一种温控式金属线胀系数测量设备的制作方法

本发明涉及金属热膨胀测量技术领域，具体涉及一种温控式金属线胀系数测量设备。

背景技术：

“热胀冷缩”是许多物体都具有的特性，是由于物体内部分子热运动加剧或减弱从而使物质分子平均艰巨变大或变小造成的，热膨胀虽然不大，但可以产生很大的应力。因此，在工程设计、机械制造以及材料加工等过程中都要充分考虑。

一般情况，固体在各个方向上的膨胀规律相同，因此可以用固体在一个方向上的线膨胀规律来表征它的体膨胀。现有的对金属线胀系数的测量以及控制电路都存在较大的问题，测量时主要通过水银温度计和尺度望远镜来对金属管的温度和加热时的位移进行测量，而控制电路主要通过调节晶闸管的导通角来实现加热的快慢，并不能使得温度恒定在某一温度，进行测量时，实验数据范围比较窄，同时在使用电加热法进行加热时，还存在温度不能控制，水银温度计所读取的温度具有很大的误差、以及测量范围比较窄，通过望远镜和温度计的读数不能同时读取，测量数据不能进行有效的保存等一系列的缺陷。

技术实现要素：

发明目的：为解决背景技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种温控式金属线胀系数测量设备。

技术方案：一种温控式金属线胀系数测量设备，包括底座、第一支撑杆、光杠杆系统、散热外筒、加热板、储水室以及操作台，所述操作台包括显示器、处理器、驱动装置以及存储装置，所述处理器分别与所述驱动装置、所述存储装置以及所述显示器连接，所述存储装置用于存储测量数据，所述显示器用于显示所述测量数据以及计算结果，所述第一支撑杆与所述底座连接，所述第一支撑杆包括电动取物夹，所述电动取物夹与所述驱动装置连接，用于夹取被测物体，将所述被测物体置于所述储水室中加热，所述储水室位于所述散热外筒内部，包括第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述处理器连接，用于检测所述储水室内液体的温度并将其发送给所述处理器，所述加热板位于所述储水室与所述散热外筒之间，所述加热板与所述驱动装置连接，用于加热所述储水室内的液体，通过加热所述液体实现对所述被测物体的间接加热，所述光杠杆系统包括第二支撑杆、杠杆、平面镜、激光发射器、望远镜以及标尺，所述第二支撑杆与所述底座连接，所述杠杆的一端与所述第二支撑杆连接，另一端与被测物体的上表面接触，所述平面镜与所述杠杆连接，所述平面镜的镜面与所述激光发射器以及所述标尺相互对立，所述激光发射器与所述驱动装置连接，用于向所述平面镜发射水平激光，所述标尺用于接收所述平面镜反射的激光，所述处理器通过所述标尺上刻度的变化计算所述被测物体加热后的形变量，所述望远镜用于在远距离观察所述标尺的刻度。

作为本发明的一种优选方式，所述操作台还包括加热控制器，所述加热控制器与所述处理器连接，用于控制所述加热板的输出温度。

作为本发明的一种优选方式，所述散热外筒底部也设置有加热板，内部设置有若干导热金属丝，所述导热金属丝与所述加热板连接。

作为本发明的一种优选方式，所述储水室内的液体包括蒸馏水或甲基硅油或沙。

作为本发明的一种优选方式，所述杠杆设置为l型，包括竖直部分以及水平部分，所述竖直部分与所述水平部分保持垂直。

作为本发明的一种优选方式，所述杠杆与所述第二支撑杆固定连接，连接处设置有旋转连接轴，所述杠杆可通过所述旋转连接轴在竖直方向旋转。

作为本发明的一种优选方式，所述第一支撑杆包括第一激光测距仪以及第二激光测距仪，所述第一激光测距仪以及所述第二激光测距仪分别与所述处理器连接。

作为本发明的一种优选方式，所述杠杆的水平部分开设有两个槽孔，所述两个槽孔分别与所述第一激光测距仪以及所述第二激光测距仪对应，当所述第一激光测距仪以及所述第二激光测距仪的测量值相同时再进行加热。

作为本发明的一种优选方式，所述第一支撑杆还包括直线导轨以及电动滑块，所述直线导轨位于所述储水室上方，所述电动滑块与所述电动取物夹连接，由所述驱动装置驱动，用于控制所述被测物体的升降高度。

作为本发明的一种优选方式，所述电动取物夹包括第二温度传感器，所述第二温度传感器位于所述电动取物夹内侧，与所述处理器连接，用于检测所述被测物体的温度并将其发送给所述处理器。

本发明实现以下有益效果：

本发明提供的温控式金属线胀系数测量设备摒弃了传统地直接采用加热器材对被测物体进行加热的方式，利用水浴加热的方法对所述被测物体进行间接加热，水浴加热的方式能够使所述被测物体受热均匀，不容易改变被测物体的金属特性，并且加热的速度比直接加热的缓慢，更容易观察标尺刻度的变化，减小实验误差；除了使用金属板加热外，在散热外筒内部设置有若干导热金属丝，加快了加热速度也减小了储水室内部不同位置的温差；水浴温度最高只可达到100摄氏度，若是实验条件要求温度较高，则可选择温度较高的油浴甚至是沙浴来替代水浴；处理器根据第一温度传感器以及第二温度传感器发送的温度来来调整水浴的温度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并于说明书一起用于解释本公开的原理。图1为本发明提供的一种温控式金属线胀系数测量设备结构示意图；

图2为本发明提供的操作台结构示意图；

图3为本发明提供的激光发射器反射光路示意图；

图4为本发明提供的散热外筒结构示意图；

图5为本发明提供的散热外筒的俯视图；

图6为本发明提供的杠杆结构示意图；

图7为本发明提供的线胀系数计算原理示意图；

图8为本发明提供的电动取物夹结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

如图1、2、3所示，一种温控式金属线胀系数测量设备，包括底座1、第一支撑杆2、光杠杆系统、散热外筒3、加热板4、储水室5以及操作台6，所述操作台6包括显示器7、处理器8、驱动装置9以及存储装置10，所述处理器8分别与所述驱动装置9、所述存储装置10以及所述显示器7连接，所述存储装置10用于存储测量数据，所述显示器7用于显示所述测量数据以及计算结果，所述第一支撑杆2与所述底座1连接，所述第一支撑杆2包括电动取物夹11，所述电动取物夹11与所述驱动装置9连接，用于夹取被测物体，将所述被测物体置于所述储水室5中加热，所述储水室5位于所述散热外筒3内部，包括第一温度传感器12，所述第一温度传感器12与所述处理器8连接，用于检测所述储水室5内液体的温度并将其发送给所述处理器8，所述加热板4位于所述储水室5与所述散热外筒3之间，所述加热板4与所述驱动装置9连接，用于加热所述储水室5内的液体，通过加热所述液体实现对所述被测物体的间接加热，所述光杠杆系统包括第二支撑杆13、杠杆14、平面镜15、激光发射器16、望远镜17以及标尺18，所述第二支撑杆13与所述底座1连接，所述杠杆14的一端与所述第二支撑杆13连接，另一端与被测物体的上表面接触，所述平面镜15与所述杠杆14连接，所述平面镜15的镜面与所述激光发射器16以及所述标尺18相互对立，所述激光发射器16与所述驱动装置9连接，用于向所述平面镜15发射水平激光，所述标尺18用于接收所述平面镜15反射的激光，所述处理器8通过所述标尺18上刻度的变化计算所述被测物体加热后的形变量，所述望远镜17用于在远距离观察所述标尺18的刻度。

所述操作台6还包括加热控制器19，所述加热控制器19与所述处理器8连接，用于控制所述加热板4的输出温度。

所述散热外筒3底部也设置有加热板4，内部设置有若干导热金属丝20，所述导热金属丝20与所述加热板4连接。

所述储水室5内的液体包括蒸馏水或甲基硅油或沙。

所述杠杆14与所述第二支撑杆13固定连接，连接处设置有旋转连接轴21，所述杠杆14可通过所述旋转连接轴21在竖直方向旋转。

具体地，本发明提供的测量设备包括底座1、第一支撑杆2、光杠杆系统、散热外筒3、加热板4、储水室5以及操作台6，所述操作台6包括显示器7、处理器8、驱动装置9、存储装置10以及加热控制器19，用户通过调节所述加热控制器19来改变所述加热板4的加热温度，所述存储装置10包括若干个存储单元，每个存储单元负责存储一组实验数据，所述显示器7包括触摸屏，用户通过所述显示器7输入测量数据，所述处理器8根据所述测量数据进行计算，所述底座1水平放置，呈圆形状，所述第一支撑杆2竖直设置，其底部与所述底座1的侧面连接，所述散热外筒3位于所述底座1上方，其内置有所述储水室5，所述散热外筒3与所述储水室5均为圆柱形结构，且两者高度相同，但所述储水室5的内径小于所述散热外筒3的内径，因此，在所述散热外筒3与所述储水室5之间设置有所述加热板4，其中，所述散热外筒3底部也设置有加热板4，筒壁的加热板4与底部的加热板4由所述驱动装置9同步驱动加热，所述加热板4从侧面以及底面对所述储水室5进行加热，为了提高加热效率以及加热效果，所述加热效果即使得所述储水室5内加热介质受热均匀，从而使所述被测物体受热更均匀，因此，在所述散热外筒3内增设有若干导热金属丝20，如图4、5所示，所述导热金属丝20贯穿所述储水室5且均匀布置，在所述储水室5中间预留被测物体插入的空间，所述导热金属丝20与所述加热板4连接，所述导热金属丝20传导所述加热板4的温度在所述储水室5内部进行加热，所述散热外筒3选用隔热材料，减缓所述储水室5内热量散发，所述储水室5内可添加蒸馏水或甲基硅油或沙作为加热介质，根据不同的实验需求选择不同的加热介质，水浴加热的温度范围在0到100摄氏度之间，油浴加热的温度范围在100到260摄氏度之间，沙浴加热的温度范围在400到600摄氏度之间，一般的实验需求在0到100摄氏度之间，因此，本发明默认选用蒸馏水作为加热介质。为了减小测量数据的误差，所述被测物体的顶端应与水浴的液面保持在同一高度或略高于水浴的液面高度。

在所述底座1上，在所述第一支撑杆2的对立面设置有第二支撑杆13，所述第二支撑杆13的长度小于所述第一支撑杆2的长度，其中，所述第二支撑杆13的底部与所述底座1固定连接，所述第二支撑杆13的顶部设置有旋转连接轴21，杠杆14通过所述旋转连接轴21与所述第二支撑杆13连接，所述杠杆14的另一端与被测物体的上表面接触，在实验室的室温下，所述杠杆14的两端保持在同一高度，当所述被测物体受热膨胀后，与所述被测物体上表面接触的杠杆14一端受力被向上顶起，同时，所述杠杆14的另一端因为与所述旋转连接轴21连接，受力旋转，另外，在进行实验之前，所述旋转连接轴21需使用润滑油进行润滑，减少所述杠杆14与所述旋转连接轴21之间的摩擦阻力，减少所述被测物体的形变量误差。

实施例二

如图1、6所示，所述杠杆14设置为l型，包括竖直部分以及水平部分，所述竖直部分与所述水平部分保持垂直。

所述第一支撑杆2包括第一激光测距仪22以及第二激光测距仪23，所述第一激光测距仪22以及所述第二激光测距仪23分别与所述处理器8连接。

所述杠杆14的水平部分开设有两个槽孔24，所述两个槽孔24分别与所述第一激光测距仪22以及所述第二激光测距仪23对应，当所述第一激光测距仪22以及所述第二激光测距仪23的测量值相同时再进行加热。

所述第一支撑杆2还包括直线导轨25以及电动滑块26，所述直线导轨25位于所述储水室5上方，所述电动滑块26与所述电动取物夹11连接，由所述驱动装置9驱动，用于控制所述被测物体的升降高度。

具体地，本发明利用光杠杆测量方法计算被测物体受热后的形变量，本发明提供的杠杆14除了与所述被测物体以及所述第二支撑杆13连接的水平部分外，还包括一竖直部分，所述竖直部分与所述水平部分保持垂直，在所述水平部分开设两个槽孔24，所述槽孔24的深度相同，所述第一支撑杆2包括第一激光测距仪22以及第二激光测距仪23，所述第一激光测距仪22以及所述第二激光测距仪23分别位于两个槽孔24的正上方，所述第一支撑杆2还包括直线导轨25以及电动滑块26，所述电动滑块26与所述电动取物夹11连接，所述电动取物夹11将被测物体夹取后，所述处理器8判断所述第一激光测距仪22与所述第二激光测距仪23发送的测量值是否相同，若是，则无需调整，若否，所述处理器8进一步判断所述第一激光测距仪22发送的测量值是否小于所述第二激光测距仪23发送的测量值，若是，所述处理器8向所述驱动装置9输出第一移动信号，所述驱动装置9驱动所述电动滑块26向下移动，若否，所述处理器8向所述驱动装置9输出第二移动信号，所述驱动装置9驱动所述电动滑块26向上移动，在所述电动滑块26移动过程中，当所述处理器8判断所述第一激光发射器16与所述第二激光发射器16发送的测量值相同时，所述处理器8向所述驱动装置9输出停止信号，所述驱动装置9驱动所述电动滑块26停止移动。

在所述竖直部分设置有一平面镜15，所述平面镜15的镜面与所述激光发射器16以及所述标尺18相互对立，保持所述激光发射器16与所述平面镜15大致在同一水平高度，其中，所述标尺18有刻度的一面与所述平面镜15对立，所述激光发射器16位于所述标尺18的后方，在所述标尺18的某一刻度处开设一小孔，假设该处刻度为n，所述激光发射器16透过所述小孔向所述平面镜15发射激光，所述激光经所述平面镜15发射后打回所述标尺18，若是设备安装正确，激光会反射在所述小孔处，若是激光反射在所述标尺18的其他刻度处，则表明所述平面镜15的镜面与所述激光发射器16发射的激光没有保持垂直，需要调整两者的位置。

如图7所示，所述被测物体受热膨胀后，激光反射位置发生变化，通过望远镜17读出激光反射处的刻度为n1，则所述标尺18的刻度变化δn为丨n-n1丨，此时所述平面镜15旋转的角度为θ，所述被测物体的形变量为δl，可得，tanθ=δl/s，tan2θ=δn/d，其中，s为杠杆14后足尖到旋转连接轴21的水平距离；d为平面镜15到标尺18的水平距离，因为所述被测物体的形变量很小，所述θ无限趋近于0，可近似认为θ=δl/s，2θ=丨n-n1丨/d，两式相消可得δl=（s·δn）/（2·d）。线胀系数计算公式为α=δl/（l·δt），其中，l为所述被测物体的原长度，δt为所述被测物体的温度变化，δl为所述被测物体在δt下的形变量，δt可由第二温度传感器27测得。

实施例三

如图8所示，所述电动取物夹11包括第二温度传感器27，所述第二温度传感器27位于所述电动取物夹11内侧，与所述处理器8连接，用于检测所述被测物体的温度并将其发送给所述处理器8。

具体地，本发明选用水浴加热的方式来对被测物体进行加热，在一般的水浴加热的实验中，往往仅测量水浴或被测物体其中一个的温度来作为实验数据，所述储水室5包括第一温度传感器12，所述第一温度传感器12用于检测水浴的温度，所述电动取物夹11包括第二温度传感器27，所述第二温度传感器27用于检测所述被测物体的温度，

在金属线胀系数测量的实验中，需要测量被测物体在不同加热时段的温度，以及在所述温度时标尺18的刻度，在水浴加热时，被测物体与水浴温度很难达到同步，需对两者分别测量温度，在水浴温度到达终态温度之前，加热板4温度＞水浴温度＞被测物体温度，所述第二温度传感器27发送的温度即所述被测物体的温度，当所述第一温度传感器12发送的温度达到终态温度时，所述处理器8向所述驱动装置9输出停止加热信号，所述驱动装置9驱动所述加热板4停止工作，所述被测物体利用余热加热至终态温度，可以减小所述被测物体温度变化的幅度，利于其金属特性的稳定。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。