尺子的温度膨胀系数测量与计算

　　1　前言

　　刻线米尺或端面尺量块是长度计量中常用的实物标准器,是一种多值精密量具。刻线尺由尺面上“0”刻线至各条刻线的垂直间距构成多值,端面尺由不同长度的量块研合组成多值,若在端面研合刻线量块,可转换成刻线间距。它们是长度量值的载体,又是传递长度量的过渡“桥梁”。一根尺子必须具备良好的材质和合理的力学结构设计,以及良好的外型工艺加工(抛光、研磨、刻线……等)之外,必须给尺子长度赋值。它包含:标准温度(20℃)的长度及尺长的温度修正量的系数即温度线膨胀系数。也就是通过计量检定,给尺子一列尺长方程式。没有尺长方程式的尺子是毫无用途的。如下列表示的等同尺长方程式。

式中:lt———任一温度t时尺长

　　l₀,l₂₀———分别为0℃或20℃时对尺长赋值

　　α₀、α₂₀、β0、β₂₀———分别为0℃或20℃时的温度系数:单位为:1/℃,1/(℃)2,也称之尺长的温度变化率。

　　若温度系数用尺长的变化量表示,即μm/℃,用μm/℃表示时,则以上的尺长方程式写成下列等同尺长方程式:

　　注意,上列等同尺长方程式应用了温度系数的函数变化关系式,对两项系数之间有:

　　所以形成四列等同的尺长方程式。

　　由此看出尺长方程式是由两部分组成:

关于标准温度下尺长赋值检定,是根据精度等级确定,对高等级尺子用He-Ne激光干涉比长仪,用激光波长为长度标准度量尺子的刻线间距或端面间距,由于所用标准精确(10-7),被测量定位即起始“线”或“面”必须用光电显微镜或白光干涉“O”级条纹(对端面)定位,均用自动测量。对于稍低等级尺子用高一等级的标准尺进行比较测试或其他方法。对于温度修正项的系数,由于不必每年检定赋值。国内计量部门除24米Invar基线尺有专用检定室,其他尺子均无。本文是笔者曾实践和研究的几种方法。

　　2　尺子的温度系数与测定方法

　　2·1关于米尺种类

　　由于米尺制造材料不同,有许多种:

　　①铂铱米尺:含铂90%、铱10%的合金,截面为“x”形,有极好的力学刚性,尺长稳定性好,是早年国际间统一米制长度的实物标准器,每隔若干年(15~20年)各国携尺轮流到国际计量局比对尺长,该尺造价昂贵。这种尺子仅在x形中心面的两端有抛光面,在上面刻有0~1米间距刻线及其前后各刻有辅助线,作为小间隔校验标准。

　　②殷钢米尺:含镍36%、铁64%及微量稀有金属的合金,截面为“H”形,特点是温度膨胀系数远低于普通钢,数值仅是普通钢的1/5~1/10,所以又称Invar(不变)钢,但分子结构稳定性差,尺子易变。材质较软,所以对尺长须每年检测,此尺是在H形的中心面上抛光刻线,有0~1米的每毫米间隔刻线,在零端还有辅助刻线(0·2毫米间隔五条)作小间距校验用。我国五十年代曾用进口的R161及N563作国家临时“米”基准。而后光波基准建成后废除了。但仍然保留着校准价值。