CN104833695A - 基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，在短时间内向待测金属薄板注入热量，然后采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像，选取时刻t₀的热辐射能量图像中若干个待测像素点，根据待测像素点沿热传导方向上前后两个点的像素点的热辐射能量，计算得到温度梯度，再根据时刻t₀和时刻t₁＝t₀+Δt的热辐射能量图像计算得到热辐射能量变化率，计算得到相对热导率；然后采用同样方法对已知热导率的金属薄板进行测量得到对应的相对热导率，计算得到比例系数，然后根据比例系数和待测金属薄板的相对热导率计算得到待测金属薄板的热导率。本发明的测量时间短、操作简单、计算精度高且对环境要求比较低。

Description

基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法

技术领域

本发明属于材料热导率测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法。

背景技术

热导率，又称导热系数，是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度，在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度。材料导热系数的测量对材料特性研究和工业应用都有重要的意义。

通常，物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。理论上，从物质微观结构出发，通过研究物质的导热机理，建立导热的物理模型，经过复杂的数学分析和计算可以获得导热系数。但由于理论的适用性受到限制，而且随着新材料的快速增多，仍未找到足够精确且适用于范围广泛的理论方程。实验测定方法现已发展了多种，它们有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸要求等，目前导热系数的实验测定方法分为稳态法和非稳态法两大类，具有各自不同的测试原理。稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法，至今仍受到广泛应用，它适合在中等温度下测量的导热系数材料。

非稳态法是最近几十年内开发的新方法，用于研究高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。热线法是应用比较多的方法，这种方法测量时间比较短，所测量材料的导热系数范围宽。激光闪光法测量材料导热系数是根据导热系数与热扩散系数a、比热容c和体积密度ρ三者之间的关系，在测出试样的ρ、a和c后，计算得到材料的导热系数。不同方法对同一样品的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法是首要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，通过分析待测金属薄板表面的热辐射能分布变化数据得到热导率，具有测量精度高、操作简单、对测量环境要求低且测量速度快的优点。

为实现上述发明目的，本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，包括以下步骤：

S1：在预设时间T内按照预设功率P向待测金属薄板注入热量；

S2：采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像；

S3：在时刻t₀的热辐射能量图像中选择N个待测像素点p_n1，n＝1,2,…,N，得到在温度传导方向上、位于待测点p_n1前后、与待测点s_n均为距离d的两个像素点p_n0、p_n2，计算出温度梯度其中表示像素点p_n0在热辐射能量图像t₀的热辐射能量，表示像素点p_n2在热辐射能量图像t₀的热辐射能量；

S4：选择时刻t₁＝t₀+Δt的热辐射能量图像，计算热辐射能量变化率其中表示待测像素点p_n1在热辐射能量图像t₀的热辐射能量，表示待测像素点p_n1在热辐射能量图像t₁的热辐射能量；

S5：计算各个待测像素点的相对热导率

S6：计算待测金属薄板的相对热导率

S7：用步骤S1至S6的相同方法得到已知热导率为γ_o的金属薄板的相对热导率计算得到比例系数

S8：计算待测金属薄板的热导率

本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，在短时间内向待测金属薄板注入热量，然后采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像，选取时刻t₀的热辐射能量图像，选择若干个待测像素点，根据待测像素点沿热传导方向上前后两个点的像素点的热辐射能量，计算得到温度梯度，再根据时刻t₀和时刻t₁＝t₀+Δt的热辐射能量图像计算得到热辐射能量变化率，计算得到相对热导率；然后采用同样方法对已知热导率的金属薄板进行测量得到对应的相对热导率，计算得到比例系数，然后根据比例系数和待测金属薄板的相对热导率计算得到待测金属薄板的热导率。

本发明通过计算热辐射能量图像中某点热辐射能在热传导方向上的梯度和时间轴方向上的差值，间接测量材料该点的瞬时温度梯度和热流密度进而计算得到相对热传导系数。本发明技术方案的测量时间短、操作简单；温度范围与导热系数范围宽；计算精度高，对环境要求低。

附图说明

图1是金属薄板表面热辐射能时空数据分布示意图；

图2是沿热传导方向的热平衡过程曲线示意图；

图3本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法的流程图；

图4是采用脉冲激励空心线管对待测金属薄板进行加热的示意图；

图5是待测金属薄板的红外热成像示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

为了更好地说明本发明的技术方案，首先对本发明所运用的原理进行说明。

图1是金属薄板表面热辐射能时空数据分布示意图。图2是沿热传导方向的热平衡过程曲线示意图。如图1和图2所示，以x轴作为金属薄板表面的热传导方向。红外热成像仪所采集到的金属薄板表面热辐射能量图像序列，包含了热辐射能时空分布数据，记录了热量沿热传导方向热平衡的整个过程。特定的某点(图1和图2中的p₁)在整个热传导过程中温度的绝对值变化很小，热辐射能与温度之间、热能量之间都可近似为线性关系，那么沿热传导方向(x轴)的热导率γ的计算公式可表示为：

$\mathrm{\γ}=k*\left(\frac{\∂E}{\∂t}\right)/\frac{\∂E}{\∂x}---\left(1\right)$

其中，为热辐射能随时间的变化率，表示表面热辐射能在热传导方向(x轴)上的梯度，k表示比例系数。

图3本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法的流程图。如图3所示，本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法包括以下步骤：

S301：注入热量：

在预设时间T内按照预设功率P向待测金属薄板注入热量。注入热量的时间不宜过长，功率也不宜过大，一般来说时间T应当控制在T≤2秒，功率可以根据金属薄板的材质、大小和厚度来确定。

S302：获取热辐射能量图像：

在注入热量后，采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像。显然，红外热成像仪应该在热量注入完成之后即开始获取图像。

S303：计算待测像素点的温度梯度：

选择时刻t₀的热辐射能量图像中的N个待测像素点p_n1，n＝1,2,…,N，N的取值范围为N≥1，得到在温度传导方向上、位于待测点p_n1前后、与待测点s_n均为距离d的两个像素点p_n0、p_n2，d的取值范围为d≥1，也就是说温度传导方向为p_n0→p_n1→p_n2。计算出温度梯度其中表示像素点p_n0在热辐射能量图像t₀的热辐射能量，表示像素点p_n2在热辐射能量图像t₀的热辐射能量。

根据温度梯度的计算方法可知，在步骤S302中，如果热辐射能量图像的x轴或y轴与热传导方向相同，可以更方便地得到像素点p_n0和p_n2。

S304：计算待测像素点的热辐射能量变化率：

选择时刻t₁＝t₀+Δt的热辐射能量图像，Δt≠0，计算热辐射能量变化率得到f_n表示待测像素点p_n1的热辐射能量变化率，||表示求绝对值，其中表示待测像素点p_n1在热辐射能量图像t₀的热辐射能量，表示待测像素点p_n1在热辐射能量图像t₁的热辐射能量。热辐射能量变化率的计算中采用绝对值的原因在于：离热量注入点较近的点，其热辐射能量会在很短时间内达到最高，然后下降，而离热量注入点较远的点，其热辐射能量会逐渐上升。因此选择不同的热辐射能量图像和待测像素点，可能会使热辐射能量变化率的符号为正或为负，因此采用绝对值来进行统一。

S305：计算各个待测像素点的相对热导率

S306：计算待测金属薄板的相对热导率也就是说金属薄板整体的相对热导率是对N个待测像素点p_n1的相对热导率进行平均。

S307：计算比例系数：

用步骤S301至S306的相同方法得到已知热导率为γ_o的金属薄板的相对热导率计算得到比例系数

S308：计算得到待测金属薄板的热导率

对于高导热率的金属薄板材料来说，热量在整个材料中实现热平衡的时间极短，所以这个过程对外可以视为绝热(忽略热传导和热对流)，所以本发明技术方案对测量环境没有严格的要求。通过控制激励热源，将某时刻热辐射量与温度和热能量近似为线性关系，实现了瞬时热流密度的高精度测量，大大简化了瞬时温度梯度的测量过程。热流密度通常都是难以直接测量或是对测量环境要求很高，而本发明采用材料表面热辐射能强度分布的变化来测定温度梯度和热流密度，只对最终测量的值做一次标定就能得到导热率。本发明热导率测量的精度取决于红外热成像仪所获取图像的分辨率，分辨率越高，测量精度越高，目前市面上的红外热成像仪的分辨率已经可以达到较高水平，因此采用本发明进行热导率测量，可以达到较高的精度。在应用范围方面，本发明所针对的金属薄板的厚度不宜太厚，否则会影响测量的准确度，经过实验发现，厚度小于等于0.2mm的金属薄板的测量效果较好。

实施例

为了说明本发明的有效性，采用具体金属薄板材料进行了实验验证。本实验对0.1mm厚的条形铝合金导热系数进行测量，采用脉冲激励空心线管作为热量注入装置，以脉冲涡流的形式在极短时间内注入线性分布的初始热量，红外成像仪按预设频率进行拍摄。图4是采用脉冲激励空心线管对待测金属薄板进行加热的示意图。图5是待测金属薄板的红外热成像示例图。图5中的水平方向为热传导方向。为了简化说明，只选取白色箭头所指向的像素点作为待测像素点进行计算。取待测点前后两个像素点计算温度梯度，选择与该图像间隔图像数量为5的图像计算热辐射能量变化率，可计算得到该待测像素点的相对热导率为0.48。由于此处只采用了一个待测像素点，不需要进行平均，因此该待测金属薄板的相对热导率用同样的方法测量热导率为160W/m*k的硅合金薄板，得到相对导热系数为0.37，因此可以得到比例系数k＝160/0.37≈432，那么待测铝合金材料的热导率γ＝432*0.48≈207W/m*k。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，其特征在于包括：

S1：在预设时间T内按照预设功率P向待测金属薄板注入热量；

S2：采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像；

S3：在时刻t₀的热辐射能量图像中选择N个待测像素点p_n1，n＝1,2,…,N，得到在温度传导方向上、位于待测点p_n1前后、与待测点s_n均为距离d的两个像素点p_n0、p_n2，计算出温度梯度其中表示像素点p_n0在热辐射能量图像t₀的热辐射能量，表示像素点p_n2在热辐射能量图像t₀的热辐射能量；

S4：选择时刻t₁＝t₀+Δt的热辐射能量图像，计算热辐射能量变化率其中表示待测像素点p_n1在热辐射能量图像t₀的热辐射能量，表示待测像素点p_n1在热辐射能量图像t₁的热辐射能量；

S5：计算各个待测像素点的相对热导率

S6：计算待测金属薄板的相对热导率

S7：用步骤S1至S6的相同方法得到已知热导率为γ_o的金属薄板的相对热导率计算得到比例系数

S8：计算待测金属薄板的热导率

2.根据权利要求1所述的金属薄板热导率测量方法，其特征在于，所述金属薄板的厚度小于等于0.2mm。

3.根据权利要求1所述的材料热导率测量方法，其特征在于，所述步骤S1中的时间T的取值范围为T≤2秒。

4.根据权利要求1所述的材料热导率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，热辐射能量图像的x轴或y轴与热传导方向相同。