nemo 2011.11.21
xatu
金属线膨胀系数的测
量
(FB712型金属线膨胀系数测定仪)
绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪器的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
【实验目的】
1．学习并掌握测量金属线膨胀系数的一种方法。
2．学会用千分表测量长度的微小增量。
【实验仪器】
FB712型金属线膨胀系数测量仪实验装置如图1、图2所示：
第 1 页 共 9 页
【实验原理】
材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。
固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为L 的物体，受热后其伸长量ΔL 与其温度的增加量Δt 近似成正比，与原长L 亦成正比，即：
ΔL =α•L •Δt （1）
。大量实验表明，不同材料的式中的比例系数α称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）
线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。
几种材料的线胀系数
材 料
数量级 铜、铁、铝 普通玻璃、陶瓷殷 钢 熔凝石英 −1×10−5(°C ) −1×10−6(°C )−1
实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。另外还发现线膨胀系数与材料纯度有关，某些材料掺杂后，线膨胀系数变化很大。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。
为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出时杆长L 、受热后温度从t 1升高到t 2时的伸长量ΔL 和受热前后的温度升高量Δt (Δt =t 2−t 1) ，则
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该材料在(t 1 , t 2) 温度区域的线胀系数为：
α=ΔL （2） L •Δt 其物理意义是固体材料在(t 1 , t 2)温度区域内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为(°C )。 −1
测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量ΔL 。我们先粗估算一下ΔL 的大小，若L =250mm , 温度变化t 2−t 1≈100°C ，金属的α数量级为×10−5(°C )，估算−1ΔL =α•L •Δt ≈0. 25mm 。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0. 001mm ）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等方法。本实验就用千分表分度值为0. 001mm 千分表测微小的线胀量。
【实验内容和步骤】
1．把样品空心铜棒、铝棒安装在测试架上。在室温下用米尺重复测量金属杆的原有长度2~3次，记录到表1中，求出L 原有长度的平均值。
2．参照图1安装好实验装置，连接好加热皮管，打开电源开关，以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况。水箱容积大约为750ml 。
3.缺水时加水步骤:先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖，用漏斗从加水口往系统内加水，管路中的气体将从溢水管口跑出，直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮，其余都转变为绿灯时，可以先关闭溢水管口塑料盖。接着可以按下强制冷却按钮，让循环水泵试运行，由于系统内可能存在大量气泡，造成水位计显示虚假水位，只有利用循环水泵试运行过程，把系统内气体排出，这时候水位下降，仪器自动保护停机。（说明：为了保护加热器不损坏，仪器设计了自动保护装置，只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却装置，系统水位过低、缺水将自动停机。）因此，在虚假水位显示已满的情况下，可采用反复启动强制冷却按钮,利用循环水泵的间断工作把管路中的空气排除,即启动强制冷却按钮→自动停机→再加水的反复过程，直到最终系统的水位计稳定显示，水位计只剩上方一个红灯未转变为绿灯，此时必须停止加水，以防水从系统溢出，流淌到实验桌上。接下来即可进行正常实验，实验过程中发现水位下降，应该适时补充。
4．设置好温度控制器加热温度:金属管加热温度设定值可根据金属管所需要的实际温度值设置。
5．将铜管（或铝管）对应的测温传感器信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相
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连接。将千分尺装在被测介质铜管（或铝管）的自由伸缩端固定位置上，使千分表测试端与被测介质接触，为了保证接触良好，一般可使千分表初读数为0. 2mm 左右，只要把该数值作为初读数对待，不必调零。(如认为有必要，可以通过转动表面，把千分尺主指针读数基本调零，而副指针无调零装置。)
6．正常测量时，按下加热按钮（高速或低速均可，但低速档由于功率小，一般最多只能加热到50°C 左右) ，观察被测金属管温度的变化，直至金属管温度等于所需温度值（例如35°C ）。温控器设置操作方法请参看【附录1】.
7．测量并记录数据：
当被测介质温度为35°C 时，读出千分表数值L 35，记入表2中。接着在温度为40°C , 45°C , 50°C , 55°C , 60°C , 65°C , 70°C 时，记录对应的千分表读数L 40, L 45, L 50, L 55, L 60, L 65, L 70
8．用逐差法求出温度每升高5°C 金属棒的平均伸长量，由（2）式即可求出金属棒在（35°C ，70°C ）温度区间的线膨胀系数。
【数据记录及处理】
数据记录1：注意：有效长度应等于总长度减去固定螺钉外的一小段（约5mm 左右）。 测量次数平均值
铜棒有效长度(mm )
铝棒有效长度(mm )
数据记录2：
样品温度(°C )
测铜棒千分表读数50 L ×10−6m
L ×10−6 测铝棒千分表读数 m
用逐差法处理数据：（也可以用最小二乘法处理）
计算α铜、 计算α铝
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附：几种纯金属材料的线膨胀系数
物质名称 温度范围(°C ) 线膨胀系数×10
纯 铝 0~100 23. 8
纯 铜 0~100 17. 1
注：由于材料提炼和加工的难度，例如纯铝几乎无法进行机械加工，所以一般使用的材料多非纯金属，所以以上参数并非标准数据。而实际使用的金属材料的线膨胀系数比纯金属要小10%~15%，铜合金约为1. 4×10
【思考题】
1． 该实验的误差来源主要有哪些？
2． 如何利用逐差法来处理数据？
3． 利用千分表读数时应注意哪些问题，如何消除误差？ −5−6(°C ) −1 (°C )−1，铝合金约为2. 0×10−5(°C )−1 ，供参考。
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FB 712型金属线胀系数测定仪使用说明书
一、 概 述
绝大多数物质具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的.这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪表的制造中，在材料的加工(如焊接)中都应考虑到，否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程结构的毁损，仪表的失灵以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
固体材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标，在研制新材料中，测量其线胀系数更是必不可少的。FB 712型金属线胀系数测定仪通过加热温度控制仪，精确地控制实验样品在一定的温度下，由千分表直接读出实验样品的微小伸长量，实现对金属线胀系数测定的一种新型教学实验仪器。
可根据实验需要该仪器的恒温控制由高精度数字温度传感器与PID 智能温度控制仪组成，
把加热温度控制在室温~80°C 之间。并以稳定的加热电压维持实测温度的稳定度，由四位数码管显示设定温度和实验样品实测温度, 读数精度为±0. 1°C ,调节设定方便,控温稳定、精确。专用加热部件的加热电压低速档为：AC 110V ，高速档为：AC 140V 。水位由7只双色发光管指示, 无水时,所有发光管发红光，随着水位逐步升高，对应的发光管由红色转变为绿色。为了避免在系统缺水的情况下加热器“干烧”，仪器设置了完善的缺水报警和保护系统，循环水一旦缺少，系统报警灯点亮且自动停机。只有水量足够时才能恢复正常。加热按钮按下时，强制冷却被锁住，只有按下复位键，先停止加热，强制风冷降温才能起动。在加热或降温工作状态，热水泵总是处于工作状态。只有按复位按钮热水泵才停止工作。（注意：长期不用，应从主机底部放水阀门把水放掉。）
二、用途
1．测量铜、铝棒（管）的线膨胀系数。
2．分析影响测量精度的各种因素。
3．掌握使用千分表和温度控制仪的操作方法。
三、技术指标
1．温度读数精度：±0. 1°C 。
2．温度控制稳定度：±0. 1°C /10min 。
3．温度设定范围：室温~80°C ，四位数码管显示。
4．样品实测温度：室温~80°C ，四位数码管显示。
5．伸长量测量精度：0. 0005mm , 量程 0~1mm （包括估读位）。
6．加热温度控制仪使用条件：
（1)输入电源：AC 220V ±10% , 50H z
（2)环境湿度：
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（3)环境温度：0~40°C
（4)最大功耗：≤200W
【附录1】 PID 智能温度控制器
1．该控制器是一种高性能。可靠性好的智能型调节仪表，广泛使用于机械化工、陶瓷、 轻工、冶金、热处理等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系统。控制器面板布置图：
2．具体的温度设置步骤如下 (出厂时设置温度为80度，改设定温度为40度) ：
（1）先按一下“设定键SET(）”约0.5秒。
（2）按“位移键（）”，选择需要调整的“位数”，数字闪烁的位数即是当前可以进行调整操作的“位数”。
（3）按“上调（）”或“下调（）”确定当前“位数值”，接着按此办法调整，直到各位数值都满足温度设定要求。
（4）再按一次“设定键SET ”，退出设定工作程序。当实验中需改变温度设定，重复以上步骤即可。操作过程可按图4进行。
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（5）注意：如果学生在操作时按SET 键时间长达5秒，那么将进入温控器单片机第二设定区，这时，不要胡乱调节，造成温控器不能正常工作，只要停止操作，静等30~40秒钟，或者再按住SET 键5秒钟，单片机程序会自动恢复到正常温控状态。
*3。若需要进一步了解PID 智能温控器，可参看以下单片机程序第二设定区流程图：改变温度上限设定值SOH 数值，可直接用位移和上、下键修改上限设定值。（此流程图仅供实验室教师参考用，）
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四．FB712型金属线膨胀系数测定仪照片：
【附录2】 千分表的参数
1． 有效量程：0~1mm ；
2． 主指针：每圈200格，每格0. 001mm ；
3． 副指针：每格0. 2mm ，共分5格，总计1mm ；
4． 主尺刻度调节圈用于主尺调零；
5． 极限量程可达0~1. 4mm 。
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金属线膨胀系数的测
量
(FB712型金属线膨胀系数测定仪)
绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪器的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
【实验目的】
1．学习并掌握测量金属线膨胀系数的一种方法。
2．学会用千分表测量长度的微小增量。
【实验仪器】
FB712型金属线膨胀系数测量仪实验装置如图1、图2所示：
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【实验原理】
材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。
固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为L 的物体，受热后其伸长量ΔL 与其温度的增加量Δt 近似成正比，与原长L 亦成正比，即：
ΔL =α•L •Δt （1）
。大量实验表明，不同材料的式中的比例系数α称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）
线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。
几种材料的线胀系数
材 料
数量级 铜、铁、铝 普通玻璃、陶瓷殷 钢 熔凝石英 −1×10−5(°C ) −1×10−6(°C )−1
实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。另外还发现线膨胀系数与材料纯度有关，某些材料掺杂后，线膨胀系数变化很大。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。
为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出时杆长L 、受热后温度从t 1升高到t 2时的伸长量ΔL 和受热前后的温度升高量Δt (Δt =t 2−t 1) ，则
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该材料在(t 1 , t 2) 温度区域的线胀系数为：
α=ΔL （2） L •Δt 其物理意义是固体材料在(t 1 , t 2)温度区域内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为(°C )。 −1
测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量ΔL 。我们先粗估算一下ΔL 的大小，若L =250mm , 温度变化t 2−t 1≈100°C ，金属的α数量级为×10−5(°C )，估算−1ΔL =α•L •Δt ≈0. 25mm 。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0. 001mm ）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等方法。本实验就用千分表分度值为0. 001mm 千分表测微小的线胀量。
【实验内容和步骤】
1．把样品空心铜棒、铝棒安装在测试架上。在室温下用米尺重复测量金属杆的原有长度2~3次，记录到表1中，求出L 原有长度的平均值。
2．参照图1安装好实验装置，连接好加热皮管，打开电源开关，以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况。水箱容积大约为750ml 。
3.缺水时加水步骤:先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖，用漏斗从加水口往系统内加水，管路中的气体将从溢水管口跑出，直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮，其余都转变为绿灯时，可以先关闭溢水管口塑料盖。接着可以按下强制冷却按钮，让循环水泵试运行，由于系统内可能存在大量气泡，造成水位计显示虚假水位，只有利用循环水泵试运行过程，把系统内气体排出，这时候水位下降，仪器自动保护停机。（说明：为了保护加热器不损坏，仪器设计了自动保护装置，只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却装置，系统水位过低、缺水将自动停机。）因此，在虚假水位显示已满的情况下，可采用反复启动强制冷却按钮,利用循环水泵的间断工作把管路中的空气排除,即启动强制冷却按钮→自动停机→再加水的反复过程，直到最终系统的水位计稳定显示，水位计只剩上方一个红灯未转变为绿灯，此时必须停止加水，以防水从系统溢出，流淌到实验桌上。接下来即可进行正常实验，实验过程中发现水位下降，应该适时补充。
4．设置好温度控制器加热温度:金属管加热温度设定值可根据金属管所需要的实际温度值设置。
5．将铜管（或铝管）对应的测温传感器信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相
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连接。将千分尺装在被测介质铜管（或铝管）的自由伸缩端固定位置上，使千分表测试端与被测介质接触，为了保证接触良好，一般可使千分表初读数为0. 2mm 左右，只要把该数值作为初读数对待，不必调零。(如认为有必要，可以通过转动表面，把千分尺主指针读数基本调零，而副指针无调零装置。)
6．正常测量时，按下加热按钮（高速或低速均可，但低速档由于功率小，一般最多只能加热到50°C 左右) ，观察被测金属管温度的变化，直至金属管温度等于所需温度值（例如35°C ）。温控器设置操作方法请参看【附录1】.
7．测量并记录数据：
当被测介质温度为35°C 时，读出千分表数值L 35，记入表2中。接着在温度为40°C , 45°C , 50°C , 55°C , 60°C , 65°C , 70°C 时，记录对应的千分表读数L 40, L 45, L 50, L 55, L 60, L 65, L 70
8．用逐差法求出温度每升高5°C 金属棒的平均伸长量，由（2）式即可求出金属棒在（35°C ，70°C ）温度区间的线膨胀系数。
【数据记录及处理】
数据记录1：注意：有效长度应等于总长度减去固定螺钉外的一小段（约5mm 左右）。 测量次数平均值
铜棒有效长度(mm )
铝棒有效长度(mm )
数据记录2：
样品温度(°C )
测铜棒千分表读数50 L ×10−6m
L ×10−6 测铝棒千分表读数 m
用逐差法处理数据：（也可以用最小二乘法处理）
计算α铜、 计算α铝
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附：几种纯金属材料的线膨胀系数
物质名称 温度范围(°C ) 线膨胀系数×10
纯 铝 0~100 23. 8
纯 铜 0~100 17. 1
注：由于材料提炼和加工的难度，例如纯铝几乎无法进行机械加工，所以一般使用的材料多非纯金属，所以以上参数并非标准数据。而实际使用的金属材料的线膨胀系数比纯金属要小10%~15%，铜合金约为1. 4×10
【思考题】
1． 该实验的误差来源主要有哪些？
2． 如何利用逐差法来处理数据？
3． 利用千分表读数时应注意哪些问题，如何消除误差？ −5−6(°C ) −1 (°C )−1，铝合金约为2. 0×10−5(°C )−1 ，供参考。
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FB 712型金属线胀系数测定仪使用说明书
一、 概 述
绝大多数物质具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的.这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪表的制造中，在材料的加工(如焊接)中都应考虑到，否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程结构的毁损，仪表的失灵以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
固体材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标，在研制新材料中，测量其线胀系数更是必不可少的。FB 712型金属线胀系数测定仪通过加热温度控制仪，精确地控制实验样品在一定的温度下，由千分表直接读出实验样品的微小伸长量，实现对金属线胀系数测定的一种新型教学实验仪器。
可根据实验需要该仪器的恒温控制由高精度数字温度传感器与PID 智能温度控制仪组成，
把加热温度控制在室温~80°C 之间。并以稳定的加热电压维持实测温度的稳定度，由四位数码管显示设定温度和实验样品实测温度, 读数精度为±0. 1°C ,调节设定方便,控温稳定、精确。专用加热部件的加热电压低速档为：AC 110V ，高速档为：AC 140V 。水位由7只双色发光管指示, 无水时,所有发光管发红光，随着水位逐步升高，对应的发光管由红色转变为绿色。为了避免在系统缺水的情况下加热器“干烧”，仪器设置了完善的缺水报警和保护系统，循环水一旦缺少，系统报警灯点亮且自动停机。只有水量足够时才能恢复正常。加热按钮按下时，强制冷却被锁住，只有按下复位键，先停止加热，强制风冷降温才能起动。在加热或降温工作状态，热水泵总是处于工作状态。只有按复位按钮热水泵才停止工作。（注意：长期不用，应从主机底部放水阀门把水放掉。）
二、用途
1．测量铜、铝棒（管）的线膨胀系数。
2．分析影响测量精度的各种因素。
3．掌握使用千分表和温度控制仪的操作方法。
三、技术指标
1．温度读数精度：±0. 1°C 。
2．温度控制稳定度：±0. 1°C /10min 。
3．温度设定范围：室温~80°C ，四位数码管显示。
4．样品实测温度：室温~80°C ，四位数码管显示。
5．伸长量测量精度：0. 0005mm , 量程 0~1mm （包括估读位）。
6．加热温度控制仪使用条件：
（1)输入电源：AC 220V ±10% , 50H z
（2)环境湿度：
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（3)环境温度：0~40°C
（4)最大功耗：≤200W
【附录1】 PID 智能温度控制器
1．该控制器是一种高性能。可靠性好的智能型调节仪表，广泛使用于机械化工、陶瓷、 轻工、冶金、热处理等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系统。控制器面板布置图：
2．具体的温度设置步骤如下 (出厂时设置温度为80度，改设定温度为40度) ：
（1）先按一下“设定键SET(）”约0.5秒。
（2）按“位移键（）”，选择需要调整的“位数”，数字闪烁的位数即是当前可以进行调整操作的“位数”。
（3）按“上调（）”或“下调（）”确定当前“位数值”，接着按此办法调整，直到各位数值都满足温度设定要求。
（4）再按一次“设定键SET ”，退出设定工作程序。当实验中需改变温度设定，重复以上步骤即可。操作过程可按图4进行。
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（5）注意：如果学生在操作时按SET 键时间长达5秒，那么将进入温控器单片机第二设定区，这时，不要胡乱调节，造成温控器不能正常工作，只要停止操作，静等30~40秒钟，或者再按住SET 键5秒钟，单片机程序会自动恢复到正常温控状态。
*3。若需要进一步了解PID 智能温控器，可参看以下单片机程序第二设定区流程图：改变温度上限设定值SOH 数值，可直接用位移和上、下键修改上限设定值。（此流程图仅供实验室教师参考用，）
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四．FB712型金属线膨胀系数测定仪照片：
【附录2】 千分表的参数
1． 有效量程：0~1mm ；
2． 主指针：每圈200格，每格0. 001mm ；
3． 副指针：每格0. 2mm ，共分5格，总计1mm ；
4． 主尺刻度调节圈用于主尺调零；
5． 极限量程可达0~1. 4mm 。
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