一種基于虛擬儀器的金屬線膨脹率測(cè)量方法

劉 佳，鄧月明

（湖南師范大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

一種基于虛擬儀器的金屬線膨脹率測(cè)量方法

劉 佳，鄧月明?

（湖南師范大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

針對(duì)工業(yè)界金屬線膨脹率測(cè)量的問題，利用夫瑯和費(fèi)單縫衍射可測(cè)縫寬原理，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器——LabVIEW及數(shù)字圖像處理技術(shù)的金屬線膨脹率測(cè)量方法。該方法在LabVIEW平臺(tái)下，采用嵌入式溫度控制器對(duì)金屬的加熱進(jìn)行控制，同時(shí)通過CCD成像系統(tǒng)與LabVIEW光強(qiáng)分析系統(tǒng)結(jié)合來測(cè)量縫寬，然后在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上計(jì)算出金屬的線膨脹系數(shù)。通過真實(shí)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，此方法操作簡(jiǎn)便、測(cè)試精確度高，綜合利用了熱學(xué)、光學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，有效地減小了人工讀數(shù)的誤差，提高了方法的實(shí)用性和精確性。

線膨脹系數(shù)；LabVIEW；單縫衍射；溫控儀；圖像處理

金屬線膨脹率是工業(yè)界的一個(gè)重要測(cè)量指標(biāo)。金屬線膨脹系數(shù)的測(cè)量方法有很多，如光杠桿或移測(cè)顯微鏡等。測(cè)量比較準(zhǔn)確的是采用光學(xué)測(cè)量的方法，如用邁克爾遜干涉儀、劈尖干涉法等進(jìn)行測(cè)量［1］，但是上述方法的測(cè)量?jī)x器和方法比較復(fù)雜，對(duì)儀器的精度以及測(cè)量環(huán)境的要求也很高。本文采用單縫衍射的方法來測(cè)量金屬的線膨脹系數(shù)，其測(cè)量?jī)x器和方法要比邁克爾遜干涉儀法測(cè)量要簡(jiǎn)單很多，在精度上也能夠達(dá)到測(cè)量的要求。并且此方法利用CCD成像系統(tǒng)與虛擬儀器（LabVIEW）光強(qiáng)分析系統(tǒng)相結(jié)合的方法來分析單縫衍射光強(qiáng)分布，可實(shí)現(xiàn)微小形變量的非接觸測(cè)量，較為準(zhǔn)確的測(cè)出金屬的線膨脹系數(shù)，并且省去了人工讀數(shù)的繁瑣與誤差。

1 基本原理

1.1 金屬線膨系數(shù)

熱膨脹率，也稱熱膨脹系數(shù)。物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象［2］。其變化能力以等壓（p一定）下，單位溫度變化所導(dǎo)致的體積變化，即熱膨脹系數(shù)表示。其測(cè)量不但常作為普通物理實(shí)驗(yàn)重要的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)在路橋建筑，儀器，儀表等設(shè)計(jì)及材料的焊接，加工等領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。

線膨脹系數(shù)α=ΔL÷（L?ΔΤ），ΔL為所給溫度變化ΔT下物體長(zhǎng)度的改變，L為初始長(zhǎng)度。嚴(yán)格說來，上式只是溫度變化ΔT范圍不大時(shí)的微分定義式的差分近似；準(zhǔn)確定義要求無限微小，這也意味著，熱膨脹系數(shù)在較大的溫度區(qū)間內(nèi)通常不是常量［3-5］。

1.2 單縫衍射測(cè)量縫寬原理

圖1 單縫衍射原理圖

2 測(cè)量方案及裝置

2.1 測(cè)量方案及裝置

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)如圖2所示。待測(cè)金屬選用黃銅棒（L=200 mm，D=18 mm）。加熱容器用導(dǎo)熱性能較好的金屬制成桶型。加熱用電爐（220 V，800 W）。容器內(nèi)盛滿導(dǎo)熱油，電爐傳熱給油，油再傳熱給黃銅棒使其均勻加熱。黃銅棒兩端用兩根石英棒（絕熱性良好）頂?。ㄅ懦饘偻馔才蛎泴?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響），其中一端固定，另一端的石英棒與金屬薄片（單縫衍射的一條縫）相連接。單縫另一端的金屬片固定放置。當(dāng)銅棒受熱伸長(zhǎng)時(shí)薄片將產(chǎn)生等量位移。隨即單縫衍射圖樣發(fā)生改變。用CCD相機(jī)和LabVIEW記錄下初始時(shí)刻和終止時(shí)刻單縫衍射圖樣各條紋數(shù)據(jù)和圖像。LabVIEW是美國(guó)NI儀器公司開發(fā)的作為控制平臺(tái)的虛擬儀器［6］，它是一種獨(dú)特的圖形化編程語言，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)生成，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集以及工程控制等各類任務(wù)?？梢暬?，編程效率高，可充分利用發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。電爐的電源供電受溫控系統(tǒng)（單片機(jī)和虛擬儀器）的控制。當(dāng)容器內(nèi)的溫度沒有達(dá)到設(shè)定值t2時(shí)，溫控儀將使電路保持通暢，持續(xù)加熱。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值，電路斷開，停止加熱，見圖2。

圖2 基于虛擬儀器的金屬線膨脹率測(cè)量裝置圖

2.2 溫控子系統(tǒng)

溫控子系統(tǒng)采用mini 80EA升級(jí)版單片機(jī)做下位機(jī)，LabVIEW做上位機(jī)。DS18b20溫度傳感器采集溫度，單片機(jī)通過串口將溫度數(shù)據(jù)傳給LabVIEW。LabVIEW設(shè)置預(yù)定溫度，并將溫度變化用波形圖表顯示在電腦屏幕上。將預(yù)設(shè)溫度通過串口傳給單片機(jī)，利用單片機(jī)控制繼電器，當(dāng)溫度低于預(yù)定溫度則保持繼電器通暢使電流到達(dá)電爐。當(dāng)高于預(yù)定溫度則斷開，見圖3。

圖3 溫控子系統(tǒng)邏輯框圖

2.3 圖像處理子系統(tǒng)

圖像處理子系統(tǒng)由CCD光電探測(cè)器和Lab-VIEW組成，CCD具有卓越的光電響應(yīng)量子效率，靈敏度高，噪聲低，讀出快，動(dòng)態(tài)范圍大以及對(duì)光的頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，使它成為光譜檢測(cè)的理想探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)中使用CCD觀點(diǎn)探測(cè)器接收光譜，通過CCD數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖片采集保存，送入計(jì)算機(jī)，用LabVIEW編寫程序，實(shí)現(xiàn)光譜采集，顯示，分析等功能，最終得出單縫衍射的光強(qiáng)分布圖以及各峰值點(diǎn)的數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4 圖像處理子系統(tǒng)框圖

3 測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量步驟

（1）仔細(xì)調(diào)整銅棒，石英棒與金屬片是否在同一軸線上并接觸良好，然后將導(dǎo)熱油注入容器內(nèi)；

（2）靜候15～20分鐘待容器內(nèi)溫度均衡后，記錄容器內(nèi)的溫度t1并用游標(biāo)卡尺記錄此時(shí)黃銅棒的棒長(zhǎng)L；

（3）點(diǎn)亮激光器打開CCD攝像頭并調(diào)整干涉儀，使屏幕上出現(xiàn)圖像；

（4）用LabVIEW分析初始時(shí)刻圖像，并記錄下數(shù)據(jù)；

（5）打開單片機(jī)和溫度控制軟件，設(shè)置好預(yù)訂溫度t2，待達(dá)到預(yù)訂溫度后拍攝下此時(shí)干涉圖像，重復(fù)④；

（6）重復(fù)⑤3遍或以上，記錄下室溫到最終設(shè)定溫度圖像的變化；

（7）處理數(shù)據(jù)求出線膨脹系數(shù)a。

3.2 測(cè)量結(jié)果

按照上面的測(cè)量方法，可以得到不同溫度下的CCD測(cè)量圖像以及基于LabVIEW的分析結(jié)果。圖5和圖6給出了兩個(gè)典型測(cè)量結(jié)果。

圖5（a） 23.13℃CCD圖像

圖5（b） 23.13℃光強(qiáng)分析結(jié)果

圖6（a） 33.13℃CCD圖像

圖6（b） 33.13℃光強(qiáng)分析結(jié)果

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

通過在100℃內(nèi)工業(yè)常用溫度下，對(duì)黃銅線膨脹率進(jìn)行了測(cè)試分析，得到了表1的處理結(jié)果。

表1 工業(yè)常用溫度環(huán)境下的黃銅線膨脹率測(cè)試結(jié)果表

從表1可以看出，利用單縫衍射法可以測(cè)得黃銅棒的線膨脹率為1.85×10-5/℃，該結(jié)果處于黃銅線膨脹率的標(biāo)準(zhǔn)值1.8×10-5～1.9×10-5/℃之間，說明這個(gè)方法是可行的。但是由于單縫衍射受縫寬這一條件的限制，當(dāng)縫達(dá)到一定的寬度的時(shí)候（縫寬＞＞入射光波波長(zhǎng)），衍射圖樣將消失。所以此方法只適用于測(cè)量低膨脹率材料的線膨脹系數(shù)。此方法可以測(cè)量從室溫到150℃的金屬線膨脹系數(shù)。

4 結(jié) 論

金屬的線膨脹系數(shù)是材料的一項(xiàng)重要熱學(xué)性能指標(biāo)，是決定材料抗熱震性的主要因素，在實(shí)際工程應(yīng)中具有重要意義。對(duì)于金屬線膨脹系數(shù)的測(cè)量，本文采用的實(shí)驗(yàn)方法不同于傳統(tǒng)的光杠桿移測(cè)顯微鏡的方法，也沒采用復(fù)雜的邁克爾孫干涉儀的方法，而是通過結(jié)合計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，采用單縫衍射的方法來進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，精度更高。由于該方法采用了CCD圖像處理技術(shù)和虛擬儀器相結(jié)合，有效地降低了測(cè)量時(shí)人為因素的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，又達(dá)到了對(duì)線膨脹系數(shù)的快速、自動(dòng)化測(cè)量目的，是一個(gè)值得推廣應(yīng)用的金屬線膨脹系數(shù)測(cè)量方法。

致謝：感謝湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目“物理與信息技術(shù)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心”（湘教通（2013）295號(hào)）、湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JJ6031）、湖南省普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通（2012）401號(hào)）、湖南師范大學(xué)第三批產(chǎn)學(xué)研合作示范基地項(xiàng)目、湖南師范大學(xué)物理與信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的資助。

［1］ 盛愛蘭.一種基于單縫衍射的線膨脹系數(shù)測(cè)定裝置［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（1）:59-61.

［2］ 胡猛，張翔，錢東海.基于Matrox Concord圖像處理卡的圖像處理系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（1）:215-217.

［3］ 呂亮，曹宏昊，汪洪，等.基于Labview的邁克爾遜干涉儀測(cè)量空氣折射率虛擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（6）:70-73.

［4］ 胡揚(yáng)坡，何云峰，吳光文，等.基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2013（5）:377-383.

［5］ 俞海，郭榮鑫，夏海廷，等.數(shù)字圖像相關(guān)法在WC/ Cu復(fù)合材料線膨脹系數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2013（10）:2696-2703.

［6］ 丁宗玲，吳明左，葉柳.利用LabView軟件的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014（4）: 106-109.

A Method for Measuring Metal Linear Expansion Coefficient Using Virtual Instrument

LIU Jia，DENG Yue-ming
（Hunan Normal University，Hunan Changsha 410081）

In the light of metal linear expansion coefficient measurement problems in industry，the paper designs a novel method for measuring metal linear expansion coefficient.The method uses Fraunhofer single slit diffraction principle，and digital image processing technology with LabVIEW.In the experiment system，we use embedded temperature controller for controlling the heating of metals.The CCD imaging system combines Lab-VIEW light intensity analysis system to measure seam width.Then，the result of linear expansion coefficient of metal can be calculated based on statistics of testing results.Through real platform test results show that this method is simple and high-precision.It combines thermodynamics，optics and computer technology to reduce the reading error of artificial and improve the usefulness and accuracy.

coefficient of linear expansion；LabVIEW；single-slit diffraction；temperature-control instrument；image processing

O4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.028

1007-2934（2015）01-0085-05

2014-06-19

收稿日期：2014-09-28

湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目（湘教通（2013）295號(hào)）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JJ6031）；湖南省普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通（2012）401號(hào)）；湖南師范大學(xué)第三批產(chǎn)學(xué)研合作示范基地項(xiàng)目；湖南師范大學(xué)物理與信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

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