热双金属盘螺旋光指针温度计设计

张常龙，彭元虎，郇维亮，李 志，徐 崇

（辽宁科技大学 理学院，辽宁 鞍山 114051）

随着科技的不断发展，对于传统温度计的要求越变越高，而本文提到的热双金属盘螺旋光指针温度计拥有传统温度计所没有的优势：测量温度范围广，测量精度高；耐高温、耐油、耐水腐蚀；表盘硬度大，抗压不容易损坏；结构简单、成本相对低廉，操作可靠性强；可以加入传感器与电脑对接达到远距离控制等。正是因为热双金属具有直接或间接通过热驱动控制机构动作实现温度控制、温度指示、温度补偿、程序控制的功能，因而被广泛应用于工业控制电器、家用电器、节能技术、汽车工业等领域，市场前景十分广阔［1］。

1 设计原理

双金属片也称热双金属片，由于各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲［1－2］。其中，膨胀系数较大的称为主动层，膨胀系数较小的称为被动层。

1.1 金属的线热胀系数

金属的线热胀系数α为

式中t为温度，L为热双金属片长（见图1）。

图1 热双金属片偏转角φ

当温度变化为（t－t0）时，扭转角φ为［2］

因为有

故

式中α1和α2分别是主动层金属和被动层金属的热膨胀系数；h为热双金属片的厚度。

从式（4）可以看出，热双金属层的扭转角度φ和温度的增量Δt（Δt＝t－t0）呈线性关系［3］。

1.2 弹性模量

弹性模量是表示热双金属机械性能的一个重要参量［4］，是计算热双金属元件的推力、力矩和内应力时不可缺少的参数。测量原理示意图见图2。热双金属的弹性模量E用下式计算［5］：

式中，P是双金属片上加载的负荷；L为双金属片的长度；f是受力挠度；b为材料参数。

图2 弹性模量测量原理

1.3 允许使用温度范围

允许使用温度即温度应力达到热双金属片弹性极限时的温度。在线性温度范围以外，允许使用温度的上下限内，材料的热敏感性能虽有所降低，但是应力还没有达到材料的弹性极限，因此材料还能使用。

用一束激光照射粘在双金属片端口的反射镜，如果保持入射光线不变，使反射镜转过角φ，则反射光线的偏转角为2φ，如图3所示。因此，当热双金属温度变化时，金属片旋转角度即为反射镜转过角度，则光指针的变化角度为2φ。由于实验设计中，刻度盘设定为180°，所以反射镜的最大偏转角φ在理论上为90°［6］。

在本实验中，平面镜不能与激光的光束完全重合，因此反射光的偏转角一般需要在0°和180°两端各舍去5°。将式（4）化成：

式（6）中比弯曲系数 K＝（14.3）×10－6℃－1，h＝0.15 mm，若温度变化幅度为85℃，则L＝18.3cm。

图3 反射光偏转角与平面镜偏转角度的关系

截取双金属片18.3cm做成盘螺旋，当外界温度变化时，双金属螺旋会发生扭转。把双金属螺旋的端部粘上平面反射镜，反射镜会随着双金属螺旋的扭转而转动。这样，反射光束就随着入射角的改变而改变。激光束照射到表盘上双金属对应的温度刻度值，就可读出双金属螺旋所处的温度。

2 结果与讨论

首先应对光指针温度计进行温度标定。然后，通过自制光指针温度计测定热双金属片的t－φ温度特性曲线，求出特性曲线的斜率k［7］，数据处理求出的斜率与标定值比较得出光指针温度计的相对误差［8］Δ；另外，利用公式⑹可得到热双金属材料的比弯曲系数K；测量的数据见表1和图4。由图4可知，观测点的分布趋势近似成一条直线［9］。作好图之后，在图像上靠近两端取2个坐标点 M1（18，10），M2（62，34），算出直线的斜率k，其物理意义为精确度［10］。

图4 t－φ温度特性曲线

由式（6）可知

其中h＝0.1mm，L＝12.5cm。则比弯曲系数［11］为

允许使用的温度范围可以从［φ－t］曲线确定（见图5）。从图中能看出，各种型号的热双金属材料在－20～180℃范围内都有较好的线性关系，尤其是5J11和5J14双金属在700℃时仍能保持很好地线性关系。

图5 热双金属偏转角与温度的关系

3 结论

（1）本装置用激光束作为指针，所以能很好地避免回程差对测量精度的影响；

（2）温度计的量程为5～90℃（可调），精确度为0.5℃，可基本满足生产、生活中的需要；

（3）利用本装置可以粗略测量热双金属的比弯曲系数K（也可测量金属的热膨胀系数［12］）；

（4）由于本装置用到激光，所以能够与光纤结合实现远距离控温与测温［13］。

（5）从实验中可以得到，各种型号的热双金属材料在温度范围内都有较好的线性关系，尤其是5J11和5J14双金属在700K时仍能保持良好的线性关系［14］。

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