實(shí)驗(yàn)1金屬線膨脹系數(shù)測量

金屬線膨脹系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)講義

編輯整理曾2009-9-15

（FB712型金屬線膨脹系數(shù)測定儀）浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心杭州精科儀器有限公司

型號規(guī)格

單位

數(shù)量

備注

FB712型金屬線膨脹系數(shù)測定儀

臺

1

被測件測試架

臺

1

千分表

只

1

傳感器連接線

根

2

L=80cm紅黑各一根

小漏斗

只

1

電源線

根

1

實(shí)驗(yàn)講義（說明書）

本

1

金屬線膨脹系數(shù)的測量

絕大多數(shù)物質(zhì)都具有“熱脹冷縮''的特性，這是由于物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇或減弱造成的。這個(gè)性質(zhì)在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，在機(jī)械和儀器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都應(yīng)考慮到。否則，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度?？紤]失當(dāng)，甚至?xí)斐晒こ痰膿p毀，儀器的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1、學(xué)習(xí)測量金屬線膨脹系數(shù)的一種方法。

2、學(xué)會(huì)使用千分表。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

FB712型金屬線膨脹系數(shù)測量儀實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1、圖2所示

熱水進(jìn)口

溫度傳感器信號輸出插孔

圖1金屬線膨脹系數(shù)測定儀測試架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2FB712型金屬線膨脹系數(shù)測定儀面板

【實(shí)驗(yàn)原理】材料的線膨脹是材料受熱膨脹時(shí)，在一維方向的伸長。線脹系數(shù)是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)特別是研制新材料，少不了要對材料線脹系數(shù)做測定。

固體受熱后其長度的增加稱為線膨脹。經(jīng)驗(yàn)表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，原長為L的物體，受熱后其伸長量AL與其溫度的增加量At近似成正比，與原長L亦成正比，即：

△L=a?L?△[(1)

式中的比例系數(shù)a稱為固體的線膨脹系數(shù)(簡稱線脹系數(shù))。大量實(shí)驗(yàn)表明，不同材料的線脹系數(shù)不同，塑料的線脹系數(shù)最大，金屬次之，殷鋼、熔融石英的線脹系數(shù)很小。殷鋼和石英的這一特性在精密測量儀器中有較多的應(yīng)用。

幾種材料的線脹系數(shù)

材料

銅、鐵、鋁

普通玻璃、陶瓷

殷鋼

熔凝石英

數(shù)量級

X10-5(C>1

X10-6(C>1

<2X10-6(。C>1

X10-7(C>1

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，同一材料在不同溫度區(qū)域，其線脹系數(shù)不一定相同，某些合金，在金相組織發(fā)生變化的溫度附近，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)線脹量的突變。另外還發(fā)現(xiàn)線膨脹系數(shù)與材料純度有關(guān)，某些材料摻雜后，線膨脹系數(shù)變化很大。因此測定線脹系數(shù)也是了解材料特性的一種手段。但是，在溫度變化不大的范圍內(nèi)，線脹系數(shù)仍可認(rèn)為是一常量。

為測量線脹系數(shù)，我們將材料做成條狀或桿狀。由(1)式可知，測量初始桿長L、受熱后溫度從t1升高到t2時(shí)的伸長量At和受熱前后的溫度升高量At(At=t2-t1)，則該材料在(tl,t2)溫度區(qū)域的線脹系數(shù)為：a=AL(2)

L*At

其物理意義是固體材料在(t1，t2)溫度區(qū)域內(nèi)，溫度每升高1°C時(shí)材料的相對伸長量，其單位為(°C)-1

測量線脹系數(shù)的主要問題是如何測伸長量AL。我們先粗估算一下AL的大小，若L=250mm,溫度變化t2一t1"100°C，金屬的a數(shù)量級為X10-5(C)-1，估算AL=a?L?At"0.25mm。對于這么微小的伸長量，用普通量具如鋼尺或游標(biāo)卡尺是測不準(zhǔn)的?？刹捎们Х直?分度值為

0.001mm）、讀數(shù)顯微鏡、光杠桿放大法、光學(xué)干涉法等方法測量。本實(shí)驗(yàn)就用分度值為0.001mm的千分表測量。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】

1?把樣品空心銅棒、鋁棒安裝在測試架上。在室溫下用米尺重復(fù)測量金屬桿的原有長度2?3次，記錄到表1中，求出L原有長度的平均值。

參照圖1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，連接好加熱膠管，打開電源開關(guān)，以便從儀器面板水位顯示器上觀察水位情況。水箱容積大約為750ml。

加水步驟：先打開機(jī)箱頂部的加水口和后面的溢水管口橡膠蓋，用漏斗從加水口往系統(tǒng)內(nèi)加水，管路中的氣體將從溢水管口跑出，直到系統(tǒng)的水位計(jì)僅有上方一個(gè)紅燈亮，其余都轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈時(shí)，可以先關(guān)閉溢水管口橡膠蓋。接著可以按下強(qiáng)制冷卻按鈕，讓循環(huán)水泵試運(yùn)行，由于系統(tǒng)內(nèi)可能存在大量氣泡，造成水位計(jì)顯示虛假水位，只有利用循環(huán)水泵試運(yùn)行過程，把系統(tǒng)內(nèi)氣體排出，這時(shí)候水位下降，儀器自動(dòng)保護(hù)停機(jī)。（說明：為了保護(hù)加熱器不損壞，儀器設(shè)計(jì)了自動(dòng)保護(hù)裝置，只有水位正常狀態(tài)才能啟動(dòng)加熱或強(qiáng)制冷卻裝置，系統(tǒng)水位過低、缺水將自動(dòng)停機(jī)。）因此，在虛假水位顯示已滿的情況下，可采用反復(fù)啟動(dòng)強(qiáng)制冷卻按鈕，利用循環(huán)水泵的間斷工作把管路中的空氣排除，即啟動(dòng)強(qiáng)制冷卻按鈕一自動(dòng)停機(jī)一再加水的反復(fù)過程，直到最終系統(tǒng)的水位計(jì)穩(wěn)定顯示，水位計(jì)只剩上方一個(gè)紅燈未轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈，此時(shí)必須停止加水，以防水從系統(tǒng)溢出，流淌到實(shí)驗(yàn)桌上。接下來即可進(jìn)行正常實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)水位下降，應(yīng)該適時(shí)補(bǔ)充。

設(shè)置好溫度控制器加熱溫度：金屬管加熱溫度設(shè)定值可根據(jù)金屬管所需要的實(shí)際溫度值設(shè)置。

將銅管（或鋁管）對應(yīng)的測溫傳感器信號輸出插座與測試儀的介質(zhì)溫度傳感器插座相連接。將千分尺裝在被測介質(zhì)銅管（或鋁管）的自由伸縮端固定位置上，使千分表測試端與被測介質(zhì)接觸，為了保證接觸良好，一般可使千分表初讀數(shù)為O.2mm左右，只要把該數(shù)值作為初讀數(shù)對待，不必調(diào)零。（如認(rèn)為有必要，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)表面，把千分尺主指針讀數(shù)基本調(diào)零，而副指針無調(diào)零裝置。

6?正常測量時(shí)，按下加熱按鈕（高速或低速均可，但低速檔由于功率小，一般最多只能加熱到50°C左右），觀察被測金屬管溫度的變化，直至金屬管溫度等于所需溫度值（例如35C）。溫控器設(shè)置操作方法請參看【附錄1】.

7.測量并記錄數(shù)據(jù)：.

當(dāng)被測介質(zhì)溫度為35C時(shí)，讀出千分表數(shù)值L35，記入表2中。接著在溫度為40C，45C，

50C，55C，60C,65C,70C時(shí)，記錄對應(yīng)的千分表讀數(shù)L40，L45，L50，L55，L60，L65，L70.

8?用逐差法求出溫度每升高5C金屬棒的平均伸長量，由⑵式即可求出金屬棒在（35C，70C）溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)。

【數(shù)據(jù)記錄及處理】

數(shù)據(jù)記錄1：

測量次數(shù)

1

2

3

平均值

銅棒有效長度（mm）

鋁棒有效長度（mm）

數(shù)據(jù)記錄2：

樣品溫度（C）

35

40

45

50

55

60

65

70

測銅棒千分表讀數(shù)

Li（X10-6m）

測鋁棒千分表讀數(shù)

Li（X10-6m）

用逐差法處理數(shù)據(jù)（也可以用最小二乘法處理）

計(jì)算a銅、計(jì)算a鋁

線膨脹系數(shù)X10-6(C)-1

23.8

17.1

附幾種純金屬材料的線膨脹系數(shù)：物質(zhì)名稱溫度范圍（°C）

純鋁0?100

純銅0?100

注：由于材料提煉和加工的難度，例如純鋁幾乎無法進(jìn)行機(jī)械加工，所以一般使用的材料多非純金屬，所以以上參數(shù)并非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。而實(shí)際使用的金屬材料的線膨脹系數(shù)比純金屬要小1.0%?1.5%，銅合金約為1.4X10-5（C）-1，鋁合金約為2.0X10-5（C）-1,供參考。

【思考題】

1．該實(shí)驗(yàn)的誤差來源主要有哪些?2．如何利用逐差法來處理數(shù)據(jù)?3．利用千分表讀數(shù)時(shí)應(yīng)注意哪些問題，如何消除誤差?

FB712型金屬線脹系數(shù)測定儀使用說明書

一、概述絕大多數(shù)物質(zhì)具有“熱脹冷縮”的特性，這是由于物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇或減弱造成的．這個(gè)性質(zhì)在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，在機(jī)械和儀表的制造中，在材料的加工（如焊接）中都應(yīng)考慮到，否則，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度。考慮失當(dāng)，甚至?xí)斐晒こ探Y(jié)構(gòu)的毀損，儀表的失靈以及加工焊接中的缺陷和失敗等等。

固體材料的線膨脹是材料受熱膨脹時(shí)，在一維方向上的伸長。線脹系數(shù)是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在研制新材料中，測量其線脹系數(shù)更是必不可少的。FB712型金屬線脹系數(shù)測定儀通過加熱溫度控制儀，精確地控制實(shí)驗(yàn)樣品在一定的溫度下，由千分表直接讀出實(shí)驗(yàn)樣品的微小伸長量，實(shí)現(xiàn)對金屬線脹系數(shù)測定的一種新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。

該儀器的恒溫控制由高精度數(shù)字溫度傳感器與PID智能溫度控制儀組成，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要把加熱溫度控制在室溫?80C之間。并以穩(wěn)定的加熱電壓維持實(shí)測溫度的穩(wěn)定度，由四位數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)測溫度，讀數(shù)精度為土O.1C，調(diào)節(jié)設(shè)定方便，控溫穩(wěn)定、精確。專用加熱部件的加熱電壓低速檔為：AC110V，高速檔為：AC140V。水位由7只雙色發(fā)光管指示，無水時(shí)，所有發(fā)光管發(fā)紅光，隨著水位逐步升高，對應(yīng)的發(fā)光管由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色。為了避免在系統(tǒng)缺水的情況下加熱器“干燒”，儀器設(shè)置了完善的缺水報(bào)警和保護(hù)系統(tǒng)，循環(huán)水一旦缺少，系統(tǒng)報(bào)警燈點(diǎn)亮且自動(dòng)停機(jī)。只有水量足夠時(shí)才能恢復(fù)正常。加熱按鈕按下時(shí)，強(qiáng)制冷卻被鎖住，只有按下復(fù)位鍵，先停止加熱，強(qiáng)制風(fēng)冷降溫才能起動(dòng)。在加熱或降溫工作狀態(tài)，熱水泵總是處于工作狀態(tài)。只有按復(fù)位按鈕熱水泵才停止工作。（注意：長期不用，應(yīng)從主機(jī)底部放水閥門把水放掉。）

二、用途

1、測量銅、鋁棒（管）的線膨脹系數(shù)。

2、分析影響測量精度的各種因素。

3、掌握使用千分表和溫度控制儀的操作方法。

三、技術(shù)指標(biāo)

1、溫度讀數(shù)精度：土O.1°C。

2、溫度控制穩(wěn)定度：±0.1C/10min

3、溫度設(shè)定范圍：室溫?80C，四位數(shù)碼管顯示。

4、樣品實(shí)測溫度：室溫?80C，四位數(shù)碼管顯示。

5、伸長量測量精度：0.0005mm，量程0?1mm（包括估讀位）。

6、加熱溫度控制儀使用條件：

1）輸入電源：AC220V±1.0％．50Hz

2）環(huán)境濕度：<85％

3）環(huán)境溫度：O?40C

4）最大功耗：W200W【附錄1】PID智能溫度控制器

一、該控制器是一種高性能。可靠性好的智能型調(diào)節(jié)儀表，廣泛使用于機(jī)械化工、陶瓷、輕工、冶金、熱處理等行業(yè)的溫度、流量、壓力、液位自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂破髅姘宀贾脠D：

二、具體的溫度設(shè)置步驟如下（出廠時(shí)設(shè)置溫度為80度，改設(shè)定溫度為40度）

1?先按一下“設(shè)定鍵SET"）”約0.5秒。

按“位移鍵廬）”，選擇需要調(diào)整的“位數(shù)”，數(shù)字閃爍的位數(shù)即是當(dāng)前可以進(jìn)行調(diào)整操作的

“位數(shù)"。

按“上調(diào)(▲)或“下調(diào)(▼)"確定當(dāng)前“位數(shù)值"，接著按此辦法調(diào)整，直到各位數(shù)值都滿足溫度設(shè)定要求。

再按一次“設(shè)定鍵SET”，退出設(shè)定工作程序。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中需改變溫度設(shè)定，重復(fù)以上步驟即可。操作過程可按圖4進(jìn)行。

注意：如果學(xué)生在操作時(shí)按SET鍵時(shí)間長達(dá)5秒，那么將進(jìn)入溫控器單片機(jī)第二設(shè)定區(qū)，這時(shí)，不要胡亂調(diào)節(jié)，造成溫控器不能正常工作，只要停止操作，靜等30~40秒鐘，或者再按住SET鍵5秒鐘，單片機(jī)程序會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到正常溫控狀態(tài)。

*三、如果需要進(jìn)一步了解PID智能溫控器，可參看以下單片機(jī)程序第二設(shè)定區(qū)流程圖：改變溫度上限設(shè)定值SOH數(shù)值，可直接用位移和上、下鍵修改上限設(shè)定值。

(此流程圖僅供實(shí)驗(yàn)室教師參考用)

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