本實(shí)用新型涉及一種材料熱膨脹系數(shù)的檢測裝置，特別是一種利用單縫衍射測材料熱膨脹系數(shù)的裝置。

背景技術(shù)：

熱膨脹系數(shù)是描述固體材料在溫度變化下發(fā)生形變的重要物理量。是工程技術(shù)、科學(xué)研究中常用的物理量。熱膨脹系數(shù)的測量也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。

現(xiàn)有技術(shù)中熱膨脹系數(shù)的測量主要有：光杠桿法、移側(cè)顯微鏡法等。在一些測試、特別是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)有的熱膨脹系數(shù)測量方法主要是光杠桿法。光杠桿的測量裝置主要由尺讀望遠(yuǎn)鏡、米尺、固體線膨脹系數(shù)測試儀、銅棒、光杠桿、溫度計(jì)等構(gòu)成。測量過程中通過調(diào)節(jié)使得觀測者能夠從望遠(yuǎn)鏡中清晰的看到標(biāo)尺的像，然后逐漸升高溫度使金屬棒受熱膨脹，通過金屬棒伸長的微小長度、小反射平面鏡轉(zhuǎn)過的角度及望遠(yuǎn)鏡像中標(biāo)尺讀數(shù)差的關(guān)系得到金屬棒的熱膨脹系數(shù)。該測量方法和裝置存在以下的缺點(diǎn)：它是將微小的長度變化通過光杠桿法進(jìn)行放大后進(jìn)行測定，因此通過望遠(yuǎn)鏡看平面鏡中標(biāo)尺像時(shí)會出現(xiàn)像難以調(diào)節(jié)的問題；傳統(tǒng)的測量中，是將非豎直平面的光路近似看成是同一豎直平面的光路，存在一定的誤差；標(biāo)尺的讀數(shù)是通過望遠(yuǎn)鏡觀測到的，觀察時(shí)會產(chǎn)生視覺差，標(biāo)尺的精確度較低。為了解決上述問題，現(xiàn)在有利用單縫衍射原理來測量來料的熱膨脹系數(shù)的論文及專利，但這些技術(shù)仍然存在一定的問題，問題之一就是在進(jìn)行觀察時(shí)引起視覺差以及通過人為調(diào)節(jié)金屬棒會導(dǎo)致誤差。因此現(xiàn)在需要一種能夠解決上述問題的裝置或方法，來準(zhǔn)確測量金屬棒的熱膨脹系數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)巧妙，工藝簡單，制造成本低廉、誤差小的利用單縫衍射測材料熱膨脹系數(shù)的裝置。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：一種利用單縫衍射測材料熱膨脹系數(shù)的裝置，其特征在于：所述的裝置包括激光器1，與激光器相配有單縫裝置2，與單縫裝置2相配有觀測裝置3，

所述的單縫裝置包括兩個(gè)對稱設(shè)置的殼體4，殼體4內(nèi)設(shè)置有加熱筒5，加熱筒5的夾層中設(shè)置有電阻絲6，在加熱筒5內(nèi)設(shè)置有待測金屬棒7，待測金屬棒7的一端通過絕熱連接件8與刀片9相連，而兩個(gè)刀片9之間形成水平分布的單縫，在殼體4內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器10，溫度傳感器10與待測金屬棒7接觸，且溫度傳感器10還通過導(dǎo)線與溫度測控儀11相連，

所述的觀測裝置3包括遮光筒12，遮光筒12的末端設(shè)置有光信號接受屏13，在光信號接受屏13上設(shè)置有CCD數(shù)據(jù)處理模塊14，所述的CCD數(shù)據(jù)處理模塊14通過導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)15相連，

所述的絕熱連接件8包括一個(gè)由絕熱材料制成的框架16，框架16的一端設(shè)置有與待測金屬棒7的端部相配的連接套17，在框架16內(nèi)滑動連接有刀片連接架18，并且在刀片連接架18上還螺紋連接有鎖緊螺栓19，刀片連接架18的端部與刀片9相連。

本實(shí)用新型同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本種結(jié)構(gòu)形式的測量金屬棒熱膨脹系數(shù)的裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)巧妙，布局合理，它針對傳統(tǒng)的材料熱膨脹系數(shù)測量方法所存在的種種問題，設(shè)計(jì)出一種用衍射方法測量微小位移的實(shí)驗(yàn)裝置，其操作簡單，調(diào)節(jié)方便，省去了傳統(tǒng)方法或結(jié)構(gòu)中各種參數(shù)的間接轉(zhuǎn)化，減少了誤差的來源，同時(shí)它所需要讀取的參數(shù)并不需要采用望遠(yuǎn)鏡觀測，更加直接和準(zhǔn)確。它的特殊結(jié)構(gòu)決定了在測量的過程中，供光線通過以產(chǎn)生衍射條紋的縫隙中無任何遮擋物，保證了投射在觀測屏裝置上的衍射條紋清晰。并且本裝置采用的雙棒雙加熱系統(tǒng), 待測金屬棒端頭上設(shè)置的刀片會對金屬棒施加一定的力，如果僅僅對單棒進(jìn)行加熱，上述力會導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差，而本裝置創(chuàng)造性的采用縱向分布的兩個(gè)金屬棒（配刀片）的結(jié)構(gòu)，這樣位于上方的金屬棒下方的刀片會對該金屬棒產(chǎn)生拉力，而位于下方的金屬棒上方的刀片則會對該金屬棒產(chǎn)生壓力，由于在這兩套機(jī)構(gòu)中，金屬棒、刀片以及二者之間的連接機(jī)構(gòu)均相同，因此上述的拉力所產(chǎn)生的影響恰好可以彌補(bǔ)上述壓力所產(chǎn)生的影響，從而保證測量的準(zhǔn)確性；利用本裝置，能夠便捷、快速、準(zhǔn)確的測算出某個(gè)金屬棒的熱膨脹系數(shù)，該裝置特別適合于在高等院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，其市場前景十分廣闊。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中的A部放大圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式。如圖1、圖2所示：一種利用單縫衍射測材料熱膨脹系數(shù)的裝置，所述的裝置包括激光器1，與激光器相配有單縫裝置2，與單縫裝置2相配有觀測裝置3，即激光器1產(chǎn)生的激光經(jīng)過單縫裝置2后，會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，并在觀測裝置3上投射出衍射條紋，當(dāng)單縫裝置2中的待測金屬棒7受熱后，其整體長度會發(fā)生變化，該變化會導(dǎo)致單縫寬度的變化，而觀測裝置3上的衍射條紋也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，根據(jù)該變化能夠準(zhǔn)確的測算處待測金屬棒7的熱膨脹系數(shù)；

上述的單縫裝置包括兩個(gè)對稱設(shè)置的殼體4，這兩個(gè)殼體4在縱向上分別位于激光器1所發(fā)出的光線的上下兩端，在殼體4內(nèi)設(shè)置有加熱筒5，加熱筒5的夾層中設(shè)置有電阻絲6，在加熱筒5內(nèi)設(shè)置有待測金屬棒7，待測金屬棒7的一端通過絕熱連接件8與刀片9相連，兩個(gè)殼體4中的兩個(gè)刀片9之間形成水平分布的單縫，在殼體4內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器10，溫度傳感器10與待測金屬棒7接觸，且溫度傳感器10還通過導(dǎo)線與溫度測控儀11相連，

絕熱連接件8包括一個(gè)由絕熱材料制成的框架16，框架16的一端設(shè)置有與待測金屬棒7的端部相配的連接套17，當(dāng)連接套17套接在待測金屬棒7的端頭時(shí)，連接套17便與待測金屬棒7連接為一體結(jié)構(gòu)，在框架16內(nèi)滑動連接有刀片連接架18，并且在刀片連接架18上還螺紋連接有鎖緊螺栓19，刀片連接架18的端部與刀片9相連

觀測裝置3包括遮光筒12，遮光筒12的末端設(shè)置有光信號接受屏13，在光信號接受屏13上設(shè)置有CCD數(shù)據(jù)處理模塊14，所述的CCD數(shù)據(jù)處理模塊14通過導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)15相連，所述的激光器1、電阻絲6和溫度測控儀11也通過計(jì)算機(jī)15進(jìn)行控制。

本實(shí)用新型實(shí)施例的利用單縫衍射測材料熱膨脹系數(shù)的裝置的工作過程如下：首先將兩個(gè)完全相同的待測金屬棒7分別置于兩個(gè)殼體4中的加熱筒5中，所選取的待測金屬棒7的長度為L、直徑為d，并在每個(gè)待測金屬棒7的端頭處通過絕熱連接件8連接刀片9（將絕熱連接件8的連接套17套接在待測金屬棒7的端頭上），

然后根據(jù)需要的縫隙的寬度來調(diào)節(jié)絕熱連接件8，具體調(diào)節(jié)過程是，驅(qū)動刀片連接架8在框架16內(nèi)滑動，滑動到位后，旋緊鎖緊螺栓19，將框架16和刀片連接架18之間固定、鎖死，需要注意的是，縫隙的寬度既要有利于測量，又要保證狹縫的縫隙不閉合，調(diào)節(jié)兩個(gè)刀片9之間的縫隙的寬度為b，單個(gè)待測金屬棒7受熱后其熱膨脹變化量為，該縫隙至光信號接受屏13之間的距離為，控制激光器1工作，激光器1產(chǎn)生的激光經(jīng)過兩個(gè)刀片9之間的縫隙后，進(jìn)入遮光筒12，并最終在光信號接受屏13上產(chǎn)生衍射條紋，而在CCD數(shù)據(jù)處理模塊14的作用下，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并在計(jì)算機(jī)15的顯示屏上顯示光強(qiáng)分布曲線；

打開開關(guān)，同時(shí)控制兩套電阻絲6工作，對兩個(gè)待測金屬棒7同時(shí)進(jìn)行加熱，待測金屬棒7受熱膨脹后，其長度發(fā)生變化（其熱膨脹變化量為），由于上端殼體4固定，同時(shí)其內(nèi)的加熱筒5也固定，并且上端殼體4中的待測金屬棒7的頂端抵在加熱筒5的頂端，無法向上位移，因此上端殼體4中的待測金屬棒7向下膨脹，即受熱后上端殼體4中的待測金屬棒7向下膨脹；同樣，下端的殼體4也固定，其內(nèi)的加熱筒5也固定，并且下端的殼體4中的待測金屬棒7的底端抵在加熱筒5的底端，無法向下位移，因此下端的殼體4中的待測金屬棒7向上膨脹，即受熱后下端的殼體4中的待測金屬棒7向上膨脹，

也就是說加熱筒5工作后，會導(dǎo)致兩個(gè)刀片9在縱向上位移，最終讓縫隙的寬度發(fā)生變化，

CCD數(shù)據(jù)處理模塊14對光信號進(jìn)行處理，并在計(jì)算機(jī)15的顯示屏上顯示光強(qiáng)分布曲線，選定同一側(cè)的條紋級數(shù)m、n，記錄此時(shí)溫度和峰值坐標(biāo)及條紋間距，每過10度，記錄溫度以及峰值坐標(biāo)及條紋之間的間距，

激光器1產(chǎn)生的激光的波長為λ，將上述的、、、、、m、n、λ和、代入公式：

。

當(dāng)發(fā)生衍射時(shí)，對第k級亮條紋有：

對于中央明紋一側(cè)的第級亮條紋和第n級亮條紋有：

當(dāng)很小時(shí)，，有如下關(guān)系式：

加熱金屬棒時(shí)，由于金屬棒形變伸長，下方的待測金屬棒7向上膨脹，使與其相連的位于下方的刀片9上移，而上方的待測金屬棒7向下膨脹，使與其相連的位于上方的刀片9下移，縫間距減小，若縫間距的改變量為，一個(gè)金屬棒形變量既是縫的改變量：

金屬的熱膨脹系數(shù)公式為：

(注：是為原長)

所以有：

將上述、、、m、n、λ和、、代入公式：計(jì)算出得到待測金屬棒的熱膨脹系數(shù)。