測量金屬材料線膨脹系數(shù)的兩種新方法

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1、物理實驗第18卷第4期測量金屬材料線膨脹系數(shù)的兩種新方法王軍秦永華周開學耿宏章(石油大學山東東營257062)摘要本文從霍爾式及差動螺管式位移傳感器,,出發(fā)實現(xiàn)微小位移的電測進而提出兩種金屬材料線膨脹系數(shù)的洲量方法.關(guān)鍵詞微小位移霍爾式位移傳感器差動螺管式位移傳感器線膨脹系數(shù)電流叮為位序移量一悶一1引言l!材料的線膨脹系數(shù)a可以用(1)式表示△L“~(1)反兀丁了萬:L;T,為材料的初始其中為材料的原始長度;T:為;△L溫度材料的末了溫度為溫度變化△T后材料的線伸長量.,圖1均勻梯度磁場及霍爾式位移傳感器從(1)式可以看出若要測得準確的線膨脹系數(shù),則必須測準微小位移△L.在

2、大學物理,實驗中△L的測量一般采用光學方法(包括光杠桿、讀數(shù)顯微鏡等)或螺旋測微計進行,盡,,管這些方法測量者易于掌握原理也較簡單但在具體應(yīng)用時卻存在一些問題.現(xiàn)在非電量的,電測技術(shù)發(fā)展很快在計量和檢測中應(yīng)用越來越廣泛,地位與作用也越來越重要.為此我們研究開發(fā)了霍爾式位移傳感器和差動螺管式位圖2霍爾式位移傳感器靜態(tài)特性曲線,,移傳感器實現(xiàn)位移的電測并將之應(yīng)用于金均勻梯度磁場的產(chǎn)生如圖1.所示選用兩屬材料線膨脹系數(shù)的測量中.塊相同的磁體(磁體截面積及表面磁感應(yīng)強度,,,2相同)磁極相對而放兩磁極之間留一間隙霍爾式位移傳感器及金屬材科線膨脹系數(shù)霍爾元件平行于磁極放在該間隙的中軸

3、上.間的測t隙大小要根據(jù)測量范圍和測量靈敏度確定.霍2.1霍爾式位移傳感器的工作原理爾元件的選擇,在尺寸上要遠小于磁體截面,靈,霍爾元件置于磁場中在一定電流的激勵,,敏度較高溫度系數(shù)較小以求盡可能地減小,.下產(chǎn)生霍爾電壓如果保持霍爾元件的激勵邊緣效應(yīng),提高測量精確度.,電流不變而使其在一個均勻梯度的磁場中移,,顯然中心截面A處磁感應(yīng)強度為零輸,H△U動時則輸出的霍爾電壓的變化量滿足,出的霍爾電壓也為零因此就可以將該位置作K‘△:,.甜一籍(2)為基準點即位移參考零點霍爾元件偏離基,,Z:,準點在軸上移動有一相對位移后輸出的其中K為霍爾元件靈敏度I為霍爾元件激勵物理實驗第18

4、卷第4期,,,霍爾電壓也不再為零并與位移量之間存在一點此時電表指示為零再根據(jù)測量量△L的大,,,,一對應(yīng)關(guān)系當位移量較小(

5、霍爾元件相對磁體移動電用于金屬材料線膨脹系數(shù)的測量時,裝置表指示開始回落,顯示樣品膨脹的動態(tài)過程.待.3、,,及電原理如圖圖4所示樣品溫度穩(wěn)定后記錄此時樣品溫度再根據(jù),電表指示值獲取伸長量由(1)式即可得到樣品的線膨脹系數(shù)值.,對銅的線膨脹系數(shù)利用此儀器進行了測量,結(jié)果如表1所示.3差動螺管式位移傳感器及金屬材戶料線膨脹系數(shù)的測工圖3霍爾式金屬材料線膨脹系數(shù)測量.31差動螺管式位移傳感器的工作原理圖5所示為差動螺管式位移傳感器及測量線路.由兩組完全相同的線圈、插棒式鐵芯和交流電橋構(gòu)成.鐵芯長度約為線圈總長的0.6倍.6.圖4基本電原理圖所示為差動螺管軸線上的磁場分布曲線1、

6、2為單個線圈產(chǎn)生的磁場.曲線3為總長度為L的桿狀金屬材料作為樣品插入,.,的磁場在一定范圍內(nèi)具有均勻的梯度可通蒸汽的玻璃管C內(nèi)玻璃管C通過支架固P上.金屬桿,B一。定在平臺A端固定端通過膠卜一一一州,,一木墊連接滑塊D霍爾元件固定在D上置于.磁體均勻梯度的磁場內(nèi)F固定在光滑的導軌上,通過測微螺桿E及彈簧左右移動.霍爾元.二)~<二二)~(二{,R’件輸出的電壓信號通過可變電阻進入放大l一.,二}習{口{玉器最終由電表檢測l!l..r」目二二一一一一聲)一(二門t〕月、、、~表1霍爾式線膨脹系數(shù)測t儀測t銅的線膨脹系數(shù)同樣品初溫10.0℃樣品末溫99.0℃505.omm伸長量

7、0.76mm樣品長度圖5差動螺管式位移傳感器.,169義10一’5線膨脹系數(shù)/℃在圖中當鐵芯相對于差動螺管中心對,、,(2)式建立電表指示稱時由于II線圈電感相同因而選擇適首先根據(jù)與位移量的.,,對應(yīng)關(guān)系.使用測微螺桿E調(diào)節(jié)磁體找到基準當?shù)臉虮垭娮杩墒菇涣麟姌蚱胶獾怯晌锢韺嶒灥?8卷第4期已mV一4一20倉Zmm圖7差動螺管式位移傳感器的靜態(tài)特性曲線圖6差動螺管軸線磁場分布于線圈質(zhì)量、外界干擾和橋臂電阻選擇不當?shù)纫蛩?此時仍存在一定輸出,稱為殘余電壓.當,鐵芯相對差動螺管有位移如時線圈電感亦,相應(yīng)變化量值為aL如