[发明专利]利用单缝衍射测材料热膨胀系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料热膨胀系数的检测装置，特别是一种利用单缝衍射测材料热膨胀系数的装置，以及利用该装置对材料进行热膨胀系数测算的方法。

背景技术

热膨胀系数是描述固体材料在温度变化下发生形变的重要物理量。是工程技术、科学研究中常用的物理量。热膨胀系数的测量也是大学物理实验中经典实验之一。

现有技术中热膨胀系数的测量主要有：光杠杆法、移侧显微镜法等。在一些测试、特别是大学物理实验中，现有的热膨胀系数测量方法主要是光杠杆法。光杠杆的测量装置主要由尺读望远镜、米尺、固体线膨胀系数测试仪、铜棒、光杠杆、温度计等构成。测量过程中通过调节使得观测者能够从望远镜中清晰的看到标尺的像，然后逐渐升高温度使金属棒受热膨胀，通过金属棒伸长的微小长度、小反射平面镜转过的角度及望远镜像中标尺读数差的关系得到金属棒的热膨胀系数。该测量方法和装置存在以下的缺点：它是将微小的长度变化通过光杠杆法进行放大后进行测定，因此通过望远镜看平面镜中标尺像时会出现像难以调节的问题；传统的测量中，是将非竖直平面的光路近似看成是同一竖直平面的光路，存在一定的误差；标尺的读数是通过望远镜观测到的，观察时会产生视觉差，标尺的精确度较低。为了解决上述问题，现在有利用单缝衍射原理来测量来料的热膨胀系数的论文及专利，但这些技术仍然存在一定的问题，问题之一就是在进行观察时引起视觉差以及通过人为调节金属棒会导致误差。因此现在需要一种能够解决上述问题的装置或方法，来准确测量金属棒的热膨胀系数。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种结构简单，设计巧妙，工艺简单，制造成本低廉、误差小的利用单缝衍射测材料热膨胀系数的装置，以及利用该装置对材料进行热膨胀系数测算的方法。

本发明的技术解决方案是：一种利用单缝衍射测材料热膨胀系数的装置，其特征在于：所述的装置包括激光器1，与激光器相配有单缝装置2，与单缝装置2相配有观测装置3，

所述的单缝装置包括两个对称设置的壳体4，壳体4内设置有加热筒5，加热筒5的夹层中设置有电阻丝6，在加热筒5内设置有待测金属棒7，待测金属棒7的一端通过绝热连接件8与刀片9相连，而两个刀片9之间形成水平分布的单缝，在壳体4内还设置有温度传感器10，温度传感器10与待测金属棒7接触，且温度传感器10还通过导线与温度测控仪11相连，

所述的观测装置3包括遮光筒12，遮光筒12的末端设置有光信号接受屏13，在光信号接受屏13上设置有CCD数据处理模块14，所述的CCD数据处理模块14通过导线与计算机15相连，

所述的绝热连接件8包括一个由绝热材料制成的框架16，框架16的一端设置有与待测金属棒7的端部相配的连接套17，在框架16内滑动连接有刀片连接架18，并且在刀片连接架18上还螺纹连接有锁紧螺栓19，刀片连接架18的端部与刀片9相连。

利用如上所述的利用单缝衍射测材料热膨胀系数的装置测材料热膨胀系数的方法，其特征在于：所述的方法按照以下步骤进行：

a、将两个完全相同的待测金属棒7分别置于两个壳体4中的加热筒5中，待测金属棒7的长度为L、直径为d，并在每个待测金属棒7的端头处通过绝热连接件8连接刀片9，

b、根据需要的缝隙的宽度来调节绝热连接件8，保证两个刀片9之间的缝隙的宽度为b，单个待测金属棒7受热后其热膨胀变化量为，该缝隙至光信号接受屏13之间的距离为，启动激光器1，激光经过两个刀片9之间的缝隙后，经过遮光筒12后会在光信号接受屏13上产生衍射条纹，在CCD数据处理模块14的作用下，将光信号转化为电信号，并在计算机15的显示屏上显示光强分布曲线，

c、同时控制两套电阻丝6工作，对待测金属棒7加热，待测金属棒7受热膨胀后其长度发生变化，驱动两个刀片9在纵向上位移，导致缝隙的宽度发生变化，

d、CCD数据处理模块14对光信号进行处理，并在计算机15的显示屏上显示光强分布曲线，选定同一侧的条纹级数m、n，记录此时温度和峰值坐标及条纹间距，每过10度，记录温度以及峰值坐标及条纹之间的间距，

e、激光器1产生的激光的波长为λ，将上述的、、、、、m、n、λ和、代入公式：

，

计算出待测金属棒的热膨胀系数。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：