CN103134833A - 一种基于荧光法的物质导热分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于荧光法的物质导热分析装置，属于材料的热物特性分析领域，包括探头（1）、光电模块、数据处理模块；所述探头（1）用于探测设置在被测物上的荧光传感材料（7），然后将探测到的光信号通过光纤（2）传输至光电模块；所述光电模块将接收的光信号转换为电信号，并且将电信号转化为温度信号后发送至数据处理模块；数据处理模块根据温度信号得到温度变化曲线，通过和标准数据比对得到被测物质的热扩散系数，再将上述热扩散系数传输至上位计算机进行导热分析。本发明可以适用于气体、液体和固体的热扩散系数测量，结构简单并且具有很高的灵敏度，具备更好的测量精度和抗电磁干扰能力，实现小型化、智能化和在线监测的功能。

Description

一种基于荧光法的物质导热分析装置

技术领域

本发明涉及一种基于荧光法的物质导热分析装置，可用于测量气体、液体、固体的热扩散系数，并进一步得到物质的热导率，属于材料的热物特性分析领域。

背景技术

  热扩散系数是物质的一个很重要的热物理学参数，热扩散系数表征的是温度不均匀的材料的温度均匀化速度。每一种物质都有一个本征热扩散系数值，通过测量物质的热扩散系数，可以计算出物质热传导特性。

  物质的热导率含义为单位时间单位面积通过物质的热流和温度梯度的比值，表示的是物质传热的一种能力。一维傅里叶传导定律为：

dq/dt=-λ·dA·(dT/dx)                (1)

 其中，dq/dt表示单位时间的热流，dA表示单位面积，dT/dx表示温度梯度，λ表示热导率。

当测量出物质的热扩散系数时，就可以根据以下关系得到物质的热导率。在同一温度下，物质热导率和热扩散系数的关系为: 

λ=α·ρ·C_p                      （2）    

λ为热导率，α为热扩散系数，ρ为密度，C_p为比热容。

  因为热导率不同的物质应用于不同的领域，所以测量物质热导率具有重要的实际意义，比如在材料科学中，人们通过测量新材料的热导率来知道此种新材料的应用前景；在建筑领域，人们需要测量一些材料的热导率来判断其具备的隔热能力。

   现有测量的热扩散系数的方法，比如热板法、热线法、激光闪射法等，这些测量方法在一定程度上解决了热扩散系数的测量难题，但是这些方法均有着某些不足。例如，利用热板法测量物质热扩散系数需要比较长的测量时间，这就限制了它在工业控制领域的应用，因为在工业控制领域往往需要较快的反应时间；激光闪射法是一种瞬态测量方法，都是该方法对被测样品要求较高，并且利用该方法进行测量时所使用的温度测量方法为红外线测温法和热电偶测温法。这些测量方法因为采用电子元器件作为温度敏感元件所以容易受到电磁干扰，因而需要一定的保护措施，即便在设计上采取保护措施，这一类的温度测量方法仍然不能胜任于特定复杂环境容易受到外界干扰，无法广泛应用于工业测量领域。

对于利用材料的荧光特性来测量温度，是温度测量领域新发展的一种方法，其原理为：某些对温度敏感的荧光材料在不同的温度环境中发射荧光的光学特性随着温度的变化而变化，具体地说，荧光材料受到紫外光照射后其激发荧光的余晖寿命是温度的单值函数，通过一定的方法，可以检测出所发射荧光的余晖寿命就可以得到荧光传感材料的温度。[K.T.V.Grattan and Z.Y.Zhang, Fiber Optic Fluorescence Thermometry,《Topics in Fluorescence Spectroscopy》 ，Volume 4, 2002, pp 335-376]。

  光纤具有优良的导光特性，光信号在光纤中的传输不会受到外界的电磁干扰；并且光纤具有良好的电绝缘性，所以即便光纤损坏也不会导致系统出现短路故障或者电火花；光纤还具有耐腐蚀的特性，能够在特定高温高湿度环境下工作，所以光纤能够在应用于很多极端工业环境。

发明内容

  本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中指出的缺陷，提出一种用激光加热结合荧光测温法进行物质导热测量装置，并且具备更好的测量精度和抗电磁干扰能力。所提出的测量方法还必须具备小型化、智能化和能够实现在线监测的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出一种基于荧光法的物质导热分析装置，包括探头、光电模块、数据处理模块；所述探头用于探测设置在被测物上的荧光传感材料，然后将探测到的光信号通过光纤传输至光电模块；所述光电模块将接收的光信号转换为电信号并且将电信号转化为温度信号，然后将温度信号发送至数据处理模块；所述数据处理模块根据每一次激励脉冲所对应的温度信号得到温度变化曲线，由温度变化曲线得到温度变化的平均速率和温度从最高到最低所经历的时间，通过将上述平均速率和经历的时间和标准数据比对得到被测物质的热扩散系数，再将上述热扩散系数传输至上位计算机进行导热分析。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光电模块包括光学分束器、光电转换电路、光源驱动电路、信号调理与数据处理电路，其中光电模块通过光学分束器和光纤相连，所述光学分束器上设置有光源和光探测器，所述光源通过光源驱动电路与光电转换电路连接，所述光探测器与光电转换电路相连；所述光电转换电路和信号调理与数据处理电路相连。所述信号调理与数据处理电路与数据处理模块连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光电模块还包括一同步电路，所述同步电路连接在光源驱动电路和光电转换电路之间。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光源还包括一个用作荧光传感材料的激励光源，光源用于加热荧光传感材料，并且也用作荧光温度传感材料的激励光源。

作为本发明的一种优选技术方案：所述探头包括一个光学透镜。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光学透镜的主光轴与光纤的中心线重合，所述光学透镜的会聚点落在荧光传感材料上。

本发明所采用的测量方法是一种激光加热结合荧光测温法来测量物质导热率的装置，其具体原理为：首先利用激光加热荧光传感材料，接着利用荧光法测量荧光传感材料的温度，经过处理后即可以得到荧光传感材料的温度变化曲线。根据荧光传感材料的温度变化曲线即可以算出所测物质的热扩散系数。当测量出物质的热扩散系数时，就可以根据公式（2）得到物质的热导率。

本发明所采用的方法是一种激光加热结合荧光测温法，主要是通过激光照射加热荧光传感材料，然后测量荧光传感材料的温度变化过程，通过对温度变化过程的分析即可以得到被测气体、液体或固体的热扩散系数。

本发明所采用的技术方案具有如下的优点：

本发明的探头部分为完全光学系统，没有电流通过，不会产生任何电磁噪声，也不会受到外界电磁噪声的干扰，因此可以应用于强电磁场环境。 

本发明采用了一种激光加热结合荧光测温法来测量物质导热率，所采用的测量原理更加简单，因为所采用的测量探头其几何尺寸和质量都可以设计的非常小，对于比较大的待测物体来说探头尺寸可以被忽略，可以将荧光传感材料看作待测物质的一部分。本发明就是通过测量荧光传感材料的温度变化过程得到被测材料的热扩散系数，进而得到物质的热导率。从而具备更好的测量精度和抗电磁干扰能力，还具备小型化、智能化和能够实现在线监测的功能。

附图说明

图1是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置的原理图。

图2是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置的光电模块的原理图。

  图3是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置的测量流程图。

  图4是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置的结构图。

  图5是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置应用于气体热扩散系数测量时一种探头的结构图。

图6是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置应用于固体热扩散系数测量时一种探头的结构图。

图7是本发明的基于荧光法的物质导热分析装置应用于液体热扩散系数测量时一种探头的结构图。

图8是本发明基于荧光法物质导热分析装置的数据处理模块的处理原理图。

    其中标号解释：1-探头，2-光纤，3-光分束器，4-光源，5-光探测器， 6-光学透镜，7-荧光传感材料，8-被测气体，9-被测固体样品，10-被测液体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明：

如图1所示，本发明设计了一种基于荧光法的物质导热分析装置，包括探头1、光电模块、数据处理模块；所述探头1用于探测设置在被测物上的荧光传感材料7，然后将探测到的光信号通过光纤2传输至光电模块；所述光电模块将接收的光信号转换为电信号并且将电信号转化为温度信号，然后将温度信号发送至数据处理模块；所述数据处理模块根据每一次激励脉冲所对应的温度信号得到温度变化曲线，由温度变化曲线得到温度变化的平均速率和温度从最高到最低所经历的时间，通过将上述平均速率和经历的时间和标准数据比对得到被测物质的热扩散系数，再将上述热扩散系数传输至上位计算机进行导热分析。

所述光电模块如图2所示，包括光学分束器3、光电转换电路、光源驱动电路、信号调理与数据处理电路，所述光学分束器3上设置有光源4和光探测器5，其中光电模块通过光学分束器3和光纤2相连，所述光源4通过光源驱动电路与光电转换电路连接，所述光探测器5与光电转换电路相连；所述光电转换电路和信号调理与数据处理电路相连。所述信号调理与数据处理电路与数据处理模块连接。其中，光源4用于加热荧光传感材料7，并且同时用作荧光传感材料7的激励光源。当需要加热荧光传感材料7时，光源4的发射功率变大；当需要作为荧光传感材料的激励光源时，光源4的发射功率回复到正常值。

结合图3所示，本发明的基于荧光法的物质导热分析装置的测量流程如下：

首先，由光源4通过光源驱动电路产生加热激光，然后该加热激光照射到被测物体的表面，使得涂覆在被测物表面的荧光传感材料发热，通过光探测器检测荧光信号，检测到的荧光信号依次经光电转换电路、信号调理与数据处理电路传输至数据处理模块进行处理和分析后，将分析处理结果输出至上位计算机处理。

所述数据处理模块的处理原理如图8所示，光源首先加热荧光传感材料，由图8可以看出荧光传感材料温度迅速上升；接着光源发射激励脉冲，荧光传感材料受激发射出相应荧光，同时测量每一次激励脉冲发射时的温度，得到温度变化曲线；然后由温度变化曲线得到温度变化的平均速率和温度从最高到最低所经历的时间，通过和标准数据比对（通过事先选取的参考曲线进行标定），可以得到被测物质的热扩散系数。

如图5，图6和图7所示，探头包括光学透镜、荧光传感材料，其中光学透镜6的主光轴与光纤2的中心线重合；光学透镜的会聚点落在荧光传感材料7上。

下面列举几种不同物质进行物质热扩散系数测量的实施例。

 实施例1：

本发明荧光法物质导热分析装置应用于气体热扩散系数测量的一种实施例，参考图4、5，其工作原理为：

首先将探头1放置于待测气体氛围10中，接通电源后，光源4开始工作，光源4发射出激励光沿着光纤2传输，然后经过光学透镜8聚焦到荧光传感材料9；荧光传感材料受激励后发出相应的荧光，荧光沿着光纤2经过光学透镜耦合进入光电模块，然后光探测器５将光信号解调成电信号。然后电信号进入信号调理与数据处理电路，处理后得到相应的温度值。

光源驱动电路负责控制光源每一周期的发射功率，如图8所示，一个完整的周期由加热过程和激励过程组成。当荧光传感材料需要加热时，光源驱动电路调节光源的发射功率，使输出光功率变大；加热完成后，光源驱动电路调节光源的发射功率，使输出光功率变小。

荧光传感材料7位于探头1的前方，对于整个测量体系，荧光传感材料7相当于一个处于无限气体空间的一个点热源。根据热扩散系数的定义可以知道，气体的热扩散系数和荧光传感材料7温度变化过程有关，所以只要测量出荧光传感材料7的温度变化曲线，就可以得到气体的热扩散系数。

当光源4完成对荧光传感材料7的加热后，光源4发出激励脉冲，荧光传感材料7受到激励后，发出荧光，进一步测量后得到荧光传感材料7的温度变化，当荧光传感材料7的温度不再变化时，即可得到温度的衰减时间，经过处理后得到气体的热扩散系数。

得到气体的热扩散系数后，只需要知道该气体的比热和密度就可以根据公式（2）得到气体的热导率。

实施例2：

本发明荧光法物质导热分析装置可以应用于测量固体材料的热扩散系数的一种实施例，参考图2、4、6和8，其测量的原理为：首先将被测固体材料按图6所示固定，荧光传感材料7紧贴在被测固体材料11表面，然后光源4发射出较强的激光加热荧光传感材料7所在的区域；荧光传感材料7被加热后，荧光传感材料7所在部分温度升高，测温过程开始后就可以记录下荧光传感材料7的温度变化过程，经过处理分析后即可以得到所测固体材料9的热扩散系数；然后只需要知道所测固体材料的热容和密度即可以根据公式（2）算出所测固体材料的热导率。

实施例3：

本发明可以应用于测量液体样品的热扩散系数的一种实施例，参考图2、4、7和8，其工作的原理为：首先将荧光传感材料7置于被测液体样品10中，使经过光学透镜6的光能量会聚到荧光传感材料7上；使用光学透镜6的目的是为了快速加热荧光传感材料，同时也可以增加进入光纤中的荧光强度，提高信噪比。

  当光源驱动电路调节光源输出高能量激光加热荧光传感材料7后，系统即进入测温过程：光源4不断发出激励脉冲，荧光传感材料7受到激励后，发出荧光，荧光经过光学透镜6进入光纤2被光探测器5转化为电信号，电信号经过处理电路的处理后即可以得到荧光传感材料的温度，当荧光传感材料的温度不再变化时，测温过程结束，进入新的加热过程。多次测量后，经过处理即可以得到液体样品的热扩散系数。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于荧光法的物质导热分析装置，其特征在于：包括探头（1）、光电模块、数据处理模块；所述探头（1）用于探测设置在被测物上的荧光传感材料（7），然后将探测到的光信号通过光纤（2）传输至光电模块；所述光电模块将接收的光信号转换为电信号并且将电信号转化为温度信号，然后将温度信号发送至数据处理模块；所述数据处理模块根据每一次激励脉冲所对应的温度信号得到温度变化曲线，由温度变化曲线得到温度变化的平均速率和温度从最高到最低所经历的时间，通过将上述平均速率和经历的时间和标准数据比对得到被测物质的热扩散系数，再将上述热扩散系数传输至上位计算机进行导热分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于荧光法的物质导热分析装置，其特征在于：所述光电模块包括光学分束器（3）、光电转换电路、光源驱动电路、信号调理与数据处理电路，其中光电模块通过光学分束器（3）和光纤（2）相连，所述光学分束器（3）上设置有光源（4）和光探测器（5），所述光源（4）通过光源驱动电路与光电转换电路连接，所述光探测器（5）与光电转换电路相连；所述光电转换电路和信号调理与数据处理电路相连；所述信号调理与数据处理电路与数据处理模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于荧光法的物质导热分析装置，其特征在于：所述光电模块还包括一同步电路，所述同步电路连接在光源驱动电路和光电转换电路之间。

4.根据权利要求2所述的一种基于荧光法的物质导热分析装置，其特征在于：所述光源（4）还包括一个用作荧光传感材料的激励光源。

5.根据权利要求1所述的一种基于荧光法的物质导热分析装置，其特征在于：所述探头（1）包括一个光学透镜（6）。

6.根据权利要求5所述的一种基于荧光法的物质导热分析装置，其特征在于：所述光学透镜（6）的主光轴与光纤（2）的中心线重合，所述光学透镜的会聚点落在荧光传感材料（7）上。

Images