光干涉法热膨胀系数自动测量仪器设计
固体热膨胀系数的测量实验报告
固体热膨胀系数的测量实验报告LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】固体热膨胀系数的测量班级： 姓名： 学号： 实验日期：一、实验目的测定金属棒的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。
二、仪器及用具热膨胀系数测定仪(尺读望远镜、米尺、固体线膨胀系数测定仪、铜棒、光杠杆、温度计等)三、实验原理1．材料的热膨胀系数线膨胀是材料在受热膨胀时，在一维方向上的伸长。
在一定的温度范围内，固体受热后，其长度都会增加，设物体原长为L ，由初温t1加热至末温t2，物体伸长了 △L,则有 ()12t t L L -=∆α （1） （2） 此式表明，物体受热后其伸长量与温度的增加量成正比，和原长也成正比。
比例系数称为固体的线胀系数。
一般情况下，固体的体胀系数为其线胀系数的3倍。
2．线胀系数的测量在式（1）中△L 是个极小的量，这样微小的长度变化，普通米尺、游标卡尺的精度是不够的，可采用千分尺、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等。
考虑到测量方便和测量精度，我们采用光杠杆法测量。
光杠杆系统是由平面镜及底座，望远镜和米尺组成的。
光杠杆放大原理如下图所示：当金属杆伸长△L 时，从望远镜中叉丝所对标尺刻度前后为b1、b2，这时有：带入（2）式得固体线膨胀系数为：()12t t L L-∆=α四、实验步骤及操作1.单击登陆进入实验大厅2.选择热力学试验单击3.双击固体热膨胀系数的测量进入实验界面4.在实验界面单击右键选择“开始实验”5.调节平面镜至竖直状态6.进行望远镜调节，调节方位、聚焦、目镜是的标尺刻线清晰，调节中丝读数为,并打开望远镜视野7.单击铜棒测量长度，单击温度计显示铜棒温度，打开电源加热，记录每升高10度时标尺读数直至温度升高到90度止8.单击卷尺，分别测量l、D，9．以t为横轴，b为纵轴作b-t关系曲线，求直线斜率。
10.代入公式计算线膨胀系数值。
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数
c区自然冷却和加水冷却
70
Regular Residual of Sheet1 B"温度"
加水降温 R2=0.99925 开始加水降温
加水降温残差
0.5
加水降温
60
温度 (C)
0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
50
40
-0.5
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
经过的条纹数n
80 0.3
Independent Variable 自然降温残差
近似反映了温度计与玻璃样品的温差，
即两者升温快慢差异，也是误差来源之 一。
0.3
c区自然冷却残差
0.2
a区自然冷却残差
Regular Residual of Sheet1 B"温度"
Regular Residual C"温度T"
0 5 10
0.2
0.1
0.1
0.0
0.0
-0.1
-0.1
-0.2
-0.2 0 5 10 15
0 2 4 6 8 10 12 14
0.1
温度T (K)
332 328 324 320 316
0.0
-0.1
-0.2 0 5 10 15
经过条纹数n
Independent Variable
350
拟合公式
T= b + k· n -3.915±0.012 354.33±0.08 0.99991
340
温度T (K)
1800
时间t (s)
牛顿冷却规律
320
光学干涉仪的设计与观测数据分析
光学干涉仪的设计与观测数据分析光学干涉仪是一种用于测量光波的相位差的仪器，它可以精确测量光波的干涉条纹，从而得到有关光的性质和参数的信息。
本文将探讨光学干涉仪的设计原理和使用方法，并通过观测数据分析，展示其在实际应用中的重要性和潜力。
1. 光学干涉仪的设计原理光学干涉仪的基本原理是利用光波的干涉现象进行测量。
干涉是指两束或多束光波相互作用时产生的波的叠加效应。
在干涉仪中，主要使用的是分波束干涉原理，即将光波分成两个或多个波束，并使它们通过不同的路径，然后再将它们合成，观察它们的干涉现象。
通过测量干涉条纹的形状和间距，可以得到光波的相位差和波长等信息。
2. 光学干涉仪的设计与构成光学干涉仪的设计通常包括光源、分光装置、反射镜、透镜、干涉区和检测装置等几个主要部分。
光源可以是激光器或白光源，用于产生所需的光波。
分光装置用于将光波分成几个波束，常见的分光器有光栅、衍射光栅和半透镜等。
反射镜和透镜则用于改变光线的传播方向和聚焦光束。
干涉区是实验中光波相互作用的地方，通常包括干涉装置和干涉座，用于确保光波的干涉效果。
检测装置则用于测量干涉条纹的形状和强度，包括像面 CCD 相机、光电倍增管和光电二极管等。
3. 光学干涉仪的观测数据分析光学干涉仪可用于测量不同光学参数，如波长、折射率、薄膜厚度等。
观测数据的分析方法主要包括干涉条纹的图像处理和干涉条纹的拟合分析。
对于干涉条纹的图像处理，常用的方法有滤波、二值化和边缘检测等。
这些方法可以帮助去除图像中的噪声和干扰，突出干涉条纹的特征。
干涉条纹的拟合分析则可以通过数学拟合方法，将干涉条纹的形状与理论模型进行比较，并得到实际测量值。
通过观测数据分析，可以得到准确的光学参数，并进一步研究光的性质和应用。
4. 实际应用与前景展望光学干涉仪在科学研究、工业制造和医学诊断等领域有着广泛的应用。
例如，在光学领域中，干涉仪可用于测量光学薄膜的厚度和光学材料的折射率。
在工业制造中，干涉仪可用于精确测量零件表面的形状和轮廓，以及判断材料的质量。
热膨胀系数测定实验报告
热膨胀系数测定实验报告热膨胀系数测定实验报告引言：热膨胀系数是描述物体在温度变化下体积变化程度的物理量，对于工程设计和材料研究具有重要意义。
本实验旨在通过测定不同材料的热膨胀系数，探究不同材料的热膨胀性质，为实际应用提供参考。
实验目的：1. 了解热膨胀系数的概念和意义；2. 掌握测量热膨胀系数的方法和步骤；3. 比较不同材料的热膨胀性质。
实验器材：1. 热膨胀系数测量装置；2. 不同材料的试样：如铝、铜、钢等。
实验步骤：1. 将热膨胀系数测量装置调整到合适的工作状态；2. 将待测试样固定在测量装置上，保证试样的稳定性；3. 调整测量装置的温度控制系统，使其能够按照一定的温度变化范围进行测量；4. 记录试样在不同温度下的长度变化，并计算出热膨胀系数。
实验结果与分析：通过实验测量得到的试样在不同温度下的长度变化数据，可以计算得到不同材料的热膨胀系数。
通过对实验结果的分析，可以得出以下结论：1. 不同材料的热膨胀系数存在差异，反映了不同材料对温度变化的敏感程度；2. 金属材料的热膨胀系数一般较大，而非金属材料的热膨胀系数较小；3. 随着温度的升高，试样的热膨胀系数一般呈现递增趋势。
实验误差分析：在实验过程中，由于测量仪器的精度限制、试样的制备和固定等因素，可能会引入一定的误差。
为了减小误差的影响，可以采取以下措施：1. 选择合适的测量仪器，提高测量的精度；2. 重复测量，取平均值，减小随机误差；3. 注意试样的制备和固定，保证试样的稳定性。
实验应用：热膨胀系数的测定对于工程设计和材料研究具有重要意义。
在工程实践中，我们需要考虑材料的热膨胀性质，以避免由于温度变化引起的结构变形和破坏。
例如，在建筑物的设计中，需要考虑材料的热膨胀系数，以防止温度变化引起的裂缝和变形。
在材料研究中，热膨胀系数的测定可以帮助科学家了解材料的热力学性质，为材料的开发和应用提供参考。
结论：通过本实验的测量和分析，我们得出了不同材料的热膨胀系数存在差异，金属材料的热膨胀系数一般较大，而非金属材料的热膨胀系数较小。
光的衍射法测量金属的热膨胀系数
光的衍射法测量金属线膨胀系数引言：金属丝的线膨胀系数时，金属棒的伸长量比较小不易测准．因此，测定测量金属线膨胀系数的装置，都是围绕如何测准该伸长量而设计的．在实验教材中一般采用光杠杆进行测量．而利用光的衍射法可以较精确地测量长度变化这一特点，测金属棒的伸长量即可比较精确的测量出金属线膨胀系数。
关键词：光的衍射、金属线膨胀系数、暗条纹 一．实验目的1）实现对金属线膨胀系数的比较准确的测量。
2）找到一种新的对金属线膨胀系数的测量方法。
二.实验原理：固体的长度一般随温度的升高而增加，称为线膨胀。
在一定温度范围内，原长为l 的物体受热后，其伸长量l ∆与原长l 和温度的增长t ∆近似成正比，即t l l ∆≈∆α（1）α称为线胀系数，其正规定义式为dtdll l 1=α（2） 设物体在温度t1(单位为 )时的长度为l 。
温度升到2t 时，其长度增加为l ∆，根据式（1）,可得)(12t t l ll -∆=α（3）测量线胀系数的主要问题，是怎样测准温度变化引起长度的微小变化。
实验时将待测金属棒直立在线胀系数测定仪的金属筒中，如图1所示，用来产生衍射的单缝的宽度是可调的．我们把被测金属棒与可动狭缝的下刀口相连．狭缝的上刀口放置在一微凋升降装置上．这样金属棒的伸长就带动狭缝宽度的变化，由此使衍射条纹发生变化．可以通过测量条纹间距离的变化量来确定狭缝宽度的变化量，从而确定金属丝的伸长量。
条纹间距的测量：利用光强分布检测仪观察光强强弱分布来确定某一级暗条纹在不同温度下距离中央明条纹的距离。
图一衍射图样中强度极小的一般公式:λθk a =sin （k =1,2,3，······）（4）a 为狭缝宽度，λ为激光波长，k 为暗条纹的级数，θsin 可由下式计算22sin yx y ry+==θ（5）代人式(2)，有yy x k a 22+=λ（6）在加热之前测出x 、y 值分别为x1 y1。
一种玻璃热膨胀系数测试的实验仪器
一种玻璃热膨胀系数测试的实验仪器【原创实用版】目录一、实验仪器的概述二、实验仪器的结构和工作原理三、实验仪器的使用方法和注意事项四、实验仪器的优缺点及应用范围五、实验仪器的发展趋势和展望正文一、实验仪器的概述玻璃热膨胀系数测试实验仪器是一种用于测量玻璃材料在温度变化时线性膨胀系数的设备。
线性膨胀系数是指物质在单位长度范围内，温度变化 1℃时产生的长度变化。
玻璃热膨胀系数测试实验仪器可以帮助研究者了解玻璃材料的热膨胀性能，为生产和科研提供数据支持。
二、实验仪器的结构和工作原理玻璃热膨胀系数测试实验仪器主要由温度控制系统、测量系统和数据处理系统组成。
1.温度控制系统：温度控制系统是实验仪器的核心部分，主要负责为实验样品提供稳定的温度环境。
一般采用高温炉或加热器作为温度源，通过温度传感器实时监测温度变化，并根据预设值进行调节，以保证实验过程中的温度稳定。
2.测量系统：测量系统主要包括千分表、激光测距仪等测量设备，用于测量实验样品在不同温度下的长度变化。
千分表通过读取刻度盘上的数值，可以精确地测量样品的长度；激光测距仪则利用激光束测量样品的距离，从而间接得到样品的长度。
3.数据处理系统：数据处理系统负责对实验数据进行收集、处理和分析。
通过对实验数据进行统计分析，可以得到玻璃材料的线膨胀系数。
三、实验仪器的使用方法和注意事项在使用玻璃热膨胀系数测试实验仪器时，需要注意以下几点：1.样品的准备：实验样品应选取具有代表性的玻璃材料，如高硼硅玻璃等。
样品的尺寸和形状应符合实验要求，以保证实验结果的准确性。
2.温度设定：在进行实验前，需要根据实验要求设定合适的温度阶段。
通常需要涵盖玻璃材料的玻璃化温度、软化点、退火温度等重要温度点。
3.实验操作：实验过程中，应严格按照操作规程进行，避免因操作不当导致的实验数据偏差。
4.数据处理：实验数据处理过程中，应注意对数据进行有效筛选，剔除异常值，以提高实验结果的可靠性。
四、实验仪器的优缺点及应用范围玻璃热膨胀系数测试实验仪器具有以下优点：1.测量精度高：采用精密的千分表和激光测距仪等测量设备，可以实现高精度的测量。
光杠杆法测量金属的线胀系数
光杠杆法测量金属的线胀系数任何物体都具有“热胀冷缩”的特性，这个特性在工程设计、精密仪表设计、材料的焊接和加工中都必须加以考虑。
在一维情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀，我们用线膨胀来表示固体的这种差别。
测定固体的线胀系数，实际上归结为测量在某一温度范围内的固体的微小伸长量。
测量方法有光杠杆法、螺旋测微法、干涉法等，本实验用光杠杆法，测量精确度极高。
【实验目的】1.学会用光杠杆法测量固体长度的微小变化。
2.测量金属杆的线膨胀系数。
【实验原理】固体加热时，体积将增大，这是一般物体所具有“热胀冷缩”的特性，固体受热后长度的增长称为“线膨胀”，其长度L 和温度之间的关系为L=L 0(1+αt+βt 2+……) （1）式中L 0为温度t=0℃时的长度。
α、β……是和被测物质有关的常数，都是很小的数值。
而β以下各系数和α相比甚小。
所以在常温下可以忽略，则（1）式可写成： L=L 0(1+αt) （2） 式中α就是通常所称的线胀系数，其物理意义为温度每升高一度时物体的伸长量与它在零度时的长度比，单位是度分之一（℃—1）如果在温度t 1和t 2时，金属杆的长度分别为L 1和L 2，则可写出：L 1=L 0(1+αt 1) （3） L 2=L 0(1+αt 2) （4）将式（3）代入式（4），化简后得：)(1122112t L L t L L L −−=α （5） 由于L 2与L 1变化微小，L 2/ L 1≈1所以（5）式可近似写成 tL Lt t L L L ΔΔ=−−=112112)(α （6）测量线膨胀系数的主要问题是怎么测准温度变化引起长度的微小变化ΔL。
本实验采用光杠杆原理来测量长度的微小变化ΔL。
设D 为镜面到标尺的距离，K 为镜的单脚到双脚之距离。
ΔX 是温度由t 0开始至t 1时望远镜中标尺读数的增量。
则：X DKL Δ⋅=Δ2 （7） 将式（7）代入式（6）得： )(2121t t DL XK −Δ⋅=α （8）α标=1.89×10-5·℃—1附图1 501型超级恒温器【实验仪器】：1.501型超级恒温器501型超级恒温器的外形如图1。
实验4.20金属线胀系数的测量(修改后)
实验 4.20 金属线膨胀系数的测定【实验目的】1．理解线膨胀系数的意义，掌握测定金属杆线膨胀系数的方法。
2．掌握用光杠杆测量固体微小伸长量的原理及方法。
【实验仪器】金属线胀系数测定仪、光杠杆、米尺、望远镜、游标卡尺、电子温度计。
【实验原理】一、线胀系数测量的基本原理任何物体都具有“热胀冷缩”的特性，这个特性在工程设计、精密仪表设计、材料的焊接和加工中都必须加以考虑。
线胀系数是描述材科受热膨胀的一项重要参数，金属线胀系数的测定是大学物理实验中一个重要的热学实验。
测量金属线胀系数的方法按加热方式分为流水加热法、水蒸气加热法、电加热法等；按测量方式分为：千分表法、组合法、单色光的劈尖干涉法、光杠杆法、传感器测量法等。
目前，金属线胀系数测量较为常见的是利用电加热待测金属杆，采用温度计在多个温度工作点下，用尺度望远镜和光扛杆测量金属杆由不同状态温差所引起的长度变化，从而得到金属杆的线胀系数。
固体加热时，体积将增大，这是一般物体所具有“热胀冷缩”的特性，固体受热后长度的增长称为“线膨胀”，其长度L和温度之间的关系为L=L0(1+αt+βt2+⋯) (4.20.1）式中L0为温度 t=0℃时的长度。
α、β……是和被测物质有关的常数，都是很小的数值。
而β以后各系数和α相比更小。
所以在常温下可以忽略，则（4.20.1）式可写成：L=L0(1+αt)（4.20.2）式中α就是通常所称的线胀系数，其物理意义为温度每升1℃度时物体的伸长量与它在零度时的长度比，单位是℃-1。
如果在温度 t1和t2时，金属杆的长度分别为L1和 L2则可写出：L1=L0(1+αt1)（4.20.3）L2=L0(1+αt2)（4.20.4）将式（4.20.3）代入式（4.20.4），化简后得：α=L2−L1L1(t2−L2L1t1)（4.20.5）由于 L2与L1变化微小，L2L1⁄≈1所以（4.20.5）式可近似写成α=L2−L1L1(t2−t1)=∆LL1∆t（4.20.6）其中∆L 是温度由t1升至t2时金属棒的伸长量。
光干涉法测量Fe-Ni因瓦合金热膨胀系数
【中图分类】O436.1;TF125.1
【相关文献】
1.光干涉法高精度材料线膨胀系数测量 [J], 张旭东;苏永昌;叶孝佑
2.光干涉法热膨胀系数自动测量仪器设计 [J], 石铁钢
3.测量晶体最大双折射率温度系数的偏光干涉法 [J], 孔凡美;李国华;马育栋
4.线胀系数的视频在线光干涉法测量研究 [J], 王青;王君;戴怡乐;戴剑锋;李维学
【总页数】3页(P38-40)
【作 者】邓文;徐守磊;王昊;朱彦彦;张文春;黄宇阳
【作者单位】广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004;广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004;广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004;广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004;广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004;广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004
光干涉法测量Fe-Ni因瓦合金热膨胀系数
邓文;徐守磊;王昊;朱彦彦;张文春;黄宇阳
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期仪改装成可准确并快速地测量固体长度微小变化量的仪器,并用该装置测量了不同化学成分的Fe-Ni合金在25～65℃的温度范围内的热膨胀系数.实验发现,化学成分对Fe-Ni合金的热膨胀系数有很大的影响,Fe65Ni35合金的热膨胀系数最小,偏离该成分的合金的热膨胀系数升高.
5.7A52铝合金原位加热过程中的物相转变与热膨胀系数测量 [J], 黄继武;尹志民;聂波;陈继强;何振波
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物理实验中的热膨胀测量技术
物理实验中的热膨胀测量技术热膨胀是物质在加热过程中由于温度升高而体积增大的现象。
热膨胀测量技术是一项重要的物理实验技术，广泛应用于工程、材料科学、天文学等领域。
本文将重点探讨物理实验中的热膨胀测量技术，包括一些常见的测量方法和设备。
一、扩散法测量热膨胀扩散法是一种常见的热膨胀测量方法，其原理是利用热传导的差异来测量物体的体积变化。
一般情况下，实验中会采用金属材料或陶瓷等导热性能较好的物质作为测量样品。
首先，将两个样品通过一个热传导接触面连接起来，并加热其中一个样品。
随着温度升高，加热样品会发生热膨胀，导致两个样品之间的热传导差异增大，进而使得另一个样品温度升高。
通过测量温度的变化，可以计算出样品的热膨胀系数。
扩散法测量热膨胀具有高精度、灵敏度高的优点，被广泛应用于材料研究领域。
例如，科学家们可以利用扩散法测量材料在高温下的膨胀系数，从而了解材料在不同温度下的物理性质，为材料的设计和制造提供基础数据。
二、光学干涉法测量热膨胀光学干涉法是另一种常见的热膨胀测量技术，其原理是利用光的干涉现象测量物体的位移或形变。
实验中通常采用Michelson干涉仪来进行测量。
Michelson干涉仪是一种基于干涉原理构建的测量仪器，可以将光波的干涉现象转化为位移或形变的测量结果。
在热膨胀测量实验中，研究人员会将一个样品与Michelson干涉仪相连，并将光源发出的光线照射在样品上。
由于样品的热膨胀引起的位移，导致干涉仪的干涉条纹产生变化。
通过对干涉条纹的观察和分析，可以计算出样品的热膨胀系数。
光学干涉法测量热膨胀具有非接触、无损伤、高精度等优点，适用于测量各种材料的膨胀参数。
它在材料科学、机械工程、航空航天等领域有着广泛的应用。
例如，在制造精密仪器或导航设备时，科学家可以利用光学干涉法测量材料的热膨胀，从而保证制造的产品在不同温度下能够保持稳定的性能。
三、电阻式测温法测量热膨胀电阻式测温法是利用物体的电阻随温度变化的规律来测量热膨胀的一种方法。
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光干涉法热膨胀系数自动测量仪器设计 石铁钢 光干涉法热膨胀系数自动测量仪器设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｈｅａｔ—ｅｘｐａｎｄａｂｉｌｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ 石铁钢 （中国地质大学数学与物理学院 湖北武汉４３００７４）
［摘要］ 文章介绍了一种利用激光干涉原理及应用单片机技术和传感器技术来自动测量固体的热膨胀 系数的方法。由此设计的仪器具有精度高、自动化程度高、功能更强等优点。 ［关键词］单片机传感器 热膨胀系数 ［中图分类号］ＴＰ２ ［文献标识码］Ａ
随着材料科学技术的飞速发展，人们对材料的 要求越来越高，其中，材料的热胀冷缩的性质成为建 筑、工程应用、机械加工等领域必须加以考虑的问 题。因此，材料热膨胀系数有时成为衡量材料的一 项重要指标，对它的测量就显得尤为重要。 对于固体热膨胀系数的测量，测量原理大致相 同，测量手段却大相径庭。多数测量方法，由于种种 原因，测量过程复杂，测量精度不高，容易出现过失 误差，测量误差较大。
测量出固体的长度、温度的变化量以及由此产生的 伸长量。而对第一项固体长度的测量能够很容易实 现相对较高精度的测量，但是一般来说，△Ｌ《Ｌ，如
一根１０ ＣＩＴＩ长的铝棒，在温差为１Ｏ Ｋ时，其长度变 化为ＡＬ＝２．３８×１０ ＩＴＩ，用普通长度测量工具很难 实现高精度的测量。因而实现对更小的伸长量△Ｌ 及温差的准确测量成为提高热膨胀系数ａ精度的关 键。
１ 固体热膨胀系数的测量原理 ２ 激光干涉法测量△Ｌ
１．１仪器基本结构 本文根据热膨胀系数测量的基本原理，在固体 因受热产生的微小长度变化的测量方面，利用了激 光干涉的原理以提高精度。温度的测量方面采用 ＤＳ１８Ｂ２０型智能温度传感器，具有精度高、实时性 等特点。以单片机技术将二者整合，构建成为一套 完整的测量系统，从而实现对固体热膨胀系数的高 精度、全自动测量，其基本结构示意图如图１所示。
参数 堕 ：测温电路 Ｉ 片 一 ｌ Ｕ 设定 加热控制电路ｌ炷 加
图１ 热膨胀仪器设计示意图 １．２热膨胀系数的测量原理 研究表明，通常情况下，固体的伸长量可视为与 温度变化量成正比。设Ｌ为试样在温度Ｔ。下的长 度、△Ｉ 为试样在试验温度为Ｔ 时的伸长量，则该 试样的热膨胀系数ａ为：
ａ一 （１） 一 ＿＝＝ ¨ 因此，要实现对固体热膨胀系数的测量，只需要
２．１ △Ｌ测量原理 参照迈克尔逊干涉仪的基本原理，稍做改造，我们 即可设计出精确测量△Ｌ的装置，原理如图２所示。
曼
观测屏图像 图２ ＡＩ 测量光路图
在图２中，半透镜Ｐ与入射光成４５。角，其第二 面上涂有半透膜，能够将入射光分成振幅几乎相等 的反射光和透射光，激光器发出的光线经扩束镜扩 束后照射在半透镜上，经半透镜分振幅后成为两束 光：反射光１和透射光２。反射镜Ｍ 固定于仪器且 垂直于光束１，反射镜Ｍｚ垂直于透射光２并以镙丝 固定在被测棒的一端（活动端），被测棒的另一端固 定在仪器台盘上。其中，光１再经Ｍ 反射后经半
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维普资讯 http://www.cqvip.com 《仪器仪表与分析监测））２ＯＯ７年第３期 透镜最终到达观测屏，透射光２照射在Ｍ。上，经反 射后再受半透镜反射到达观测屏。由此可知，最终 到达观测屏的光线都来自于同一光源经分振幅而产 生，因而可发生干涉，由迈克尔逊干涉仪的原理可 知，当反射光１和透射光２二者严格垂直时，观察屏 上形成的干涉图样如图２所示，为明暗相问的同心 圆。在屏中心置一光敏二极管，用以检测干涉条纹 的变化情况。在具体实验时，须通过仔细调节，最终 应使干涉条纹中心与光敏二极管位置大致重合。 根据迈克尔逊干涉仪的基本原理，若Ｍ 、Ｍ。 在仪器上的位置发生变化，这种位置的变化会在观 测屏上的图像的变化上反应出来（在本文中，Ｍ 的 位置在实验中是固定的，故不考虑其位置的变化情 况）。设Ｍ 由于被测棒的膨胀而发生的位移改变 量为Ａｄ，此时观测屏上的条纹会产生相应的变化 （涌出或湮没），设其涌出或湮没的条纹数目为ＡＮ， 则二者的关系为： △ —ＡＮ・ ２ （２） 由此，可通过观测条纹的变化数目来测量被测 棒的微小长度改变量。 ２．２ △Ｌ的测量误差 在一般情况下，由观测条纹而引起的△Ｌ的误 差最大应小于一个条纹所对应的长度变化即Ｘ／２。 设光源为氦氖激光器，其入射光波长为６ ３２８Ａ，则 其最大误差不超过０．３×１０ ｍ，若对软件进行优 化设计，其测量误差还可进一步减小。因而该法具 有很高的测量精度。 为实现仪器的自动测量及计算，也为避免人为 读数错误所引起的实验结果的不准确性，本文采用 光敏元件来对条纹变化进行计数。光敏二极管可实 现对条纹变化数目的测量：当观测屏涌出或湮没一 个条纹时，光敏二极管上的光照强度也会出现一个 周期的明暗变化，光敏二极管将其转变为电压的变 化，放大并经Ａ／Ｄ转换后，经单片机分析电压的周 期性变化，即电压信号从一个极大值（或极小值）变 到另一个极大值（或极小值）时，即可知屏上的图像 经过了一个条纹的变化，据此即可掌握实验过程中 条纹的总的变化情况，进而利用（２）式可测算出Ａｄ 的大小。 ３温度检测及控制 ３．１温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０ ２６一 本实验的设定温度测量范围在０～１００℃之间， 测量误差要求在０．５℃以内。根据此要求，我们采 用温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０来进行系统温度的实时检 测，其外观如图３所示。
１：接地端（ＧＮＤ） ｆ口口口１ ２：数据输入／输出（ＤＱ） ３：电源端（ＶＤＤ）
ｌ ２ ｊ 图３温度传感器的外观
ＤＳ１８Ｂ２０是ＤＡＬＩ ＡＳ公司生产的一线式数字 温度传感器，温度测量范围为一５５～＋１２５。Ｃ，可编 程为９位～ｌ２位Ａ／Ｄ转换精度，测温分辨率可达 ０．０６２ ５。Ｃ，被测温度用符号扩展的ｌ６位数字量方 式串行输出；１２位分辨率时最多在７５０ ｍｓ内把温 度值转换为数字；其工作电源既可在远端引入，也可 采用寄生电源方式产生；ＣＰＵ只需一根端口线就能 与很多ＤＳ１８Ｂ２０通信，占用微处理器的端口较少， 可节省大量的引线和逻辑电路。 ３．２温度传感器电路 与传统模拟温度传感器相比，ＤＳ１８Ｂ２０与ＣＰＵ 的连接电路将变得极其简单，只要将ＤＳ１８Ｂ２０的信 号线与单片机的Ｐ１．０口相连即可。如图４所示：
ＤＳ１８Ｂ２０与ｇ０５１的接口 在本仪器中，采用电阻丝对被测棒进行电加热 实现系统温度的变化。电阻丝加热与否取决于受单 片机控制的继电器。当实验开始之后，由单片机给 出信号，加热电阻丝电路接通，系统进行加热，被测 棒温度升高；当被测棒温度高于系统所设定的最高 温度时，单片机再发出信号断开加热电源，系统自动 停止加热。
４人机接口界面 ４．１功能实现 人机接口界面包括对仪器的参数输入、实验数 据的控制处理以及仪器的数据显示输出等。以上功 能主要通过设置按键和数码管显示来实现。按键设
维普资讯 http://www.cqvip.com 数字式仪表分段模板匹配识别算法研究 程希，等 置及功能如下： Ｔ。：显示Ｔ。温度值（默认值为４Ｏ。Ｃ）并使其变 成可编辑状态； Ｔ ：显示Ｔ 温度值（默认值为８Ｏ。Ｃ）并使其变 成可编辑状态； ＋：当Ｔｏ或Ｔ 成为可编辑状态时增加其设定值； ：当 或Ｔ 成为可编辑状态时减小其设定值； 开始：开始加热并进行数据测量计数； 计算：计算出试样的热膨胀系数ａ； 显示：显示条纹数Ｎ和当前温度Ｔ； ＲＥＳＥＴ：复位。 ４．２仪器操作过程 （１）打开电源开机，按“Ｔ。”键，数码管显示Ｔ。 温度值（默认值为４Ｏ℃）并闪烁，按“＋”或“一”可增 大或减小Ｔ。温度设定值； （２）对“Ｔ ”键同样操作可改变Ｔ 的温度设定 值（若开机后不做任何设定，测默认ＴＩ］为４Ｏ℃，Ｔ 为８Ｏ。Ｃ）； （３）按“开始”键，系统接通电源加热。当被测棒 温度大于 时，数码管显示屏幕的条纹变化数或 被测棒当前温度（可按“显示”键进行切换），当被测 棒温度大于Ｔ 时，系统停止加热和计数； （４）测量完成后，按“计算”键，单片机计算出试 样的热膨胀系数ａ并以数码管显示出来； （５）按“显示”键可显示条纹数Ｎ或当前温度 Ｔ，按“Ｔ。”或“Ｔ ”键，数码管可显示Ｔ。或Ｔ 的温 度设定值（此时不能改变其值）； （６）按“ＲＥＳＥＴ”键使系统清零，重新开始实验。
５ 结束语 本文利用光的干涉原理及单片机技术进行固体 的热膨胀系数的测量，具有自动化程度高、电路结构 较为简单、实验结果精确等优点，在实验过程中无需 人工干预，一般材料（如铁、铝等）的实验结果的百分 误差可控制在０．５ 以内，大大优于目前很多同类 仪器的测量精度，能够为教学及科研项目提供物体 精确的热膨胀系数结果。
参考文献 ［１］王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天 津：天津大学出版社，１９９９． ［２］许育林，王晓威，左谨平．光电位置传感器件对 微小位移的测量与应用［Ｊ］．仪器仪表与传感 器，２００４（２）． 七 七七七七 七七七七七 （上接第２４页）／／设置输出字符为覆盖的方式 ｐＤＣ一＞ＴｅｘｔＯｕｔ（ｘ，Ｙ……．）；／／用ｐＤＣ一 ＞ＴｅｘｔＯｕｔ函数输出
ＲｅｌｅａｓｅＤＣ（ｐＤＣ）； ） ２．４监控功能的实现 双发双收声波时差测井的过程是先由地面声波 数控测井系统隔一定的时间向井下发射一个声波逻 辑脉冲，井下仪器接收到声波逻辑脉冲后，即向地面 声波数控测井系统返回一个声波序列，当声波序列 的同步头到达地面声波数控测井系统之后，地面声 波数控测井系统就将声波序列信号用高速Ａ／Ｄ卡 采集下来，然后就在虚拟声波示波器中将波形显示 出来，并计算出同步头到声波首波之间的时间差。 要实现上述功能，还需要有一个定时器，以实现驱动 系统以一定的时间间隔向井下发射声波逻辑脉冲、 对声波序列信号进行高速Ａ／Ｄ采集和显示声波波 形以及计算声波时差等。在实际中，该时间间隔一
般为５０ ｍｓ，当进行加密测井时时间间隔变为２０ｍｓ 或更小。在ＣＳｂｊｋ类中对该定时器消息进行处理， 调用函数ｄｉｓｐＣｕｒｖｅ（）以及函数ｄｉｓｐＤａｔａ（）便可实 现声波曲线和声波参数的实时显示。
３ 结束语 通过利用对话框来实现虚拟声波示波器的设计 充分体现了Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０程序设计的灵活性， 也充分体现了Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０对话框功能的强大 性和灵活性。实验表明，虚拟声波示波器能完全能 代替实际的声波示波器，具有很大的实际意义。
参考文献 ［１］王华等．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０编程实例与技巧 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９． ［２］ 万跃华．例解Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０一学即通 ［Ｍ］．北京：电子科技大学出版社，１９９９． ［３］ 王国印．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋技术内幕［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，１９９４． ２７—