CN105303043B - 减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法，包括：对经典闪光法的物理模型进行重新推导，得到热扩散率计算公式的修正思路，该修正思路包括以经典闪光法的物理模型为基础，重新定义激光加热完成的时刻为时间零点，得到该时刻试样内部的温度分布曲线T（x，0），对激光作用深度g进行量化处理，然后对试样达到热平衡时的温度分布方程T（x，t）进一步推导，得到试样背面温度随时间变化的方程T（L，t），进而得到试样背面温度随时间变化的无量纲方程V（L，t），最后令V（L，t）=0.5，得到重新定义时间零点后试样背面温升达到最大值一半时的时间t0.5*；在采用该修正思路进行修正后，得到新的热扩散率计算公式。
Description
技术领域
本发明属于材料热物性测量的技术领域，涉及采用激光闪光法测量材料热扩散率的数据处理方法，具体地，涉及一种减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法。
背景技术
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是一个国家科学技术和工业水平的反映和标志。随着现代科学技术的飞速发展，新材料的不断涌现，我们需要综合考虑材料的合成制备和加工技术，并且必须结合对材料性质的现代分析测试技术和方法，才能满足新材料的研制和应用的需要。
热过程是物质世界普遍存在的一个物理过程，热物性数据不仅是衡量材料能否适应具体热过程工作需要的数量依据，而且是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程热设计的关键参数，它还是认识、了解和评价物质的最基本的物理性质之一。
闪光法测量材料热扩散率的方法原理是在1961年由Parker等人提出的，至今已有60多年的历史；在出现了激光技术以后，用脉冲激光器作为加热源，该方法已发展成为当前测量材料导热性能最为广泛的方法之一——激光闪光法。据估计约有75％以上的热扩散数据都是用这种方法测得的。而且，国内外均已采用该方法作为测试材料导热性能的标准方法，如：ASTM E1461、ISO 13826、BS EN 821-2、JIS H7801、GB/T 22588、GJB1201.1等。
闪光法是基于Parker原理进行测量的，其基本物理模型是在一个四周绝热，厚度为L的薄圆片试样的正面，辐照一个垂直于试样正面的均匀的脉冲能量，测出在一维热流条件下试样背面的温升曲线，进而求出其热扩散系数；具体的，Parker原理如以下所述。
若试样任意点x在开始时的温度分布为T(x,0)，则在任何时间t的温度分布T(x,t)应为：
如果激光作用时间(即激光脉冲宽度)τ0→0，能量只作用在试样正面(x＝0)到离正面极小的距离g内，则κ＝g/L→0，可得到经典的闪光法计算公式，求得热扩散率α为：
Parker原理在物理模型推导的过程中，提出了很多假设条件，这就造成了实际测量条件和建立物理模型时所用的简化条件不一致而对测试结果带来的误差。其中，有限脉冲时间效应是闪光法的主要误差来源之一；如果能量脉冲作用时间τ0相对于温度在试样内传播的时间不可忽略，就不能认为脉冲是瞬时作用的，这种因素对测量结果的影响就称为有限脉冲时间效应；标准ASTM E1461、ISO 13826，专利US007038209B2均专门对该因素提出了修正方法，扩展了闪光法的应用范围；但是，ASTM E1461针对激光波形为三角形时的情况提出了修正方法，缺少对方波情况的修正；ISO 13826虽然针对激光波形为方波的情况提出了修正方法，但是使用范围有限。
发明内容
鉴于现有技术中存在的有限脉冲时间效应问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法，从而得到能够减少有限脉冲时间效应误差的新的热扩散率的计算公式。
为了解决上述技术问题，本发明提供的减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法，包括：对经典闪光法的物理模型进行重新推导，以得到热扩散率计算公式的修正思路，所述修正思路包括：以经典闪光法的物理模型为基础，重新定义激光加热完成的时刻为时间零点，得到该时刻试样内部的温度分布曲线T(x，0)，并对激光作用深度g进行量化处理，然后对所述试样达到热平衡时的温度分布方程T(x，t)进一步推导，得到试样背面的温度随时间变化的方程T(L，t)，进而得到试样背面的温度随时间变化的无量纲方程V(L，t)，最后，令V(L，t)＝0.5，得到重新定义时间零点后试样背面温升达到最大值一半时的时间t0.5*；该数据处理方法还包括在采用所述修正思路进行修正后，得到闪光法测量热扩散率新的计算公式。
根据本发明，该数据处理方法可以有效减少闪光法测量材料热扩散率时有效脉冲时间的影响，使激光热导仪所能测试样品的厚度更薄，拓展了其应用范围，即，降低了仪器对测试样品在厚度上的要求，拓展了对样品的测试范围。此外，该数据处理方法对激光脉冲波形接近于方形、三角形、指数波形等情况均适用。
又，在本发明中，还可以是，当激光脉冲波形为方波时，采用所述修正思路对物理模型重新推导后，所得到的新的热扩散率计算公式包括：
和
其中，α为热扩散率(m2/s)，L为试样厚度(m)，ω为无量纲参数
根据本发明，以激光脉冲波形是方波为例，进一步说明了采用上述修正思路对物理模型重新推导后，所得到的新的热扩散率计算公式。但本发明不限于方波，本领域技术人员应理解，即便激光脉冲波形的形状不同，例如为三角形或指数波形等，采用上述修正思路对物理模型重新推导后，也可以得到的新的热扩散率计算公式。
又，在本发明中，还包括：采用所得到的新的热扩散率计算公式进行求解的计算过程；所述计算过程包括：激光作用时间内所述试样背面无明显温升情况下的第一数据计算过程，以及激光作用时间内所述试样背面有温升情况下的第二数据计算过程。优选地，当激光波形接近于方波时，所述计算过程包括：所述试样背面在激光作用时间内无明显温升情况下采用所述公式(7)进行求解的第一数据计算过程，以及所述试样背面在激光作用时间内有温升情况下采用所述公式(14)进行求解的第二数据计算过程。但，对于其他波形而言，类似地，可能分两种情况，也可能不分两种情况，这要看上步中得到的新的计算公式如何。
又，在本发明中，还包括：判断所述试样背面在所述激光作用时间内是否有温升的方法；当所述试样背面在所述激光作用时间内无温升时，采用所述第一数据计算过程计算所述试样的热扩散率；当所述试样背面在所述激光作用时间内有温升时，采用所述第二数据计算过程计算所述试样的热扩散率。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。
附图说明
图1示出了采用本发明的数据处理方法对物理模型重新推导，得到新的热扩散率计算公式的修正思路的示意图；
图2示出了激光波形接近于方波时，如何采用所得到的新的热扩散率计算公式进行数据计算的具体实施步骤；
图3示出了试样背面的无量纲温升曲线V(L，t)，说明了基于本发明数据处理方法中时间零点的确定、半温升时间t0.5 *的确定，以及图2中在激光作用时间内是否有温升的分析判断方法，即如何选择第一数据计算过程或第二数据计算过程；
图4示出了当激光波形为方波时，图2中第一数据计算过程实施过程中的ω0.5随κ的变化情况。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对现有技术中激光闪光法所存在的不足，本发明的目的在于提出一种减少有限脉冲时间效应的激光闪光法数据处理方法。
具体地，上述数据处理方法中对物理模型进行重新推导的修正思路如下：以经典闪光法的物理模型为基础，重新定义激光加热完成的时刻为时间零点，得到该时刻试样内部的温度分布曲线T(x，0)，并对激光作用深度g进行量化处理，然后对所述试样达到热平衡时的温度分布方程T(x，t)进一步推导，得到试样背面的温度随时间变化的方程T(L，t)，进而得到样品背面温度随时间变化的无量纲方程V(L，t)；最后，令V(L，t)＝0.5，可以得到重新定义时间零点后样品背面温升达到最大值一半时的时间t0.5*，得到闪光法测量热扩散率新的计算公式。
当激光波形接近于方波时，采用上述数据处理方法对物理模型进行重新推导，并得到新的闪光法计算公式，包括：激光作用时间内试样背部无明显温升情况下的数据计算过程1，以及激光作用时间内试样背部有温升情况下的数据计算过程2。
以下通过具体的实施例进一步详细说明本发明。
如本发明所述，一种减少有限脉冲时间效应的数据处理方法应用于闪光法的数据后处理，本发明中将以当激光波形接近于方波，即在激光作用时间τ0内，被试样吸收的激光脉冲辐照强度qw为常数时为例，说明采用本修正思路时对物理模型重新推导的具体过程。
在激光作用时间τ0内，若试样背面无温升，则激光对试样的加热过程满足对半无限大均匀物体常热流密度作用下的非稳态导热过程；此时定义激光完成后时刻为零点，则在t＝0时刻，在试样正面(x＝0)到激光作用深度内，激光作用深度g以及试样任意点的温度分布为：
当0＜x＜g时 (4)
T(x,0)＝0，当g＜x＜L时 (5)
将式(3)、(4)、(5)及相应的无量纲参数V(L,t),ω,κ代入(1)式，可得：
由(6)式得，当V(L,t)＝0.5时，试样的热扩散系数可由下式求得：
此时，κ,ω0.5的关系由图4所示，热扩散率α可根据图2中数据计算过程1迭代求得。
在激光作用时间τ0内，若试样背面有温升，说明激光加热热流已经作用到了试样背面，定义激光完成后时刻为零点，则可得到t＝0时刻，在试样正面(x＝0)到试样背面的距离，即试样厚度L内，试样内任意点的温度分布处于两个方程之间：
(1)当t＝0，试样背面恰好开始有温升时，则：
该情况仍适合公式(6)，此时，κ＝g/L＝1.29，可得到热扩散有上限为：
(2)当激光加热时间足够长，则试样在厚度方向上的温度分布情况将达到动态平衡状态，可得到t＝0时，试样正面(x＝0)到试样背面的距离，即试样厚度L内，试样任意点的温度分布经验方程为：
其中：p1＝-0.104
p2＝1.907E-7
p3＝-0.014
p4＝0.029
p5＝-0.014
将式(11)及相应的无量纲参数V(L,t),ω代入(1)式，可得：
其中：
由(12)式得，当V(L,t)＝0.5时，可得到热扩散有下限为：
(3)在激光作用时间τ0内，若试样背面有温升，式(10)、(13)得到的是这种情况下热扩散率的上下限，但是由于并不能得到试样具体的温度分布曲线，所以很难得到对应的热扩散率计算公式，在此取上下限的平均值，即对式(10)、(13)求平均可得：
则在激光作用时间内试样背部有温升情况下，可采用式(14)来计算试样的热扩散系数，且其极限误差为6.6％。
以上为激光波形接近于方波时，采用该数据处理方法中的修正思路对物理模型重新推导，得到能够减少有限脉冲时间效应的热扩散率计算公式的过程。如图2所示，将说明激光波形接近于方波时，如何采用上述推导得到的新的热扩散率计算公式(7)、(14)进行求解的计算过程。
步骤一：实验得到试样的背部温升曲线，分析其在激光作用时间内是否已经有温升，选择对应的数据处理方法。如图3所示，为实验得到试样的背部温升曲线，假设τ0′时刻试样背部恰好有温升，则如果激光作用时间τ0<τ0′，即在激光作用时间τ0内，试样背部无温升，则按照计算过程1进行数据处理；如果激光作用时间τ0>τ0′，即在激光作用时间τ0内，试样背部有温升，则按照计算过程2进行数据处理。
步骤二：重新定义时间零点，确定新的半温升时间t0.5*。如图3所示，定义激光脉冲时间τ0作用完成的时刻为时间零点，并以该时刻时试样背面的温度为试样的基准温度，确定新的半温升时间t0.5*。
步骤三：按照相应的计算过程，计算得到试样的热扩散率。
上述公式中的各个符号的意义如表1所示：
表1：
符号意义
。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
Claims (3)
1.一种减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法，其特征在于，包括：
对经典闪光法的物理模型进行重新推导，以得到热扩散率计算公式的修正思路，所述修正思路包括：以经典闪光法的物理模型为基础，重新定义激光加热完成的时刻为时间零点，得到该时刻试样内部的温度分布曲线T(x，0)，并对激光作用深度g进行量化处理，然后对所述试样达到热平衡时的温度分布方程T(x，t)进一步推导，得到试样背面的温度随时间变化的方程T(L，t)，进而得到试样背面的温度随时间变化的无量纲方程V(L，t)，最后，令V(L，t)＝0.5，得到重新定义时间零点后试样背面温升达到最大值一半时的时间t0.5*；在采用所述修正思路进行修正后，得到新的热扩散率计算公式；
当激光脉冲波形接近于方波时，采用所述修正思路对物理模型重新推导后，所得到的新的热扩散率计算公式包括：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mn>0.5</mn>
</msub>
<msup>
<mi>L</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msub>
<mi>t</mi>
<mn>0.5</mn>
</msub>
<mo>*</mo>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
和
其中，α为热扩散率m2/s，L为试样厚度m，ω为无量纲参数
2.根据权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，包括：采用所得到的新的热扩散率计算公式进行求解的计算过程，所述计算过程包括：所述试样背面在激光作用时间内无明显温升情况下采用所述公式(7)进行求解的第一数据计算过程，以及所述试样背面在激光作用时间内有温升情况下采用所述公式(14)进行求解的第二数据计算过程。
3.根据权利要求2所述的数据处理方法，其特征在于，判断所述试样背面在所述激光作用时间内是否有温升的方法；当所述试样背面在所述激光作用时间内无温升时，采用所述第一数据计算过程计算所述试样的热扩散率；当所述试样背面在所述激光作用时间内有温升时，采用所述第二数据计算过程计算所述试样的热扩散率。
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