《大学物理实验 金属线膨胀系数测量仪实验指导书及操作说明》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理实验 金属线膨胀系数测量仪实验指导书及操作说明（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、固体线膨胀系数的测定及温度的 PID 调节绝大多数物质具有热胀冷缩的特性，在一维情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀。在相同 条件下，不同材料的固体，其线膨胀的程度各不相同，我们引入线膨胀系数来表征物质的膨胀特性。 线膨胀系数是物质的基本物理参数之一，在道路、桥梁、建筑等工程设计，精密仪器仪表设计，材料 的焊接、加工等各种领域，都必须对物质的膨胀特性予以充分的考虑。利用本实验提供的固体线膨胀 系数测量仪和温控仪，能对固体的线膨胀系数予以准确测量。在科研，生产及日常生活的许多领域，常常需要对温度进行调节、控制。温度调节的方法有多种， PID 调节是对温度控制精度要求高时常用的一种方法。物理实验
2、中经常需要测量物理量随温度的变化 关系，本实验提供的温控仪针对学生实验的特点，让学生自行设定调节参数，并能实时观察到对于特 定的参数，温度及功率随时间的变化关系及控制精度。加深学生对PID调节过程的理解，让等待温度 平衡的过程变得生动有趣。实验目的1、测量金属的线膨胀系数。2、学习PID调节的原理。实验仪器：金属线膨胀实验仪， ZKY-PID 温控实验仪，千分表实验原理1线膨胀系数设在温度为t0时固体的长度为L,在温度为t1时固体的长度为L。实验指出，当温度变化范围 不大时，固体的伸长量AL= L1-L0与温度变化量At= t1-t0及固体的长度L0成正比，即：L=a L0At式中的比例系数a
3、称为固体的线膨胀系数，由上式知：a =AL/L0 1/At(2)可以将a理解为当温度升高1C时，固体增加的长度与原长度之比。多数金属的线膨胀系数在(0.82.5) X10-5/C之间。线膨胀系数是与温度有关的物理量。当At很小时，由(2)式测得的a称为固体在温度为t0时 的微分线膨胀系数。当At是一个不太大的变化区间时，我们近似认为a是不变的，由(2)式测得 的a称为固体在t011温度范围内的线膨胀系数。由(2)式知，在L0已知的情况下，固体线膨胀系数的测量实际归结为温度变化量At与相应的 长度变化量AL的测量，由于a数值较小，在At不大的情况下，AL也很小，因此准确地控制t、测 量t及是保证
4、测量成功的关键。2PID 调节原理PID 调节是自动控制系统中应用最为广泛的一种调节规律，自动控制系统的原理可用图1 说明。e(t)u(t)操作量图1自动控制系统框图假如被控量与设定值之间有偏差e(七)=设定值-被控量，调节器依据e(t)及一定的调节规律输出调节信号u(t),执行单元按u(t)输出操作量至被控对象，使被控量逼近直至最后等于设定值。调节器是 自动控制系统的指挥机构。在我们的温控系统中，调节器采用PID调节，执行单元是由可控硅控制加热电流的加热器，操作 量是加热功率，被控对象是水箱中的水，被控量是水的温度。PID调节器是按偏差的比例（proportional）,积分（integra
5、l）,微分（differential）,进行调节， 其调节规律可表示为：u C)= KPe(t)+ 丄 J Qdt + TT oD dtI10)式中第一项为比例调节，Kp为比例系数。第二项为积分调节，T为积分时间常数。第三项为微分 调节， TD 为微分时间常数。PID温度控制系统在调节过程中温度随时间的一般变化关系可用图2表示，控制效果可用稳定性， 准确性和快速性评价。系统重新设定（或受到扰动）后经过一定的过渡过程能够达到新的平衡状态，则为稳定的调节过 程；若被控量反复振荡，甚至振幅越来越大，则为不稳定调节过程，不稳定调节过程是有害而不能采 用的。准确性可用被调量的动态偏差和静态偏差来衡量，二
6、者越小，准确性越高。快速性可用过渡时 间表示，过渡时间越短越好。实际控制系统中，上述三方面指标常常是互相制约，互相矛盾的，应结 合具体要求综合考虑。图 2 PID 调节系统过渡过程由图2可见，系统在达到设定值后一般并不能立 即稳定在设定值，而是超过设定值后经一定的过渡过 程才重新稳定，产生超调的原因可从系统惯性，传感 器滞后和调节器特性等方面予以说明。系统在升温过 程中，加热器温度总是高于被控对象温度，在达到设 定值后，即使减小或切断加热功率，加热器存储的热 量在一定时间内仍然会使系统升温，降温有类似的反 向过程，这称之为系统的热惯性。传感器滞后是指由于传感器本身热传导特性或是由于传感器安装位
7、 置的原因，使传感器测量到的温度比系统实际的温度在时间上滞后，系统达到设定值后调节器无法立 即作出反应，产生超调。对于实际的控制系统，必须依据系统特性合理整定PID参数，才能取得好的 控制效果。由（10）式可见，比例调节项输出与偏差成正比，它能迅速对偏差作出反应，并减小偏差，但它 不能消除静态偏差。这是因为任何高于室温的稳态都需要一定的输入功率维持，而比例调节项只有偏差存在时才输出调节量。增加比例调节系数可减小静态偏差，但在系统有热惯性和传感器滞后时， 会使超调加大。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，输 出调节量以消除偏差。积分调节作用缓慢，在时
8、间上总是滞后于偏差信号的变化。增加积分作用（减 小匚）可加快消除静态偏差，但会使系统超调加大，增加动态偏差，积分作用太强甚至会使系统出现 不稳定状态。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，能减小超调量，克服振荡。在系统受到扰动时，它能迅速作出反应，减小调整时间，提高系统的稳定性。PID调节器的应用已有一百多年的历史，理论分析和实践都表明，应用这种调节规律对许多具体 过程进行控制时，都能取得满意的结果。仪器介绍1金属线膨胀实验仪仪器外型如图 3 所示。金属棒的 1 端用螺钉连接在固定端，滑动端装有轴 承（金属棒垂直测量方式的是一非金属 的圆环），金属棒可在此方向自由伸长。
9、通过流过金属棒的水加热金属棒，金属 棒的膨胀量用千分表测量。支架都用隔 热材料制作。2开放式 PID 温控实验仪空心金属棒千分表进水孔出水孔固定端支架 基座 滑动端支架 千分表支架图 3 金属线膨胀实验仪本温控试验仪内置微处理器，带有液 晶显示屏，具有操作菜单化，PID的参数已 经是通过理论分析和大量的实验得到的一 个最符合本仪器的参数，已经达到最佳控 制，故不可调节，能显示温控过程的温度 变化曲线和功率变化曲线及温度和功率的 实时值，能存储温度及功率变化曲线，控 制精度高等特点，仪器面板如图4 所示。一次实验完成退出时，仪器自动 将屏幕按设定的序号存储（共可存储 10 幅），以供必要时分析，
10、比较。3千分表 千分表是用于精密测量位移量的量 具，它利用齿条-齿轮传动机构将线位移转成都世紀中科仪爵有限公司开放式PI D温控实验仪-O*o ov开关图4温控实验仪面板温控实验仪包含水箱，水泵，加热器，控制及显示电路等部分。变为角位移，由表针的角度改变量读出线位移量。大表针转动1 圈（小表针转动1 格），代表线位移0.2m m,最小分度值为0.001mm。实验内容与步骤1 检查仪器前面的水位管，将水箱水加至水位上限处。 加水前，须确认放水孔开关处于关闭状态。平常加水从仪器顶部的注水孔注入。若水箱排空后第1 次加水，应该用软管从出水孔将水经水泵加入水箱，以便排出水泵内的空气，避免水泵空转（无循
11、 环水流出）或发出嗡鸣声。注意事项： PID 温控实验仪安装时，根据机壳背板示意图正确连接； 建议使用软水，否则请在每次实验完成后，将水完全排出，避免产生水垢； 通电前，应保证水位指示在水位上限；若水位指示低于水位下限，严禁开启电源，必须先加 水至水位上限； 为保证使用安全，三芯电源线须可靠接地。2. 调整千分表 为保证千分表与试件充分接触，可于实验开始前调整千分表与试件的触点。使其有一定的读数如 150 “m3. 开机后，水泵应该开始运转，此时触摸仪器出水口的软管应有微微的颤动。显示屏显示操作菜单，可选择工作方式，输入序号及室温，设定温度。使用！ 键选择项目，如第一屏的“进 行实验”“察看数
12、据”，第二屏的“序号” “室温”等。 键设置参数，按确认键进入下一屏，按 启控键开始升温，按停控键（与启控同一键）停止。按返回键返回上一屏。进入测量界面后，屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号，设定温度R,初始温度T。，当前温 度T,当前功率P,调节时间t等参数。图形区以横坐标代表时间，纵坐标代表温度（功率）并可用 键改变温度坐标值。仪器每隔15秒采集1次温度及加热功率值，并将采得的数据标示在图上。 温度达到设定值并保持两分钟温度波动小于0.1 度，仪器自动判定达到平衡，并在图形区右边显示过 渡时间ts，动态偏差O，静态偏差e。此时方可读数（千分表和当前温度T）。4测量线膨胀系数 实验开始前检
13、查金属棒是否固定良好，千分表安装位置是否合适。一旦开始升温及读数，避免再 触动实验仪。为保证实验安全，温控仪最高设置温度为60 度。若决定测量n个温度点，则每次升温范围为 T=（60 室温）/n。为减小系统误差，将第1次温 度达到平衡时的温度及千分表读数分别作为T0，l0。温度的设定值每次提高 T,温度在新的设定值 达到平衡后，记录当前温度T及千分表读数于表1中。表 1 数据记录表次数01234567设定温度（C）温度（C）T0 =千分表读数I =0 T =T.-Tii0 Li =li -l0i_01数据分析与处理根据ALra L0At，由表1数据用线性回归法或作图法求出 L4 T直线的斜率K
14、,已知固体样0i i品为紫铜，其长度 L0= 500mm则可求出固体线膨胀系数aa =K/Lo5.查看数据 按“返回”键调整到“查看数据”按“确认”键即可调阅存储的数据和曲线。简单故障排除故障现象处理办法开机后，触摸出水孔硅胶管无颤动， 无循环水流出将出水孔硅胶管拔开一半，开启电源，立即 将硅胶管插上，以免仪器内的水从出水孔喷 出，这时马上会看到水的循环，触摸硅胶管 有微微颤动。（此操作务必避开插座等电器 装置，须小心进行，以免引起短路）注意事项1通电前，应保证水位指示在水位上限；若水位指示低于水位下限，严 禁开启电源，必须先用漏斗加水；2 建议使用软水，避免产生水垢；3 安装时根据机壳背板示意图正确连线；4 仪器内部的加热棒长期浸泡在水里，可能会锈蚀，建议每三年更换一 次5 为保证使用安全，三芯电源线须可靠接地。
