CN208091957U - 线膨胀系数测量*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种线膨胀系数测量***，通过结合单缝衍射叠加对比***可以很好的实现对杨氏模量的测量。一种线膨胀系数测量***，包括平行光源、狭缝、双凸透镜、杠杆连接装置、加热装置、图像采集设备和计算机，平行光源、狭缝、双凸透镜和图像采集设备依次设置，狭缝具有平行设置的定标狭缝和可变狭缝，可变狭缝经杠杆连接装置与待测金属棒连接，待测金属棒设置在加热装置上，计算机具有图像分析处理软件和光学***传递函数测量软件，采集的图像由平行光源发出的平行光分别经过定标狭缝和可变狭缝衍射并由双凸透镜汇集到双凸透镜的焦平面并由图像采集设备所接收，计算机对图像采集设备图像进行处理和分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种线膨胀系数测量技术领域，更确切的说是一种线膨胀系数测量***。
背景技术
材料受热膨胀时在一维方向上的伸长量称为线膨胀系数。线膨胀系数是表征材料特性的一项重要指标，特别是研制新材料，少不了要对材料线膨胀系数进行测量。鉴于材料形变在物性研究和工程应用中的重要性，线膨胀系数测定自然成为理工科大学普通物理实验的重要内容之一。目前，测定线膨胀系数的方法有很多种，涉及众多的实验原理和实验技术，随着科技的进步，新的测量方法不断涌现，测量精度也越来越高。
普通物理实验中用干涉法测线膨胀系数，通常采用光学干涉法测量微小的线胀量，此法的优点是测量精度较好，对学生实验综合能力的提高有较大帮助，但迈克尔逊光路调整要求精细，并且间接测量量较多、耗时较长、计算量较大。
针对以上所说的干涉法测线膨胀系数的缺点，考虑到材料线膨胀量也是一种微小位移，我们旨在寻找一种自动化、没有人为因素影响且方便快捷的测量方法从而实现对线膨胀量这种微小位移的测量。
通过查阅相关资料，我们发现近些年来也产生了很多测量微小位移的方法，如光学、电磁学、机械力学等诸多方法，但是大致可以分为两大类，一类是非光学的方法，一类是光学的方法。非光学的方法有：基于线性可调的差动变压器测量、数字图像处理测量、电磁发射技术测量、电涡流位移传感器测量、磁场测量技术、显微镜检测技术、千分表与百分表测量法、传感器测量法等等。光学的测量方法也有许多，包括激光扫描位移的测量，光栅条纹位移测量、光杠杆法、光的干射法、光的衍射法、红外技术位移测量、光学图像位移等等。
关于微小位移的测定有这么多种方法，但是大多都不够精确，并且太过于繁琐，测量数据也较多，相对误差较大，其中尤其突出的是物理量测量中人为因素导致的误差。
发明内容
针对以上所说的拉伸法测量杨氏模量的缺点，本实用新型提供一种线膨胀系数测量***，通过结合单缝衍射叠加对比***可以很好的实现对杨氏模量的测量。
本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种线膨胀系数测量***，包括平行光源、狭缝、双凸透镜、杠杆连接装置、加热装置、图像采集设备和计算机，行光源、狭缝、双凸透镜和图像采集设备依次设置，狭缝具有平行设置的定标狭缝和可变狭缝，可变狭缝经杠杆连接装置与待测金属棒连接，待测金属棒设置在加热装置上，计算机具有图像分析处理软件和光学***传递函数测量软件，采集的图像平行光源发出的平行光分别经过定标狭缝和可变狭缝衍射并由双凸透镜汇集到双凸透镜的焦平面并由图像采集设备所接收，计算机对图像采集设备图像进行处理和分析。
所述线膨胀系数测量***优选方案，平行光源为波长为650nm红光半导体激光器。
所述线膨胀系数测量***优选方案，定标狭缝的缝宽为0.1mm或0.2mm，可变狭缝宽度变化范围在0.1～0.4mm之间。
所述线膨胀系数测量***优选方案，双凸透镜的焦距为100～200mm。
所述线膨胀系数测量***优选方案，图像采集设备为CMOS相机或CCD相机。
所述线膨胀系数测量***优选方案，平行光源、加热装置、狭缝、双凸透镜和图像采集设备均设置在一个实验板上。
本实用新型的原理：单缝衍射叠加对比***的衍射结构具有两条平行单缝，一条为定标狭缝(缝宽已知)，另一条为可变狭缝(缝宽可变)。将待测金属棒放置在加热装置上，一端顶住，利用杠杆连接装置将另一端与可变狭缝连接，对此时的两条单缝分别衍射，得到的两幅衍射图像会由双凸透镜汇聚到双凸透镜的焦平面上，然后由图像分析处理软件和光学***传递函数测量软件分别进行采集，同样的再测得加热装置加热后材料线膨胀伸长量改变所引起的可变狭缝缝宽改变后的两幅图像，将两组图像在计算机中进行下一步的对比分析计算，进而结合杠杆比例连接得出材料线膨胀伸长量，最终计算出线膨胀系数。
本实用新型的优点在于：
(1)不同于干涉法，本***在测量待测金属棒伸长所产生的微小位移的过程中不会涉及对某些物理量的测量，避免了人为因素所导致的误差。
(2)本***对于实验室传统的测量方法而言，基于单缝衍射叠加对比***的测量方法更为简单，并且基于计算机计算测量的光学图像处理技术将拥有很多无法比拟的优点，这种方法将能够实现自动化，智能化的测量，尤其是基于分辨率较高的CCD相机的光学图像处理技术的方法，在测量中可以实现高精度的测量。
(3)通过本***将可以较为精确地测量待测金属棒的伸长量，进而计算出该金属材料的线膨胀系数。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
一种线膨胀系数测量***，包括平行光源8、狭缝、双凸透镜2、杠杆连接装置7、加热装置5、图像采集设备1和计算机10，平行光源8、狭缝、双凸透镜2和图像采集设备1依次设置均设置在一个实验板9上，狭缝具有平行设置的定标狭缝4和可变狭缝3，可变狭缝3经杠杆连接装置7与待测金属棒6连接，待测金属棒6设置在加热装置5上，计算机具有图像分析处理软件MATLAB软件和光学***传递函数测量软件，采集的图像由平行光源8发出的平行光分别经过定标狭缝4和可变狭缝3衍射并由双凸透镜2汇集到双凸透镜2的焦平面并由图像采集设备1所接收，计算机10对图像采集设备1图像进行处理和分析。
本实施例中，平行光源8为波长为650nm红光半导体激光器，两个完全相同的光源分别照射定标狭缝4和可变狭缝3。
本实施例中，定标狭缝4的缝宽为0.1mm或0.2mm，根据实际需要选用，宽度已知并且固定不变，定标狭缝4的作用就是起对照作用，定标狭缝4与可变狭缝形3成对比，从而测量出可变狭缝的宽度，确定好标准后才能根据衍射图像的关系推出可变狭缝的宽度。
本实施例中，可变狭缝3宽度变化范围在0.1～0.4mm之间。
本实施例中，双凸透镜的焦距为100～200mm，双凸透镜的作用是将衍射图像会聚到后焦平面的图像采集设备1上，减小占用的长度，对于双凸透镜的焦距大小是为了使足够的衍射条纹被图像采集设备1捕捉到，对于焦距的具体数值，并没有明确的要求，因为在其中计算狭缝宽度的时候，双凸透镜的焦距被约掉了，所以双凸透镜焦距的具体数值对于测量结果没有影响。
本实施例中，图像采集设备1为CMOS相机或CCD相机，CMOS相机或CCD相机感光器件大小是确定的，利用其可以计算双凸透镜的焦距的范围。
本实施例中，加热装置5为电热丝构成的加热盘，对加热盘背面的电热丝通电能够加热待测金属棒6。
实施过程：
(1)***中放置有两条宽度相近的狭缝分别为定标狭缝4和可变狭缝3，将这两条狭缝调整到同一水平位置，并放置在相同光路中进行衍射。
(2)让两条激光束透过两条狭缝，通过调节使其经同一双凸透镜2会聚到该双凸透镜2后焦平面上，调整CCD相机位置接收到清晰图样。选择0.1mm缝宽的定标狭缝4，经图像采集设备1采集图像后进行保存。
(3)利用比例为1∶1的杠杆连接装置7与可变狭缝3连接，分别记录待测金属棒6加热前后可变狭缝3的图像。
(4)将采集到的三幅图像在计算机10中分别进行条纹分析操作并进行对比计算，得到待测金属棒6加热后所产生的微小位移。
(5)记录多组实验微小位移数据，取平均值，利用公式ΔL＝aL(t2-t1)(ΔL金属棒受热后伸长量，L为金属棒原长，a为金属棒线膨胀系数，t1为加热前待测金属棒6温度，t2为加热后待测金属棒6温度，再根据杠杆比例关系，反推出待测金属棒6实际线膨胀伸长量和狭缝微小位移量，并与实验测得的数据作对比，验证测量结果的准确性。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种线膨胀系数测量***，其特征在于：包括平行光源(8)、狭缝、双凸透镜(2)、杠杆连接装置(7)、加热装置(5)、图像采集设备(1)和计算机(10)，平行光源(8)、狭缝、双凸透镜(2)和图像采集设备(1)依次设置，狭缝具有平行设置的定标狭缝(4)和可变狭缝(3)，可变狭缝(3)经杠杆连接装置(7)与待测金属棒(6)连接，待测金属棒(6)设置在加热装置(5)上，计算机具有图像分析处理软件和光学***传递函数测量软件，采集的图像平行光源(8)发出的平行光分别经过定标狭缝(4)和可变狭缝(3)衍射并由双凸透镜(2)汇集到双凸透镜(2)的焦平面并由图像采集设备(1)所接收，计算机(10)对图像采集设备(1)图像进行处理和分析。
2.根据权利要求1所述线膨胀系数测量***，其特征在于：平行光源(8)为波长为650nm红光半导体激光器。
3.根据权利要求1所述线膨胀系数测量***，其特征在于：定标狭缝的缝宽为0.1mm或0.2mm，可变狭缝(3)宽度变化范围在0.1～0.4mm之间。
4.根据权利要求1所述线膨胀系数测量***，其特征在于：双凸透镜的焦距为100～200mm。
5.根据权利要求1所述线膨胀系数测量***，其特征在于：图像采集设备(1)为CMOS相机或CCD相机。
6.根据权利要求1至5任一项所述的线膨胀系数测量***，其特征在于：平行光源(8)、加热装置(5)、狭缝、双凸透镜(2)和图像采集设备(1)均设置在一个实验板(9)上。
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|---|---|---|---|---|
| CN109490307A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-03-19 | 沈阳工程学院 | 基于小孔成像测量金属线胀系数的装置 |
| CN109632127A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-16 | 西安航空学院 | 一种光感应温度测控***及其操作方法 |
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| CN109632127B (zh) * | 2018-11-30 | 2020-11-03 | 西安航空学院 | 一种光感应温度测控***及其操作方法 |
| CN109490307A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-03-19 | 沈阳工程学院 | 基于小孔成像测量金属线胀系数的装置 |
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