激光干涉法测量固体材料热膨胀率的不确定度研究

论文摘要

热膨胀率是表征材料热物理性质的重要参数之一。准确测量材料的热膨胀率,对基础科学研究、技术创新、实际应用都有着非常重要的意义。本研究是在中国计量科学研究院最新建立的激光干涉法固体材料热膨胀率测量标准装置上进行的,旨在对该装置进行复现性实验研究和不确定度评估,为以后装置的改进提供依据,以及为我国热膨胀率测量标准装置的建立和热膨胀率量值传递奠定基础。主要内容是利用热膨胀率测量标准装置,以美国国家标准技术研究院(NIST)提供的738奥氏体不锈钢和单晶硅为样品,在常温、300℃、600℃和800℃进行复现性实验研究,并对测量数据进行国际比对,以及对影响测量的因素进行了分析讨论,通过光路的改进和新测量系统的开发对该装置进行了提高,最后重点对测量不确定度进行分析。复现性实验是在不同温度对样品进行了多次的重复测量,测量结果相对标准偏差在1%以内。由此可得,该装置在不同温度具有较高的重复性。为了验证装置的可靠性,从常温到1200K对738奥氏体不锈钢和单晶硅的测量数据与NIST参考数据和文献公布数据进行比对,相对偏差小于3%。在实验基础上,对干涉信号漂移、光学元件膨胀、温场梯度、升温速率和升温步长等影响测量的因素进行了分析讨论,并对装置进行了改进,同时开发了一套功能更全、操作更方便的全自动采集控制软件。这些研究对提高该装置的性能具有实际应用价值。最后,对测量不确定度进行分析,结果表明：温度测量、光学元件膨胀对热膨胀率测量不确定度有重要影响。根据以上结论,提出了改进装置和提高测量水平的可行性措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外发展的概况
• 1.3 研究目的
• 1.4 研究内容
• 第2章 固体热膨胀理论及热膨胀率测量方法
• 2.1 热膨胀率的定义
• 2.2 固体热膨胀理论
• 2.3 热膨胀率测量的方法
• 2.4 小结
• 第3章 测量装置介绍
• 3.1 引言
• 3.2 测量原理
• 3.3 测量装置
• 3.3.1 真空加热炉
• 3.3.2 激光干涉仪
• 3.3.3 电测系统
• 3.4 测量软件
• 3.4.1 软件开发
• 3.4.2 软件操作
• 3.5 小结
• 第4章 测量装置的复现性研究及数据比对
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 准备工作
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 测量的重复性
• 4.4 测量数据的比对
• 4.4.1 与美国国家标准技术研究院（NIST）数据的比对
• 4.4.2 与文献数据比较
• 4.5 小结
• 第5章 测量系统影响因素的分析讨论
• 5.1 引言
• 5.2 信号漂移对测量的影响
• 5.2.1 信号漂移带来的影响
• 5.2.2 装置的改进
• 5.3 温度梯度对测量的影响
• 5.3.1 温场测量
• 5.3.2 不同长度的样品测量
• 5.4 光学元件膨胀对测量的影响
• 5.5 升温速率和升温步长对测量的影响
• 5.6 小结
• 第6章 测量不确定度评定
• 6.1 引言
• 6.2 测量不确定度分析
• 6.2.1 样品长度测量不确定度
• 6.2.2 样品形变量的测量不确定度
• 6.2.3 温度测量不确定度
• 6.3 不确定度总表
• 6.4 小结
• 第7章 全文总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢