摘 要 将迈克尔逊干涉仪的精确测量和传统金属线膨胀系数的测量方法相结合，研制一种金属热胀系数自动测量仪，被测金属样品被加热后会发生长度的变化，从带动镜面产生微小移动，进而引起迈克尔逊光路中两束光的光程差的改变，通过干涉条纹自动计数系统记录温度变化时干涉条纹的变化数量，以实现对金属热胀系数的自动测量。
关键词 热胀系数；迈克尔逊干涉仪；自动测量
中图分类号：TP212.6 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）10-0038-03
Abstract An automatic measurement instrument for the metallic thermal expansion coefficient is developed based on the combination of the traditional measuring and Michelson Interferometer. The length of the metal varies， the mirror moves tiny and the length difference of two lights when the metal is heated. The metallic thermal expansion coefficient is measured automatically with a Michelson Interference fringes automatic counter for different temperature.
Key words thermal expansion coefficient； Michelson Interfero-meter； automatic measurement
1 引言
固体在温度改变时，都要产生膨胀或收缩，其变形虽小，却能产生非常大的作用力[1-4]。各种仪器、机器设备、建筑物通常用不同的固体材料制成，选择这些材料时必须考虑它们的膨胀和收缩性能。因此，热膨胀系数是表征材料的热物理性质的重要参数。在工程技术中，对于处在温度变化条件下的材料，热膨胀系数不仅有助于材料性能，而且是对材料进行结构设计的关键参数。材料的热膨胀性能的重要性还表现在它与材料抗热震的能力、受热后应力大小及分布密切相关。此外，通过对材料热膨胀系数随温度变化曲线的测定，还可以进行材料相变、微裂变的愈合和扩展等基础理论的研究。因此，准确测量材料的热膨胀系数，不仅对了解材料的热膨胀性能，进行材料随温度变化过程分析具有重要的意义，而且对新型材料的研究和应用、新科技领域的开发和扩展都具有非常重要的作用。
传统的金属热膨胀系数传统测量方法是利用加热器加热，并采用光杠杆和尺读望远镜读数的方法进行测量，但这种测量存在设备占地面积大、调节难度高和测量精度低等问题[1]。为了解决传统测量方法中存在的种种不足，将迈克尔逊干涉原理和金属热胀系数传统测量方法相结合，实现金属热胀系数的自动测量。
2 工作原理
金属热胀系数自动测量仪是在传统迈克尔逊干涉仪的基础上，利用带有反射镜的加热系统替代原有的动镜部分，利用条纹自动计数系统替代毛玻璃观察屏，具体光路如图1所示。激光器发出的光，经分光板后分成两部分。其中，光束1经分光板反射后向着反射镜1前进；光束2透过分光板，然后经过补偿板向着反射镜2前进。这两束光波分别经反射镜1和反射镜2反射后逆着各自的入射方向返回，最后被条纹自动计数系统接收。
测量时，利用加热系统改变被测金属管自身温度，由于热胀冷缩的作用，金属管会发生微小形变，从而带动与之相连的反射镜2产生微小的移动，从而引起迈克尔逊光路中两束光的光程差的改变，进而造成干涉条纹数目的变化。通过干涉条纹自动计数系统记录温度变化时上干涉条纹的变化数量为N，则被测金属管的长度变化量Δl为：
式中λ为激光波长。通过加热系统的温度显示部分可记录与Δl对应的温度变化值Δt，则被测金属管得热胀系数α为：
式中l0为被测金属管初始长度。
3 实验装置
金属热胀系数自动测量仪分为迈克尔逊干涉系统、加热系统和干涉条纹自动计数系统，如图2所示。
迈克尔逊干涉系统 迈克尔逊干涉系统是在传统的迈克尔逊干涉仪基础上改进而成的，它包括激光光源、固定反射镜、底座、补偿板、分束板等几部分。光源采用多束光纤激光器，波长为632.8 nm，系统工作原理和调节方法与迈克尔逊干涉仪相同。
加热系统 加热系统如图3所示，它由数码管温度计、电源模块、被测金属管、金属管固定座、加热筒、反射镜片、导轨固定座和外壳箱等部分组成。金属管处在加热筒中央，其一端被固定座固定，另一端连接一反射镜片，反射镜片角度可调；数码管温度计的温度显示部分位于加热系统前部，Pt100热电偶温度传感器放置在被测金属管中央；导轨固定座将外壳箱固定在迈克尔逊导轨上；电源模块可对数码管和加热筒供电。
接通电源，温度显示屏显示金属管的温度。打开加热开关，加热筒开始加热时，指示灯亮起；关掉电源开关，停止加热时，指示灯熄灭，温度计仍然显示温度，便于测量降温过程中的温度变化。除反射镜片外，其他所有部件均被置于外壳箱中，并用隔热材料加以保护，防止升温过程中对系统产生影响，系统内部各部分之间均采用高温线相连接。为了加强降温测量中降温的实施，在外壳箱两侧设计有均匀的散热孔。
干涉条纹自动计数系统 干涉条纹自动计数系统如图4所示，其工作原理是通过比较光敏电阻和阈值来采集干涉条纹的变化，产生与明暗条纹相对应的电脉冲，再通过单片机来计数并显示。该系统包括光敏电阻、信号检测与处理电路和计数显示驱动电路三部分。
1）光敏电阻。根据实验原理，接收屏上出现明暗相间的条纹变化，条纹圆心处光强也是明暗交替变化的，明暗变化一个周期，正好对应条纹的一次吞吐。将光敏电阻安装在接收屏的干涉条纹圆心处用来采集光信号，即将干涉环中心的明暗变化转换成相应的电脉冲信号，将信号输入单片机，经过程序处理后得出变化的条纹数，最后经数码管进行数字显示。
2）信号检测与处理电路。光电检测器件所接收的光信号一般十分微弱，输出信号往往被深埋在噪声当中，要有效利用这种信号，就必须对其进行放大。信号检测与处理电路选择性能优越的集成运放LM358模块为主要工作元件，它可对光敏电阻的输出信号进行有效放大，并进行降噪处理。
3）计数显示驱动电路。利用单片机对信号进行处理并计数。单片机是采用先进的CMOS工艺的单片8位微处理器，并采用串行接口4位LED显示驱动器，它是一种高集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，只需外接一个电阻就可为所有的LED提供电流。
4 系统测评
为了测试设计制作的金属热胀系数自动测量仪的性能，对加热系统进行整体测试，反复多次升温降温测量，发现整个系统具有加热稳定、散热均匀和运行可靠等优点。此外，为了验证系统金属热膨胀系数测量的精确性，分别利用传统光杠杆放大法和本测量仪对紫铜空心杆的线膨胀系数进行对比试验，各试验五次，并计算出两种测量方法所获得的测量结果相对于标准值（1.64×10-5/℃）的相对误差，结果如图5所示。不难发现，与传统光杠杆测量方法相比，干涉法测量法的误差被极大地降低，结果精确度较高。
5 结语
本文设计制作的金属热膨胀系数自动测量仪以传统迈克尔逊干涉仪为基础，将光的干涉原理运用到金属线膨胀系数的测量当中。与传统金属线膨胀系数测量方法相比，该测量仪具有结构简单、设计巧妙和测量精度高等优点。
参考文献
[1]杨述武，马葭生，贾玉民，等.普通物理实验[M].北京：高等教育出版社，2000.
[2]李新春.金属线胀系数测量实验研究[J].实验科学与技术，2005（1）：79-81.
[3]赵斌，陈明伟.金属线胀系数的测定[J].武汉工业学院学报，2004，23（2）：109-110.
[4]刘爱华.电热法测量固体线胀系数改进[J].物理实验，2005，25（5）：42-44.