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激光绝对法测量材料热膨胀系数

崔剑秋 郭斯宜 任国营 位恒政 裴丽梅 高同岭 郑庆国

崔剑秋,郭斯宜,任国营,等. 激光绝对法测量材料热膨胀系数[J]. 计量科学与技术,2022, 66(11): 20-26 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0616
引用本文: 崔剑秋,郭斯宜,任国营,等. 激光绝对法测量材料热膨胀系数[J]. 计量科学与技术,2022, 66(11): 20-26 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0616
CUI Jianqiu, GUO Siyi, REN Guoying, WEI Hengzheng, PEI Limei, GAO Tongling, ZHENG Qingguo. Measurement of Thermal Expansion Coefficient of Materials by Laser Absolute Method[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(11): 20-26. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0616
Citation: CUI Jianqiu, GUO Siyi, REN Guoying, WEI Hengzheng, PEI Limei, GAO Tongling, ZHENG Qingguo. Measurement of Thermal Expansion Coefficient of Materials by Laser Absolute Method[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(11): 20-26. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0616

激光绝对法测量材料热膨胀系数

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0616
详细信息
    作者简介:

    崔剑秋(1993-),中国计量科学研究院助理工程师,研究方向:螺纹计量技术、热膨胀系数计量技术,邮箱:cuijq@nim.ac.cn

    通讯作者:

    位恒政(1978-),中国计量科学研究院副研究员,研究方向:坐标计量技术、螺纹计量技术,邮箱:weihz@nim.ac.cn

Measurement of Thermal Expansion Coefficient of Materials by Laser Absolute Method

  • 摘要: 随着精密测量与精密加工的要求不断提高,对材料热膨胀系数的测量越来越频繁,在使用商用热膨胀系数测量设备进行计量溯源时,对测量结果进行不确定度评估也愈加重要。设备的最大允许误差、仪器长度测量精度、炉体恒温精度、仪器测温精度、测量结果的重复性等都将直接影响测量结果的不确定度评估。本文依照GUM法评估热膨胀仪测量结果的不确定度,分析了激光绝对法的热膨胀仪误差源,给出了完整的测量模型,并根据模型计算了测量标准石英样品的合成不确定度。用户根据激光绝对法测量热膨胀系数的误差分析,可以评定自用设备测量结果的不确定度。
  • 图  1  激光绝对法测量热膨胀系数原理图

    Figure  1.  Principle diagram of the absolute laser method for measuring the CTE

    图  2  石英样品热膨胀系数与不确定度

    Figure  2.  CTE and the uncertainty of the quartz sample

    图  3  蓝宝石样品热膨胀系数曲线图

    Figure  3.  CTE Plot of the sapphire sample

    图  4  蓝宝石样品比对结果曲线图

    Figure  4.  Plot of comparison results of the sapphire sample

    表  1  极差系数表

    Table  1.   Table of max-min coefficients

    n234567
    $ {C}_{n} $1.131.692.062.332.532.70
    v0.91.82.73.64.55.3
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    表  2  石英样品测量数据

    Table  2.   Quartz sample measurement data

    温度(K)样品温度(℃)膨胀量$ \Delta L $
    (1×10−8 m)
    热膨胀系数CTE
    (1×10−8/K)
    2730−1746
    29320//
    323503660
    3731009459
    42315015659
    47320021960
    52325028261
    57330034461
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    表  3  重复性实验结果

    Table  3.   Repeatability test results

    样品温度(K)样品温度(℃)第一组CTE
    (1×10−8/K)
    第二组CTE
    (1×10−8/K)
    实验标准差$\sigma_1 $
    (1×10−8/K)
    273044484
    29320///
    3235059623
    37310058601
    42315060591
    47320061601
    52325061601
    57330061601
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    表  4  扩展不确定度

    Table  4.   Expanded uncertainty

    样品温度
    (K)
    样品温度
    (℃)
    热膨胀系数CTE
    (1×10−8/K)
    扩展不确定度U1, k=2
    (1×10−8/K )
    2730468
    29320//
    32350605
    373100593
    423150593
    473200603
    523250613
    573300613
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    表  5  蓝宝石样品测量数据

    Table  5.   Measurement data of the sapphire sample

    温度(K)温度(℃)ΔLs(1·10−8m)热膨胀系数CTE (1·10−8/K)
    123−150−1343393
    173−100−1104458
    223−50−724515
    2730−231566
    32350360602
    3731001017634
    4231501728664
    4732002492692
    5232503284714
    5733004116735
    6233504969753
    6734005841768
    7234506733783
    7534807274791
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    表  6  蓝宝石样品重复性实验结果

    Table  6.   Repeatability test results of the sapphire sample

    温度
    (K)
    温度
    (℃)
    第一组CTE
    (1·10−8/K)
    第二组CTE
    (1·10−8/K)
    第三组CTE
    (1·10−8/K)
    实验标准差$\sigma_2 $
    (1·10−9/K)
    123−1503933943939
    173−1004584584594
    223−505155165165
    27305655655669
    323506026036026
    3731006346356355
    4231506646646643
    4732006916926923
    5232507147147142
    5733007357357351
    6233507537527532
    6734007697687681
    7234507837837831
    7534807907917913
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    表  7  蓝宝石样品扩展不确定度

    Table  7.   Expanded uncertainty of the sapphire sample

    温度(K)温度(℃)热膨胀系数CTE
    (1·10−8/K)
    扩展不确定度U2, k=2
    (1·10−8/K)
    123−1503933
    173−1004583
    223−505155
    27305666
    323506025
    3731006344
    4231506644
    4732006924
    5232507143
    5733007353
    6233507533
    6734007683
    7234507833
    7534807913
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    表  8  蓝宝石样品测量结果比对

    Table  8.   Comparison of sapphire sample measurement results

    温度(K)温度(℃)NIM CTE (1·10−8/K)VNIIM CTE (1·10−8/K)归一化偏差 |En|
    4231506646690.71
    4732006926930.22
    5232507147160.30
    5733007357370.41
    6233507537550.41
    6734007687710.45
    7234507837850.37
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出版历程
  • 网络出版日期:  2022-11-30
  • 刊出日期:  2023-01-17

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