具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种材料线膨胀系数测量装置，包括PC端1，PC端1通过RS232传输线连接有温控板2，温控板2分别连接有温度传感器3和热电制冷器4，温控板2连接有开关电源12；

热电制冷器4的顶部和底部分别贴合安装有传导散热部，传导散热部包括散热底座10和风扇11，散热底座10的一面与热电制冷器4相接触，风扇11安装在散热底座10的另一面；

热电制冷器4及其底部的传导散热部位于密闭的保温箱5内，热电制冷器4顶部的传导散热部位于保温箱5外部，保温箱5内设置有用于放置待测材料6的支架7，支架7的两端安装有振动电机8，待测材料6连接有千分表9。

上述装置结构中，千分表9用于测量待测材料6的尺寸变化数据；

振动电机8通过支架7间接提供激振力给待测材料6，用于消除待测材料6内部残余应力；

温控板2用于接收PC端1输出的设置测试温度数据，并控制热电制冷器4产生对应的热量；用于接收温度传感器3采集的保温箱5内部环境温度数据，并将该保温箱5内部环境温度数据传输给PC端1；

传导散热部用于将热电制冷器4产生的热量传导至保温箱5内，以及将保温箱5内的热量传导至外界；

PC端1用于用户设置测试温度数据，以及根据待测材料6的尺寸变化数据和保温箱5内部环境温度数据，计算得到待测材料6的线膨胀系数。

其中，热电制冷器4具体选用半导体TEC1-12708，其具体参数如表1所示：

表1

该半导体TEC的具体工作原理如图2所示，半导体TEC可以制冷，也可极性反转达到加热目的，其由载流子(电子和空穴)流过结点，引起势能变化进而传递能量，在加热系统中，热量的流动方向是从温控目标到TEC冷面和热面，再到散热底座，最后从散热底座散逸环境空气中，通过风扇将热量传导至保温箱内空气中进行加热，形成热量循环的密闭箱体，使待测材料受热均匀。

本实施例中，温度传感器3选用NTC温度传感器，其本质是10KΩ的热敏电阻，NTC温度传感器的探头位于保温箱5内，NTC传感器的另一端连接至温控板2，通过NTC温度传感器测量保温箱内的环境温度，以此判断保温箱内加热环境是否达到平衡。温控板2的具体连接图如图3所示，执行单元由半导体TEC控制，此时的操作量为加热功率，被控对象为保温箱中的空气，被测量为保温箱内的温度。在实际测量过程中，可采用比例-积分-微分(PID)调节技术对过程温度自动控制，积分调节项输出与偏差对时间的积分成正比，只要系统存在偏差，积分调节作用就不断积累并输出调节量以消除偏差。微分调节项输出与偏差对时间的变化率成正比，它阻碍温度的变化，可减小超调量，当系统受到扰动时，能够迅速做出反应，达到减小调整时间、提高系统的稳定性的效果。

本发明为消除待测材料的内部残余应力，加入振动电机8，本实施例选用Nidec微型振动电机，参数见表2。振动时可有效消除待测材料内部残余应力，在激振力的作用下，通过循环加载使待测材料发生共振，从而产生交变应力，引起微小的塑料变形，振动时改变了材料原有应力场，使应力分布均匀化，残余应力得到释放，与此同时应力峰值下降，在较低的应力水平下达到新的平衡，材料得到了强化，结构的弹性工作区增大，最后材料尺寸趋于稳定状态，通过千分表读数和PC端接收的保温箱环境温度数据，经计算得到待测材料的线膨胀系数。

表2

此外，为保证良好的热量传导效果，散热底座10具体为纯铜散热底座，本实施例中，纯铜散热底座尺寸为70*67*25mm，为保证保温箱内良好的密封和保温效果，保温箱采用硅酸铝纤维隔热纸和聚乙烯多层管保温材料，保温箱内支架周围安装缓冲垫片和泡沫材料，以对保温箱内的支架起减振作用，可防止对整个装置产生结构性破坏，实际应用中保温箱内部还铺设有橡塑发泡棉，还可在装置的各个连接处涂上硅胶后在外部绑上聚四氟乙烯生料带，以进一步提高保温和加固效果。

将本发明提出的测量装置应用于实际，其具体的测量过程包括以下步骤：

S1、将待测材料放置在保温箱内部的支架上，并将千分表连接至待测材料的一端，千分表的表盘位于保温箱外部；

S2、用户在PC端设置测试温度数值，PC端将该测试温度数据传输给温控板；

S3、温控板根据测试温度数据，控制热电制冷器产生对应的热量，并由传导散热部将该热量传导至保温箱内部，以对保温箱内的待测材料产生加热作用，使待测材料受热均匀；

S4、采用循环加载的方式，由振动电机通过支架间接提供激振力给待测材料，以消除待测材料内部的残余应力；

S4、PC端通过温控板实时接收温度传感器采集的保温箱内部环境温度数据；

S5、当保温箱内部环境温度数据稳定后，用户将千分表测量的待测材料尺寸变化数据输入给PC端，由PC端结合待测材料的尺寸变化数据和保温箱内部环境温度数据，计算得到待测材料的线膨胀系数。

本实施例应用上述装置及方法的具体过程为：

1.打开PC端的HyperTerminal，将已连接开关电源的TCB温控板通过RS232传输线与PC端连接，在TCB温控板对应位置连接NTC温度传感器和TEC半导体片。

2.将风扇和纯铜散热底座装配，形成两个传导散热部。然后分别在半导体TEC片的上下两端放置该传导散热部，并用硅胶固定。其中一个传导散热部在保温箱内部，可实现加热功能，另一个在保温箱外部，使器材整体散热良好。

3.将选用好的待测材料一端加装千分表，将两个小型直流振动电机分别安装在待测物体两端的支架上，振动电机通电后通过支架间接振动待测材料，达到消除残余应力的目的，并在保温箱内支架周围安装缓冲垫片和泡沫材料，以防止对整个装置产生结构性破坏。

4.在保温箱内部铺设橡塑发泡棉，并在装置的各个连接处涂上硅胶后在外部绑上聚四氟乙烯生料带，以达到保温和加固效果。

5.设置PC端温度，扳动电源开关，待保温箱内环境温度稳定，对千分表进行读数并记录，由PC端计算得出待测材料的线性膨胀系数。

综上所述，本发明提出的技术方案有效解决了传统装置加热温度范围的限制，不仅可以测量单一材料的线膨胀系数，也可实现复合材料线膨胀系数的测量。具体的：

用振动电机进行激振，对数据测量的影响相对较小，误差变动范围为±(0.001～0.002)mm，通过循环加载消除材料本身残余应力，实现对复合材料更精确的线膨胀系数测量；

温控所需时间更短，温度波动小、精度高，对比现有的SLE-1固体线膨胀系数测定仪，改进装置的温度精度从0.1℃提升到0.01℃；

所使用的半导体TEC既可以制冷，也可极性反转加热，可测量的温度范围增大，测量温度可控制在10～60℃，即低于室温情况下也能得到相应数据；

安全性提高，安装缓冲垫片和泡沫材料对被测材料的装置进行减振，可防止对实验装置产生结构性破坏；

保温效果和密闭性良好，对比现有的SLE-1固体线膨胀系数测定仪，将原保温材料聚氯乙烯(PVC)管改为硅酸铝纤维隔热纸、聚乙烯多层管等；

数据显示精确，结构装置固定精密。