微波谐振法精密测量腔体热膨胀系数研究

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1、学号：S14010088硕士学位论文微波谐振法精密测量腔体热膨胀系数研究研究生姓名：郑荣伟学科、专业：物理电子学二○一六年十二月分类号：TB942密级：公开UDC：编号：微波谐振法精密测量腔体热膨胀系数研究PRECISIONMEASUREMENTOFTHERMALEXPANSIONCOEFFICIENTFORCAVITYBASEDONMICROWAVERESONANCE学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：物理电子学（077401）研究方向：光子学与光电子技术申请学位级别：硕士指导教师：石晓光研究生：

2、郑荣伟论文起止时间：2015.9—2016.1212摘要温度是国际单位制的七个基本单位之一，无论在科学研究、工业生产还是日常生活中都发挥着重要而基础的作用。热力学温度是系统物理真实的温度，但是由于其测量难度大，国际温度组织依据热力学温度测量结果制订了实用性的协议温标，也称国际温标。目前我们使用的是ITS90国际温标，国际温标是对热力学温度的逼近。但是随着科学研究的不断深入，新的研究显示当前国际温标与最新的精密热力学温度测量结果呈现出了系统偏差，在部分温区，其偏差已经接近国际温标的不确定度，因此需要精确地测量热力学温度，为下一阶段

3、温标的修订提供依据。声学共鸣法是当前测量热力学温度最精确的方法之一，在国际上被普遍应用。声学共鸣腔体的热膨胀是声学法测量热力学温度不确定度的主要来源之一，准确测量腔体热膨胀系数是实现热力学温度精确测量的必要前提。本文基于微波谐振法测量技术，利用微波谐振频率获得圆柱腔体尺寸和热膨胀系数的原理，在中国计量科学研究院高温声学温度计实验平台基础上，设计并加工了微波谐振腔体，包括高温微波电缆和天线，建立了耐温压力舱系统，搭建了精密恒温和控温系统，完善了自动控制和数据采集系统。测量了新系统的温度稳定性，结果显示，谐振腔在一个微波谐振频率测量

4、周期内（约20min）的温度稳定性可达到±0.002℃，满足声学温度计测量需求。开展了温度从50℃~230℃圆柱形谐振腔腔体热膨胀系数实验研究。实验获得四个横磁（TM）微波模式的微波谐振频率，采用TM001模式获得腔体半径和径向热膨胀系数，采用TM101、TM201和TM301三个TM模式获得了圆柱腔体的长度和轴向热膨胀系数。分析了三个轴向微波谐振频率获得的热膨胀系数的一致性，-7相对标准偏差在110×以内，研究结果可以满足高温声学温度计测量的不确度要求。本文所开展的研究工作为未来采用圆柱声学和微波谐振法测量高温热力学温度奠定重

5、要基础。关键词：热力学温度声学温度计微波谐振法热膨胀系数3ABSTRACTTemperatureisoneofthesevenbasicunitsofinternationalunitsystem,whichplaysanimportantandfundamentalroleinscientificresearch,industrialproductionanddailylife.Thermodynamictemperatureistherealtemperatureofthephysicalsystem,butbecauseo

6、fthedifficultyinmeasuringresults,accordingtothethermodynamictemperaturemeasurementoftheinternationaltemperatureorganizationstodevelopapracticalprotocolscale,alsoknownastheinternationalscale,atpresentweareusingtheITS90internationaltemperaturescale.Theinternationaltemp

7、eraturescaleisapproachingtothethermodynamictemperature.Butwiththedevelopmentofscientificresearch,newresearchshowsthatthecurrentinternationaltemperaturescaleandprecisionmeasurementofthermodynamictemperaturethelatestresultsshowedthesystemdeviation,insometemperaturerang

8、e,thedeviationisclosetotheinternationalscaleofuncertainty,soweneedtoaccuratelymeasurethethermodynamictemperature,providethebasisfor