
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文檔簡(jiǎn)介
1、什么是線膨脹系數(shù)一般指由于外界溫度、壓力(主要指溫度)變化時(shí),物體的線性尺寸隨溫度、壓力(主要指溫度)的變化率。如鐵溫度每升高1度,長(zhǎng)或?qū)捇蚋叱叽缭黾?2X10八-6,即增加0.0012%。對(duì)應(yīng)地還有體膨脹系數(shù),即物體的體積隨溫度的變化率。對(duì)于各向同性的物體,線膨脹系數(shù)較小時(shí),體膨脹系數(shù)是線膨脹系數(shù)的3倍略多一點(diǎn)。金屬材料線膨脹系數(shù)的測(cè)量線膨脹系數(shù)在數(shù)值上等于當(dāng)溫度升高1C時(shí)固體材料單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。對(duì)于不同的物質(zhì),線膨脹系數(shù)不同。一般來(lái)說(shuō),塑料的線膨脹系數(shù)較大,金屬的次之,熔凝石英的較小。常見幾種材料的線膨脹系數(shù)的數(shù)量級(jí)物質(zhì)在一定的溫度和壓力下具有一定的體積。溫度變化時(shí),物質(zhì)的體積亦相應(yīng)地變
2、化。物質(zhì)的體積隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。物質(zhì)的熱膨脹是由于構(gòu)成物質(zhì)的原子間的平均距離隨溫度升高而增大造成的。物質(zhì)的熱膨脹性質(zhì)與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、鍵型、鍵力、比熱容、熔點(diǎn)等密切相關(guān)。因此,不同的物質(zhì)或者組成相同結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì),具有不同的熱膨脹性質(zhì),常用體積膨脹系數(shù)這一物理量來(lái)表征物質(zhì)的不同熱膨脹性質(zhì)。固體材料在一維方向上的熱膨脹伸長(zhǎng)稱為線膨脹,用線膨脹系數(shù)來(lái)描述不同物質(zhì)的線膨脹特性。物體的熱膨脹性質(zhì)反映了材料本身的屬性,測(cè)量材料的線膨脹系數(shù),不僅對(duì)新材料的研制具有重要意義,而且也是選用材料的重要指標(biāo)之一。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如橋梁、鐵路軌道、電纜工程等)、機(jī)械和儀表的制造、材料的加工和焊接等過(guò)程中
3、都必須考慮材料的熱膨脹特性。材料的熱膨脹特性也有許多有利方面的應(yīng)用,如液體溫度計(jì)、噴墨打印機(jī)等等。在測(cè)量材料線膨脹系數(shù)的常用方法中,關(guān)鍵是測(cè)量材料受熱膨脹后的微小長(zhǎng)度伸長(zhǎng)量。這一微小長(zhǎng)度變化量用一般的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器很難測(cè)準(zhǔn),一般需要采用放大測(cè)量方法、借助測(cè)微裝置或儀器來(lái)測(cè)量,如光杠桿光學(xué)放大法、千分尺螺旋放大法、光學(xué)干涉法等本實(shí)驗(yàn)采用非電量電測(cè)法通過(guò)霍爾位移傳感器測(cè)量微小的長(zhǎng)度變化。預(yù)習(xí)提示】1什么是線膨脹系數(shù)?測(cè)量線膨脹系數(shù)需要測(cè)量哪些相關(guān)物理量?2霍爾位移傳感器的基本工作原理是什么?3什么是定標(biāo)?4怎樣設(shè)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表?實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?掌握測(cè)量線膨脹系數(shù)的基本原理。2了解非電量電測(cè)法的一些基本
4、概念和基本方法。3學(xué)習(xí)用霍爾位移傳感器測(cè)量微小長(zhǎng)度變化量的原理和方法實(shí)驗(yàn)原理】1線膨脹系數(shù)的測(cè)量原理固體材料在一維方向上的熱膨脹伸長(zhǎng)稱為線膨脹。實(shí)驗(yàn)表明,在一定溫度范圍內(nèi),熱膨脹后的長(zhǎng)度由溫度的增加量、物體的材料性質(zhì)、物體原有的長(zhǎng)度三個(gè)因素決定,可近似地表示為0)1)式中是物體在溫度為t時(shí)的長(zhǎng)度,Lo是物體在溫度為to時(shí)的長(zhǎng)度,稱為物體的線膨脹系數(shù)。由式(1)可得LLALt0=L(tt)L(tt)(2)0000(2)根據(jù)式(2)可知,線膨脹系數(shù)a在數(shù)值上等于當(dāng)溫度升高1C時(shí)固體材料單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。對(duì)于不同的物質(zhì),線膨脹系數(shù)不同。一般來(lái)說(shuō),塑料的線膨脹系數(shù)較大,金屬的次之,熔凝石英的較小。常見
5、幾種材料的線膨脹系數(shù)的數(shù)量級(jí)如表1所示。表1常見幾種材料線膨脹系數(shù)的數(shù)量級(jí)材料名稱銅、鐵、鋁普通玻璃、陶瓷因瓦合金熔凝石英a的數(shù)量級(jí)/C-1約10-5約10-610-6約10-7實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),同一材料在不同的溫度區(qū)域線膨脹系數(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)出現(xiàn)線膨脹量的突變。因此,測(cè)量線膨脹系數(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),一般情況下可以認(rèn)為線膨脹系數(shù)是一常量。由式(2)可知,若實(shí)驗(yàn)測(cè)定了材料在溫度為氣時(shí)的長(zhǎng)度、溫度的增加量(t-G)和相應(yīng)的長(zhǎng)度變化量AL,便可以求出材料在這一溫度區(qū)域的線膨脹系數(shù)a。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量銅棒的線膨脹系數(shù),在溫度變化不大
6、時(shí),如小于100C,銅棒的長(zhǎng)度增加量很小,所以需要比較精密的儀器來(lái)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中采用非電量電測(cè)法通過(guò)霍爾位移傳感器來(lái)測(cè)量微小的長(zhǎng)度變化。2霍爾位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理根據(jù)霍爾效應(yīng)可知,霍爾元件處于方向平行于霍爾元件法線方向磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,當(dāng)工作電流為I時(shí),產(chǎn)生的霍爾電壓日為UH=KHIB(3)式(3)中Kh為霍爾元件的靈敏度,單位一般選用mV/(mAT)。dB霍爾位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,霍爾元件在均勻梯度忑的磁場(chǎng)內(nèi)移動(dòng),保持工作電流I不變,移動(dòng)方向平行于磁感應(yīng)強(qiáng)度方向即霍爾元件的法線方向,若霍爾元件相對(duì)于參考位置的位移量為Az,則輸出的霍爾電壓相對(duì)于某一參考值的變化量AUh
7、為4)AUh由式(4)可知,霍爾電壓的變化量AUh與位移Az成正比,可以表示為AuH=KAz(5)K=KIdB式中Hdz稱為霍爾位移傳感器的測(cè)量?jī)x器靈敏度,常用單位是mV/mm。因此,采用霍爾位移傳感器,通過(guò)測(cè)量霍爾電壓的變化量可以測(cè)量位移量,從而實(shí)現(xiàn)微小長(zhǎng)度變化量的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)均勻梯度的磁場(chǎng),磁路設(shè)計(jì)可以采用多種形式,實(shí)驗(yàn)中采用圖1所示的方式。用兩塊外形尺寸和極面磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的永久磁體,同極性相對(duì)放置,霍爾元件位于兩磁體之間,可沿z軸移動(dòng)。在圖1中A處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,作為位移參考零點(diǎn),對(duì)應(yīng)的霍爾電壓Uh=0;當(dāng)霍爾元件相對(duì)于A點(diǎn)發(fā)生位移時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度不再為零,霍爾元件也就有相應(yīng)的電壓輸
8、出,靜態(tài)特性輸出曲線如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)位移小于2mm時(shí),輸出的霍爾電壓與位移之間具有良好的線性關(guān)系。理論和實(shí)驗(yàn)證明,磁場(chǎng)梯度越大,測(cè)量靈敏度就越高;磁場(chǎng)梯度越均勻,線性度就越好。當(dāng)磁體極面磁感應(yīng)強(qiáng)度確定后,磁場(chǎng)梯度決定于磁體間隙,為獲得較高的梯度,磁體間隙一般較小,實(shí)驗(yàn)中磁體間隙為10mm?;魻栐涡◇w輕,霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間短,所以霍爾位移傳感器具有慣性小、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中。圖1霍爾位移傳感器結(jié)構(gòu)【實(shí)驗(yàn)器材】1線膨脹系數(shù)測(cè)量?jī)x線膨脹系數(shù)測(cè)量?jī)x原理如圖3所示。在圖3(a)中,待測(cè)樣品(金屬棒)放置于熱管S中,S由P、P2支架固定在底座上,T是溫度計(jì)。樣品的一
9、端與F相接,另一端通過(guò)隔熱材料與滑塊B相連。H為霍爾元件,固定在B上,并處于由磁體D形成的梯度磁場(chǎng)內(nèi)。E為螺旋測(cè)微裝置,可推動(dòng)磁體D移動(dòng),用于儀器定標(biāo)。2穩(wěn)壓電源、滑線變阻器、mA表、開關(guān)、導(dǎo)線、數(shù)字電壓表如圖3(b)所示,穩(wěn)壓電源、滑線變阻器、mA表、開關(guān)、導(dǎo)線、數(shù)字電壓表等組成測(cè)量電路,測(cè)量霍爾電壓。3蒸汽發(fā)生器蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽,加熱被測(cè)樣品。4溫度計(jì)溫度計(jì)測(cè)量被測(cè)樣品溫度?!緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】一必做部分1儀器的定標(biāo)根據(jù)圖3(b)連接電路,調(diào)節(jié)R,使霍爾元件的工作電流為10mA,并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持不變。打開電壓表,轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微裝置E,使電壓表示數(shù)為零,此時(shí)霍爾元件處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0的
10、中間位置,即位移的參考零點(diǎn)。從位移參考零點(diǎn)開始,分別向兩端精確調(diào)節(jié)E,改變位移量。在位移Az=-2mm+2mm范圍選取10個(gè)以上測(cè)量點(diǎn),記錄移動(dòng)的距離以及相應(yīng)電壓表的示數(shù)。2蒸汽加熱法測(cè)量銅棒的線膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)E,使電壓表示數(shù)為零,此時(shí)記錄銅棒的初溫to(由溫度計(jì)T讀出)和原長(zhǎng)Lo以及電壓表的示數(shù)UH0。通蒸汽進(jìn)入熱管S中加熱銅棒,觀察熱膨脹現(xiàn)象。隨著溫度的升高,銅棒膨脹,推動(dòng)滑塊B,使霍爾元件H在磁場(chǎng)中移動(dòng),電壓表的讀數(shù)發(fā)生變化,動(dòng)態(tài)地顯示銅棒熱膨脹過(guò)程。待銅棒的溫度穩(wěn)定后,此時(shí)記錄溫度t及電壓表讀數(shù)Uh。3電加熱法測(cè)量銅棒的線膨脹系數(shù)調(diào)節(jié)E,使電壓表示數(shù)為零,此時(shí)記錄銅棒的初溫to(由溫度計(jì)
11、T讀出)和原長(zhǎng)Lo以及電壓表的示數(shù)Uho。接通電加熱裝置的電源,開始加熱銅棒,觀察熱膨脹現(xiàn)象。隨著溫度的升高,銅棒膨脹,推動(dòng)滑塊B,使霍爾元件H在磁場(chǎng)中移動(dòng),電壓表的讀數(shù)發(fā)生變化,動(dòng)態(tài)地顯示銅棒熱膨脹過(guò)程。調(diào)節(jié)加熱電壓使銅棒溫度升高的速度適中,溫度t每隔ioC,記錄一次電壓表讀數(shù)Uh。二選做部分設(shè)計(jì)性內(nèi)容1設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)利用光杠桿測(cè)量固體材料線膨脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)利用電容傳感器測(cè)量固體材料線膨脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案。2設(shè)計(jì)要求(1)闡述基本實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法;(2)說(shuō)明基本實(shí)驗(yàn)步驟;(3)進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量;說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法,給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果?!咀⒁馐马?xiàng)】1儀器的調(diào)節(jié)都有一定的范圍,操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照教師
12、或說(shuō)明書的要求進(jìn)行,以免損壞儀器。霍爾元件的工作電流不要超過(guò)10mA,電流過(guò)大容易損壞霍爾元件。工作電流要在定標(biāo)和測(cè)量過(guò)程中始終保持不變。電爐通電前要仔細(xì)檢查,電線和蒸汽管線等要遠(yuǎn)離電爐,注意安全。銅棒加熱時(shí)不要用手觸摸玻璃管,以免燙傷。測(cè)量過(guò)程中要保持銅棒的位置不動(dòng)?!緮?shù)據(jù)記錄與處理】根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格,列表記錄和處理數(shù)據(jù)。作auhAz曲線,求出儀器靈敏度K蒸汽加熱法測(cè)量銅棒的線膨脹系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由式(5)和式(2)計(jì)算出銅的線膨脹系數(shù)Q,估算不確定度aa,完整表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電加熱法測(cè)量銅棒的線膨脹系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用逐差法或最小二乘法或作圖AUH法計(jì)算出單位溫度變化的電壓變化量即At,由式(5)和式(2)計(jì)算出銅的線膨脹系數(shù)估算不確定度ca,完整表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果?!舅伎寂c討論】測(cè)量線膨脹系數(shù)的基本原理是什么?什么是霍爾效應(yīng)?霍爾位移傳感器是如何實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的?實(shí)驗(yàn)中為什么要先給霍爾位移傳感器定標(biāo)?如何給霍爾位移傳感器定標(biāo)?實(shí)驗(yàn)中霍爾位移傳感器的工作電流為什么要保持不變?本實(shí)驗(yàn)可以采用哪些處理數(shù)據(jù)方法計(jì)算儀器的靈敏度?各種數(shù)據(jù)處理方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)各有什么要求?試分析影響本實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度的主要因素?!靖戒?】TH-V型直流數(shù)字電壓表使用說(shuō)明供電電源220V、50Hz,電源進(jìn)線為單相三線。電壓表量程
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