CN103528978A - 利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法 - Google Patents

Abstract

利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法，本发明涉及一种测量半透明材料热物性参数的方法。其步骤为：激光照射半透明材料的一侧表面，利用热电偶测温仪测量并记录材料两表面温度随时间的变化，同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号和激光出射侧的半球透射辐射信号。根据激光透射辐射信号、反射辐射信号以及两表面随时间变化的温度，通过逆问题求解技术获得半透明材料的吸收系数、散射系数和导热系数。本发明通过建立测量半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数的正、逆问题模型，能简单、快速、准确的利用逆问题求解技术同时测量半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数。

Description

利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法，属于半透明材料热物性参数测量技术领域。

背景技术

半透明材料是指其光谱光学厚度在某个或若干个波段范围内为有限值的材料。涉及到航天、军事、能源、化工以及生物医疗等多个领域。其在航天飞行器光学窗口优化设计、航空发动机陶瓷零件制造、光学晶体生长、光学纤维和光学组件的制造、高温热能存贮系统中相变材料的熔化和凝固以及生物组织中辐射传输反问题研究等问题中有重要应用。

吸收系数和散射系数是表征半透明材料辐射传输特性的重要辐射特性参数，而导热系数是表征半透明材料中热传导特性的重要热物性参数，所以通过对半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数同时测量的实验方法的研究积累各种半透明材料的热物性参数数据对于上述半透明材料应用领域的研究具有重要的意义。现有半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数测量方法中，测量系统复杂，测量精度低等问题。

发明内容

本发明为了解决现有半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数测量方法中，测量系统复杂，测量精度低等问题，提出了一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数（半透明材料热物性参数包括吸收系数、散射系数以及导热系数）的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、将待测半透明材料制作成厚度为δ的扁平试件，将激光器对准试件左侧中心，并使激光方向垂直于试件表面，并且分别将两只连接到热电偶温度测量仪上的热电偶探头固定在试件左右两侧；

步骤二、打开脉冲激光器对试件左侧表面进行一个脉冲的加热，与此同时使用热电偶测温仪同步测量得到左侧激光入射表面温度随时间的变化为T_w1(t)，右侧表面温度随时间的变化为T_w2(t)，并且同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号Q_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号Q_T(t)；其中测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度t_p；

步骤三、根据逆问题算法假设待测材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ；通过对稳态辐射传输方程(1)和瞬态导热微分方程(2)的耦合求解，得到在假设吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ条件下的材料两侧面边界温度响应估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)，以及激光入射侧的半球反射辐射信号估计值Q′_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号估计值Q′_T(t)；

$\frac{\∂I(x,\mathrm{\Ω})}{\∂x}=-\mathrm{\βI}(x,\mathrm{\Ω})+{\mathrm{\κ}}_a{I}_b\left(x\right)+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}I(x,{\mathrm{\Ω}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\Ω}}^{\′},\mathrm{\Ω})d{\mathrm{\Ω}}^{\′}---\left(1\right)$

式中，I为辐射强度；x为距离；Ω为立体角；β为衰减系数；κ_a为吸收系数；κ_s为散射系数；Φ(Ω′,Ω)为散射相函数；

${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}-\frac{{\∂q}_r}{\∂x}---\left(2\right)$

式中，T为温度；ρ为材料密度；c_p为材料比定压热容；λ为导热系数；q_r为辐射项热流；

步骤四、将步骤二得到的左边界温度测量值T_w1(t)，右边界温度测量值T_w2(t)，半球反射信号测量值Q_R(t)以及半球透射信号测量值Q_T(t)和步骤三得到的左边界温度估计值T′_w1(t)，右边界温度估计值T′_w2(t)，半球反射信号估计值Q′_R(t)以及半球透射信号估计值Q′_T(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj；

$F_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\begin{array}{c}{\left[\frac{T_{w1}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2+{\left[\frac{T_{w2}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2\\ {\left[\frac{Q_R^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-Q_R({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{Q_R({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2+{\left[\frac{Q_T^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-Q_T({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{Q_T({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2\end{array}\right\}$

步骤五、判断步骤四中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若小于，则步骤三中所假设的半透明材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ即为该待测材料的真实吸收系数、散射系数和导热系数；若大于，则返回步骤三，重新根据逆问题算法假设材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ的设定值，并重新计算，直至步骤四中的目标函数值F_obj小于设定阈值ξ，完成利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号的半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的测量。

在步骤三中所述被测材料壁面的温度响应及半球反射辐射信号和半球透射辐射信号的计算实质为一个瞬态导热微分方程和一个稳态辐射传输方程的耦合求解问题。

在步骤三中所述的逆问题算法采用改进的模拟退火—随机微粒群混合算法(SA-SPSO)实现。

本发明的有益效果是：

本发明采用激光照射半透明材料的一侧表面，利用热电偶测温仪测量并记录材料两表面温度随时间的变化，同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号和激光出射侧的半球透射辐射信号。根据激光透射辐射信号、反射辐射信号以及两表面随时间变化的温度，通过逆问题求解技术获得半透明材料的吸收系数、散射系数和导热系数。本发明通过建立测量半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数的正、逆问题模型，在已知材料其他物性参数的基础上，本发明提出了一种简单、快速、准确的利用逆问题求解技术同时测量半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数的方法。

在测量过程中充分利用激光作用下从材料反射和透射的辐射能量信号响应和材料壁面温度响应，实现本发明方法的装置简单，本发明方法测量精度高。

附图说明

图1为本发明一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法的示意图；

其中：1.半透明试件；2.热电偶探头；3.热电偶测温仪。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法，该方法的具体操作步骤为：

步骤一、将待测半透明材料制作成厚度为δ的扁平试件，将激光器对准试件左侧中心，并使激光方向垂直于试件表面，并且分别将两只连接到热电偶温度测量仪上的热电偶探头固定在试件左右两侧；

步骤二、打开脉冲激光器对试件左侧表面进行一个脉冲的加热，与此同时使用热电偶测温仪同步测量得到左侧激光入射表面温度随时间的变化为T_w1(t)，右侧表面温度随时间的变化为T_w2(t)，并且同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号Q_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号Q_T(t)。其中测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度t_p；

步骤三、根据逆问题算法假设待测材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ。通过对稳态辐射传输方程(1)和瞬态导热微分方程(2)的耦合求解，得到在假设吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ条件下的材料两侧面边界温度响应估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)，以及激光入射侧的半球反射辐射信号估计值Q′_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号估计值Q′_T(t)；

$\frac{\∂I(x,\mathrm{\Ω})}{\∂x}=-\mathrm{\βI}(x,\mathrm{\Ω})+{\mathrm{\κ}}_a{I}_b\left(x\right)+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}I(x,{\mathrm{\Ω}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\Ω}}^{\′},\mathrm{\Ω})d{\mathrm{\Ω}}^{\′}---\left(1\right)$

式中，I为辐射强度；x为距离；Ω为立体角；β为衰减系数；κ_a为吸收系数；κ_s为散射系数；Φ(Ω′,Ω)为散射相函数；

${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}-\frac{{\∂q}_r}{\∂x}---\left(2\right)$

式中，T为温度；ρ为材料密度；c_p为材料比定压热容；λ为导热系数；q_r为辐射项热流；

步骤四、将步骤二得到的左边界温度测量值T_w1(t)，右边界温度测量值T_w2(t)，半球反射信号测量值Q_R(t)以及半球透射信号测量值Q_T(t)和步骤三得到的左边界温度估计值T′_w1(t)，右边界温度估计值T′_w2(t)，半球反射信号估计值Q′_R(t)以及半球透射信号估计值Q′_T(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj；

$F_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\begin{array}{c}{\left[\frac{T_{w1}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2+{\left[\frac{T_{w2}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2\\ {\left[\frac{Q_R^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-Q_R({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{Q_R({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2+{\left[\frac{Q_T^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-Q_T({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{Q_T({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2\end{array}\right\}$

步骤五、判断步骤四中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若小于，则步骤三中所假设的半透明材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ即为该待测材料的真实吸收系数、散射系数和导热系数；若大于，则返回步骤三，重新根据逆问题算法假设材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ的设定值，并重新计算，直至步骤四中的目标函数值F_obj小于设定阈值ξ，完成利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号的半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的测量。

本实施方式首先建立半透明材料在半透明边界条件下瞬态导热辐射耦合传热物理模型，然后采用相应的数学方程组描述该物理模型并确定改数学描述的求解策略。本实施方式根据被测量材料两侧壁面边界温度响应和左侧半球反射辐射信号以及右侧半球透射辐射信号构造该逆问题算法的目标函数，然后通过逆问题的求解方法准确的测量出该半透明材料的吸收系数、散射系数以及导热系数。利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号简单、快速、准确的测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法的进一步说明，对于半透明材料，导热过程的时间尺度在量级上远大于辐射弛豫时间尺度，因此步骤三中所述被测材料壁面的温度响应及半球反射辐射信号和半球透射辐射信号的计算实质为一个瞬态导热微分方程和一个稳态辐射传输方程的耦合求解问题。其它步骤与具体实施试一相同。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的方法的进一步说明，步骤三中所述的逆问题算法采用改进的模拟退火—随机微粒群混合算法(SA-SPSO)实现。其它步骤与具体实施试一或二相同。

Claims (3)

1.一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、将待测半透明材料制作成厚度为δ的扁平试件，将激光器对准试件左侧中心，并使激光方向垂直于试件表面，并且分别将两只连接到热电偶温度测量仪上的热电偶探头固定在试件左右两侧；

步骤二、打开脉冲激光器对试件左侧表面进行一个脉冲的加热，与此同时使用热电偶测温仪同步测量得到左侧激光入射表面温度随时间的变化为T_w1(t)，右侧表面温度随时间的变化为T_w2(t)，并且同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号Q_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号Q_T(t)；其中测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度t_p；

步骤三、根据逆问题算法假设待测材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ；通过对稳态辐射传输方程(1)和瞬态导热微分方程(2)的耦合求解，得到在假设吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ条件下的材料两侧面边界温度响应估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)，以及激光入射侧的半球反射辐射信号估计值Q′_R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号估计值Q′_T(t)；

$\frac{\∂I(x,\mathrm{\Ω})}{\∂x}=-\mathrm{\βI}(x,\mathrm{\Ω})+{\mathrm{\κ}}_a{I}_b\left(x\right)+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}I(x,{\mathrm{\Ω}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\Ω}}^{\′},\mathrm{\Ω})d{\mathrm{\Ω}}^{\′}---\left(1\right)$ 式中，I为辐射强度；x为距离；Ω为立体角；β为衰减系数；κ_a为吸收系数；κ_s为散射系数；Φ(Ω′,Ω)为散射相函数；

${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}-\frac{{\∂q}_r}{\∂x}---\left(2\right)$

式中，T为温度；ρ为材料密度；c_p为材料比定压热容；λ为导热系数；q_r为辐射项热流；

步骤四、将步骤二得到的左边界温度测量值T_w1(t)，右边界温度测量值T_w2(t)，半球反射信号测量值Q_R(t)以及半球透射信号测量值Q_T(t)和步骤三得到的左边界温度估计值T′_w1(t)，右边界温度估计值T′_w2(t)，半球反射信号估计值Q′_R(t)以及半球透射信号估计值Q′_T(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj；

$F_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\begin{array}{c}{\left[\frac{T_{w1}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2+{\left[\frac{T_{w2}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2\\ {\left[\frac{Q_R^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-Q_R({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{Q_R({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2+{\left[\frac{Q_T^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)-Q_T({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}{Q_T({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,\mathrm{\λ}{,t}_i)}\right]}^2\end{array}\right\}$

步骤五、判断步骤四中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若小于，则步骤三中所假设的半透明材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ即为该待测材料的真实吸收系数、散射系数和导热系数；若大于，则返回步骤三，重新根据逆问题算法假设材料的吸收系数κ_a、散射系数κ_s和导热系数λ的设定值，并重新计算，直至步骤四中的目标函数值F_obj小于设定阈值ξ，完成利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号的半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的测量。

2.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法，其特征在于，步骤三中所述被测材料壁面的温度响应及半球反射辐射信号和半球透射辐射信号的计算为一个瞬态导热微分方程和一个稳态辐射传输方程的耦合求解过程。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法，其特征在于，步骤三中所述的逆问题算法采用改进的模拟退火—随机微粒群混合算法实现。

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