基于自動檢測技術(shù)的金屬線膨脹系數(shù)測量實驗優(yōu)化

羅 堯，陳爾達，張瀚宇，崔宇涵，向澤英，羅 浩

(西南科技大學(xué) 理學(xué)院，四川 綿陽 621010)

物聯(lián)網(wǎng)即“萬物互聯(lián)”，指將無處不在的設(shè)備和設(shè)施，包括傳感器、移動終端、各種系統(tǒng)等，通過一定方式實現(xiàn)互聯(lián)互通、應(yīng)用集成、云計算的模式。物聯(lián)網(wǎng)將新一代IT技術(shù)充分運用在各行各業(yè)、各種設(shè)備和設(shè)施之中，將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人與物理系統(tǒng)的整合。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當中，利用能力強大的中心計算機群，能夠?qū)φ麄€網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)實時的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，人們能夠以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平[1]。

“金屬線膨脹系數(shù)的測量”是一個大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗。常見實驗方法為：使用ZKY-PID溫控實驗儀調(diào)節(jié)液體溫度，手動使用千分表測量并記錄從起始溫度到設(shè)定溫度的金屬膨脹量。同時使用ZKY-PID溫控實驗儀讀出金屬恒定加熱的溫度[2]。最后通過微分線膨脹系數(shù)的方式計算出比例系數(shù)α。這種實驗方案操作耗時長、數(shù)據(jù)精度低。曹娟等人利用邁克爾遜干涉原理的光學(xué)方法測量長度的微小改變量[3]；劉錦、張孟等人采用量子力學(xué)為基礎(chǔ)的密度泛函方法，通過計算金屬鋁和銅兩種金屬的晶格常數(shù)、結(jié)合能和德拜溫度來推導(dǎo)金屬熱膨脹系數(shù)[4]；馬欣宇、趙晨旭、王欣悅等人依據(jù)莫爾條紋移動距離與光柵移動距離之間的單調(diào)函數(shù)關(guān)系，利用自制簡單的莫爾條紋實驗裝置，通過測量條紋的移動數(shù)目來測量光柵微小移動距離，測量了金屬鋁的熱膨脹系數(shù)[5]；代叢嶺、榮振宇、楊伊凡等人提出利用光杠桿將金屬受熱膨脹時的伸長量轉(zhuǎn)化為F-P標準具干涉光場中干涉條紋半徑的變化，通過測量干涉條紋間距可以實現(xiàn)對金屬線膨脹系數(shù)的測量[6]。已有公開方案大多以改進測量方式以及從數(shù)據(jù)計算方面進行實驗優(yōu)化，部分方案改進成本較高，而引入操作難度較大的光學(xué)方法，對器械精度要求也較高。

1 設(shè)計思想

使用ZKY-PID溫控實驗儀的負反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)測量出水口和進水口的溫度發(fā)現(xiàn)，實際溫度和PID溫控儀顯示的溫度是存在偏差，具體數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 出水口和進水口處實際溫度值和PID測溫儀顯示的溫度值

實驗用到的PID儀器調(diào)節(jié)溫度是靠循環(huán)水，傳遞的過程必定有熱量的損耗，初步分析是在橡膠管和金屬中發(fā)生的熱量損失。通過Origin作圖可知，在設(shè)定溫度和室溫差別大的時候，金屬溫度和液體溫度是有小范圍偏差的，在1.9 ℃左右，如圖1所示。

圖1 金屬管溫度分布曲線圖

實驗中使用的對金屬內(nèi)部通過以水流的方式進行加熱，那么在橫切面上，中間的水流向四周輻射熱量。如果再微分，就是類似一條直線，從一段向另一段傳熱，可以將所有的傳熱看作為一維熱傳導(dǎo)模型，通過商業(yè)模擬仿真軟件COMSOL進行了建模分析，參數(shù)如圖2所示。

圖2 傳熱模型仿真參數(shù)圖

三維傳熱模型如下圖3所示。

圖3 傳熱模型仿真參數(shù)圖

可以清晰地看見，在金屬內(nèi)部通水流，會在金屬從內(nèi)到外有一個溫度的梯度分布。熱輻射對光路會產(chǎn)生影響，稱之為湍流效應(yīng)。

湍流效應(yīng)就是在大氣的影響和熱輻射的影響下，實驗周圍的空間折射率會發(fā)生改變，接收端的光斑質(zhì)心會出現(xiàn)漂移的現(xiàn)象，表現(xiàn)為光束漂移[7]。

在查閱的論文中，大多數(shù)改進方案都會涉及光路，比如邁克爾遜干涉儀實驗、動態(tài)雙光柵測量、莫爾條紋、CCD光譜儀讀數(shù)等光學(xué)方面的改進，熱對光會有湍流效應(yīng)的影響，采用光學(xué)方法會引入新的系統(tǒng)誤差。

2 系統(tǒng)改造方案

為減小熱流損失，團隊選用厚度5 cm的方格鋁隔熱保溫棉材料對塑膠軟管和金屬周圍進行包裹。接下來是設(shè)計的測溫測距裝置。本裝置的整體方案由核心控制單元、紅外測溫模塊、激光測距模塊、電源單元以及結(jié)果輸出單元五個部分構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件搭建方案為：采用STM32F103C8T6作為主控制器，32位Cortex-M內(nèi)核單片機，主頻72 MHz，可以實現(xiàn)大量復(fù)雜的浮點運算，功能強大，并且可以方便地引入操作系統(tǒng)，利于工程搭建。

因為該設(shè)計需要準確的溫度數(shù)據(jù)，且由于實驗使用的PID儀器在加熱金屬的時候有熱量流失，再加上測量的溫度數(shù)據(jù)需要快速準確且傳入電腦讀取，所以加入了保溫材料以及使用自制的紅外測溫模塊進行測量溫度數(shù)據(jù)。

從簡便易操作且可應(yīng)對不同裝置金屬所處高度不一的問題考慮，采用3D打印制作固定紅外測溫模塊的底座，在頂部開螺紋孔，紅外測溫模塊制作時使用軟鐵質(zhì)螺絲釘，安裝螺紋孔位置，整個裝置直接套在實驗金屬旁邊，做到可隨時拆卸且能上下左右移動靈活定位。

為使裝置使用起來更加方便，在控制面板上加裝了OLED屏幕，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和設(shè)備控制的可視化等功能；為使實驗過程更加生動，可視化更高，將實驗過程中收集到的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器，并在前端網(wǎng)頁進行展示。

改造后，操作者安裝設(shè)備并進行調(diào)溫即可，系統(tǒng)將自動收集實驗數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)自動將數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi模塊傳輸至服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，操作者可在前端網(wǎng)頁查看實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果，同時也會生成曲線圖，提供整體數(shù)據(jù)信息查看服務(wù)。

圖5 改造方案示意圖

3 電路及軟件設(shè)計

采用5 V手機充電器供電，為達到降低噪聲的目的，選擇AMS111芯片將電壓降到3.3 V，使電路供電電壓為3.3 V，同時選用質(zhì)量較好的陶瓷電容增強濾波。整體電路圖如圖6所示。

圖6 總電路圖

控制板程序采用C語言開發(fā)，在Keil MDK環(huán)境下調(diào)試并實現(xiàn)功能。系統(tǒng)后臺及前端網(wǎng)頁采用Java和Vue進行編寫，簡潔、生動地將控制板發(fā)送的數(shù)據(jù)實時顯示出來，同時提供數(shù)據(jù)報表下載功能，方便用戶后期進行數(shù)據(jù)分析。

4 成品及終端展示

圖7為初期設(shè)計的一號電路板，采用傳統(tǒng)的PCB制作工藝，通過多次試驗與調(diào)試，實現(xiàn)了準確地控制操作、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖7 硬件控制系統(tǒng)實物圖

數(shù)據(jù)從控制板發(fā)出后，由后臺暴露接口與前端網(wǎng)頁相連，并通過后臺內(nèi)部搭載實驗專項算法，可以快速地計算實驗結(jié)果，并直觀展示出來。界面效果如圖8所示。

圖8 測金屬線膨脹系數(shù)實驗前端展示界面

5 結(jié) 語

通過模擬仿真和實際測量驗證猜想，把實驗的誤差因素減至最低，培養(yǎng)學(xué)生物理實驗的嚴謹態(tài)度，對學(xué)生未來進行專業(yè)研究具有很好的啟蒙作用。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化大學(xué)物理實驗，更多的是創(chuàng)建一個實驗平臺，讓實驗者能夠更清晰地看到金屬線膨脹系數(shù)的改變趨勢，從而更直觀地明白實驗現(xiàn)象和物理機理。

將信息化手段融入大學(xué)物理實驗中，不僅可以降低實驗操作的煩瑣程度，減小實驗者的個體差異，還可以提高數(shù)據(jù)的可靠程度，引導(dǎo)學(xué)生進行深度的思考。