光杠杆法测量膨胀系数的注意事项与实施

1.适用范围

光杠杆法适用于各种刚性固体材料，包括金属与非金属，测量的温度一般在1000℃以下的中温区。

2.测量原理

试样热膨胀的膨胀量通过一根传递杆引出，传递杆推动一个带小镜的光三角架（或其他光杠杆机构）转动，将试样的膨胀量转换成入射光点的位移量，借助感光记录纸（板）或经光电转换由电学量测量而得。

3.检测方法

（1）经典光杠杆膨胀仪　这种仪器由膨胀计、记录仪、炉子及光源等部分组成，如图4-9所示。膨胀仪上有两个石英管1和2，其中各放置标准样品13和被测试样3，两样品的尺寸相同（直径3.5～4mm，长50mm），它们的一端各自顶在两个石英管的封闭端，另一端分别与石英杆12和4相接触。两者的伸长量通过石英杆12和4及金属杆11和5传递到光杠杆7的可动支点上。光杠杆为直角三角形，三角形中部装有一反射镜8，直角三角形背面三个角的顶点上有突出的尖点10（直角顶点）、9和6，点10固定，点9和点6分别与标准试样和试样的顶杆相接触。当标准试样或试样膨胀时，光杠杆在它们的推动下发生偏转；当标准试样或试样收缩时，则光杠杆在弹簧的反作用下作反方向偏转，反射镜8也随之转动。入射光投射到反射镜8，光点经暗箱多次反射后落到感光板或映像纸上使之感光，即可得到光点移动的轨迹。标准试样伸缩时，光点沿z轴移动；试样伸缩时，光点沿y轴移动。

图4-9 光杠杆膨胀计原理图

1、2—石英管 3—被测试样 4、12—石英杆 5、11—金属杆 6、9—尖点 7—光杠杆 8—反射镜 10—固定点 13—标准样品

标准试样的膨胀量经标定后可作为温度坐标。试样的平均线胀系数按下式计算：

式中 AL_m——感光纸上记录的试样膨胀量，单位为mm；

K——光杠杆的放大倍数：

L<subscript>0</subscript>——试样原长，单位为mm；

To——初始温度，单位为℃；

T——试样膨胀ΔL<subscript>m</subscript>时的温度，单位为℃。

标准试样用于指示待测试样的温度，在加热和冷却时，其位置应靠近待测试样。由于采用标准样品的膨胀量来表示待测试样的温度，故对照相记录膨胀曲线十分方便。对标准试样所用材料有如下要求。

1）膨胀系数不随温度而变，且较大。

2）在使用的温度范围内没有相变，不易氧化，与试样的热导率接近。

3）在较低温度范围研究有色金属及合金时，常用纯铝和纯铜作标准试样。

4）研究钢铁材料时，由于加热温度比较高，常用镍铬合金或皮洛斯合金作标准试样。

标准试样的形状和尺寸如图4-10所示，在标定标准试样膨胀量所对应的温度时，需将热电偶插入标准试样的小孔中。

待测试样的形状和尺寸最好与标准试样相同，但由于标准试样的形状复杂，加工较麻烦，故在实际测量时，在加热和冷却速度较慢的条件下，可采用简单的圆柱形试样，也能得到比较准确的测量结果。但在快速加热和冷却时，如试样与标准试样的形状相差大，吸热和散热情况就不同，待测试样和标准试样之间便会产生相当大的温差。

（2）示差光杠杆膨胀仪　这种仪器所测量的膨胀量是标准试样与试样膨胀量的差。与经典光杠杆膨胀仪不同的是三角架的形状不是等腰直角三角形，而是一个具有30°角和60°角的直角三角形，如图4-11所示。

图4-10 标准试样示意图

图4-11 示差光杠杆膨胀计原理图

1—标准试样 2—待测试样 3—反射镜

按示差法工作时，标准试样的顶杆与光杠杆的直角三角形的直角顶点相触，试样的顶杆与光杠杆的一锐角顶点相触，另一锐角顶点固定。试样膨胀时光点仍按y轴方向移动，但标准试样膨胀时反射镜绕三角形的斜边转动，使光点与横坐标成α角（即OA方向）移动，如图4-12所示。(www.xing528.com)

试样和标准试样两者同时膨胀时，光点沿OC方向移动。OC在坐标纵轴上的投影CC′即为标准试样与试样的膨胀量之差，其值为ΔL_m=OB=OAsinα-CC′。试样的平均线胀系数为：

式中 ——平均线胀系数，单位为℃^-1；——标准试样的平均线胀系数，单位为℃^-1；

ΔL_m——感光纸上记录的试样膨胀量，单位为mm；

K——光杠杆的放大倍数；

L₀——试样原长，单位为mm；

T₀——初始温度，单位为℃；

T——试样膨胀ΔL_m时的温度，单位为℃。

图4-12 光杠杆示差法 测量记录图

示差法的优点是便于展示在相变过程中试样膨胀量的变化，可从膨胀量的变化确定材料的相变点，因此多用于测量有相变的材料。另外，由于抵消了石英的膨胀，故测量的准确度较高。同时，由于所测膨胀量为标准试样和待测试样的膨胀量的差值，当被测试样出现相变时反应更为灵敏，因此还可以用此法来测量相变点和相转变的速率。

图4-13 高灵敏光杠杆膨胀仪

a）膨胀计 b）光杠杆

1—顶头 2—铍青铜带 3—小镜 4—窗口 5—试样 6—加热器 7、10、11—长焦距透镜 8—真空抽口 9、17—光栅 12—测微器 13—光源 14—光电池 15、16—透镜

（3）高灵敏度光杠杆膨胀仪 高灵敏度光杠杆膨胀仪适用于在低温范围内的高精度测量。它的特点不仅仅在于灵敏度高，而且在光杠杆系统的外面有一个方便的调节机构，如图4-13所示。图4-13中一个小镜安置在两条弹性极好的铍青铜薄带之间，薄带朝一个方向扭转数圈，然后一端固定在恒温器的底上，另一端与试样相接。加热丝直接绕在试样上。当试样受热膨胀时，扭转的铍青铜带向与原扭转相反的方向转动，因而小镜跟随转动，转动的角位移量反映出试样长度的变化。角位移量由一套光杠杆机构检测，该机构包括入射光源、透镜组、光栅、微调器和光电池等。这种形式的光杠杆装置灵敏度极高，对于10^-8rad以上的角位移量均能检测。

（4）标准试样的膨胀系数 定型生产的光杠杆膨胀仪一般均带有标准样品，有的用克罗林合金，其平均线胀系数如表4-8所示，有的用皮洛斯合金，其平均线胀系数如表4-9所示。

表4-8 克罗林合金的平均线胀系数

表4-9 皮洛斯合金的平均线胀系数

（5）注意事项　使用光杠杆法测量膨胀系数时，为了减小误差，应注意以下事项：

1）安装试样时，必须保证它与石英顶杆稳妥地接触，装完试样后轻轻振动膨胀计各部位，观察光点的位置是否发生变动。同时，试验过程中必须防止振动。

2）要选用特别的感光纸或干板作记录，若采用普通照相纸记录，必须对其纵向和横向的收缩率分别进行标定。

3）光点的大小和光线的强弱对测量精度均有影响，应尽量使光点细、圆，同时要有足够的强度，必要时使用氦氖激光器作光源。

4）用热电偶测温时，热电偶的热端要插入试样中，但不得阻碍试样的自由膨胀。

5）炉子的温度要稳定，升温速度不宜超过5℃/min。