀系数当固体温度升高时，晶格中质点运动加剧，相 邻质点间平均距离增加，以致晶胞参数增大，固体 膨胀。