線膨脹系數(shù)測(cè)定

（FB712型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀絕大多數(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。考慮失當(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?.學(xué)習(xí)并掌握測(cè)量金屬線膨脹系數(shù)的一種方法。2?學(xué)會(huì)用千分表測(cè)量長(zhǎng)度的微小增量?！緦?shí)驗(yàn)儀器】千分尺QDDlmm熱水出口A濫度傳感器“銅棒或鋁棒（空心）議水進(jìn)口千分尺QDDlmm熱水出口A濫度傳感器“銅棒或鋁棒（空心）議水進(jìn)口銅棒鋁棒羯度傳感器信號(hào)輸出插座圖1金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試架結(jié)構(gòu)示意圖FB712型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示:圧廠；型金屬線膨張系數(shù)漑定儀坑州赭科儀躋亦踐必羔制適圧廠；型金屬線膨張系數(shù)漑定儀坑州赭科儀躋亦踐必羔制適^2FB-12型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定牧面檢圖【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(zhǎng)。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(duì)材料線脹系數(shù)做測(cè)定。固體受熱后其長(zhǎng)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(zhǎng)關(guān)L的物體，受熱后其伸長(zhǎng)量AL與其溫度的增加量At近似成正比，與原長(zhǎng)L亦成正比，即：AL=a?L?At （1）式中的比例系數(shù)a稱為固體的線膨脹系數(shù)（簡(jiǎn)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(cè)量?jī)x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(jí)x10-5(°C)-1x10-6(°C)-1<2x10-6(°CLx10-7(°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(cè)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(cè)量線脹系數(shù)，我們將材料做成條狀或桿狀。由（1）式可知，測(cè)量出時(shí)桿長(zhǎng)L、受熱后溫度從ti升高到t2時(shí)的伸長(zhǎng)量AL和受熱前后的溫度升高量At（At二t2-ti），則該材料在（ti，t2）溫度區(qū)域的線脹系數(shù)為：2）AL2）其物理意義是固體材料在G,t）溫度區(qū)域內(nèi)，溫度每升高一度時(shí)材料的相對(duì)伸長(zhǎng)12量，其單位為（°C）i。測(cè)量線脹系數(shù)的主要問(wèn)題是如何測(cè)伸長(zhǎng)量AL。我們先粗估算一下AL的大小，若L二250mm，溫度變化t-1沁100°C，金屬的a數(shù)量級(jí)為x10-5（°C）-1，估算21AL= L?At沁0.25mm。對(duì)于這么微小的伸長(zhǎng)量，用普通量具如鋼尺或游標(biāo)卡尺是測(cè)不準(zhǔn)的。可采用千分表（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。本實(shí)驗(yàn)就用千分表分度值為0.001mm千分表測(cè)微小的線脹量。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】1．把樣品空心銅棒、鋁棒安裝在測(cè)試架上。在室溫下用米尺重復(fù)測(cè)量金屬桿的原有長(zhǎng)度2?3次，記錄到表1中，求出L原有長(zhǎng)度的平均值。2．參照?qǐng)D1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，連接好加熱皮管，打開(kāi)電源開(kāi)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(kāi)機(jī)箱頂部的加水口和后面的溢水管口塑料蓋，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)閉溢水管口塑料蓋。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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(lái)即可進(jìn)行正常實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水位下降，應(yīng)該適時(shí)補(bǔ)充。4．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。5．將銅管（或鋁管）對(duì)應(yīng)的測(cè)溫傳感器信號(hào)輸出插座與測(cè)試儀的介質(zhì)溫度傳感器插座相連接。將千分尺裝在被測(cè)介質(zhì)銅管（或鋁管）的自由伸縮端固定位置上，使千分表測(cè)試端與被測(cè)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0.2mm左右，只要把該數(shù)值作為初讀數(shù)對(duì)待，不必調(diào)零。（如認(rèn)為有必要，可以通過(guò)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(wú)調(diào)零裝置。）．正常測(cè)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(cè)金屬管溫度的變化，直至金屬管溫度等于所需溫度值（例如35°C）。溫控器設(shè)置操作方法請(qǐng)參看【附錄1】?．測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度為35°C時(shí)，讀出千分表數(shù)值L35，記入表2中。接著在溫度為40oC,45°C,50°C,55°C,60°C,65°C,70oC時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)的千分表讀數(shù)L,L,L606570L,L,L,LL,L,L60657040455055由(2)式即可求出金屬棒在.用逐差法求出溫度每升高5°由(2)式即可求出金屬棒在(35°C,70°C)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：注意：有效長(zhǎng)度應(yīng)等于總長(zhǎng)度減去固定螺釘外的一小段(約5mm左右)。測(cè)量次數(shù)123平均值銅棒有效長(zhǎng)度(mm)鋁棒有效長(zhǎng)度(mm)數(shù)據(jù)記錄2：樣品溫度(°C)3540455055606570測(cè)銅棒千分表讀數(shù)Lx10-6m丿i測(cè)鋁棒千分表讀數(shù)LX10-6m)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鋁附幾種純金屬材料的線膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)X10-6(線膨脹系數(shù)X10-6(°C)-1純鋁 0~100 23.8純銅 0~100 17.1注：由于材料提煉和加工的難度，例如純鋁幾乎無(wú)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10%?15%，銅合金約為1.4X10-5(°C)-1，鋁合金約為2.0X10-5(°C)-1，供參考?！舅伎碱}】1．該實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源主要有哪些？2．如何利用逐差法來(lái)處理數(shù)據(jù)？3．利用千分表讀數(shù)時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題，如何消除誤差？FB712型金屬線脹系數(shù)測(cè)定儀使用說(shuō)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(zhǎng)。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(cè)量其線脹系數(shù)更是必不可少的。FB712型金屬線脹系數(shù)測(cè)定儀通過(guò)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(zhǎng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬線脹系數(shù)測(cè)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?80°C之間。并以穩(wěn)定的加熱電壓維持實(shí)測(cè)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(cè)溫度，讀數(shù)精度為土0.1°C，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(wú)水時(shí),所有發(fā)光管發(fā)紅光，隨著水位逐步升高，對(duì)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(zhǎng)期不用，應(yīng)從主機(jī)底部放水閥門把水放掉。）二、用途1．測(cè)量銅、鋁棒（管）的線膨脹系數(shù)。2．分析影響測(cè)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0.1°C。溫度控制穩(wěn)定度：土0.1°C/10min。溫度設(shè)定范圍：室溫~80°C，四位數(shù)碼管顯示。樣品實(shí)測(cè)溫度：室溫?80°C，四位數(shù)碼管顯示。伸長(zhǎng)量測(cè)量精度：0.0005mm,量程0?1mm（包括估讀位）。加熱溫度控制儀使用條件：輸入電源：AC220V土10%,50Hz環(huán)境濕度：＜85%環(huán)境溫度：0?40°C最大功耗：＜200W【附錄1】PID智能溫度控制器1.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)。控制器面板布置圖:圏3PID猛控器面板布置2?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)：先按一下“設(shè)定鍵SET(福)”約0.5秒。按“位移鍵(卜)”，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)(厶)”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(guò)程可按圖4進(jìn)行。J找器出廠時(shí)設(shè)置并顯示實(shí)測(cè)溫度A OUT膽[]PV]SP2-J找器出廠時(shí)設(shè)置并顯示實(shí)測(cè)溫度A OUT膽[]PV]SP2-按SET(^)05秒進(jìn)人羯度設(shè)置HolT1叩皿PV]SP3按調(diào)整住迭擇鍵*濟(jì)上調(diào)U)、

下調(diào)CT)鍵設(shè)置加堀隘度4U度|DHD-D|SPA°Q￥■PVHo-nSP4.按SET(A)0^秒退出設(shè)置進(jìn)入溫控圏4ITO遍捱器從正蒂溫?fù)I狀態(tài)設(shè)置溫度揑制值說(shuō)程圖注意：如果學(xué)生在操作時(shí)按SET鍵時(shí)間長(zhǎng)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)。*3。若需要進(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，)1,儀韭出廠時(shí)設(shè)置并顯示實(shí)側(cè)溫度5.SSET&)0.5WA微分時(shí)間設(shè)定g.ftSETffi)0-5秒進(jìn)入OUT窗ATEEK[WTOUT

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AT3OUTATA◎DDI-D2.按SETX10.賈進(jìn)入第二設(shè)定區(qū)￡.SSET^)0.5抄注入開(kāi)關(guān)債期設(shè)足io.IfllK作激ifi出第二設(shè)定區(qū)第EB□譏?畫硏PVOUT第EB□譏?畫硏PVOUT尋ATFV弋◎3.按ST1)0.5秒進(jìn)人比例帯設(shè)定丁按巫丁軌.十秒進(jìn)OUTAT叩即SFSFOUT3ATOUTAT叩即SFSFOUT3AT0-0(設(shè)定窗口顯砌1表示AT_ft許I設(shè)定窗口顯示汕表示關(guān)氐hT4.按SE7^)0.昭進(jìn)湘分時(shí)間設(shè)定8.gSETH)D.￡秒進(jìn)人參數(shù)允許設(shè)定OUT■1PV險(xiǎn)AT 』OUT■1PV險(xiǎn)AT 』“DI3-D