CN108956691B - 线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置及其测试方法，属于测量材料热物性参数方法技术领域。该装置包括用于固定试件可旋转角度的夹具，具有视频输出的红外热像仪以及带有视频输入的计算机，感应热激励系统的激励线圈、激励探头、激励控制器及水冷循环系统，其中激励线圈安装在激励探头上。测量中将激励线圈贴近被测试件的一面，红外热像仪从试件另一面垂直对准被测试件。该装置使用方向性脉冲涡流加热的新型加热方式，根据实际测量的需要，改变激励线圈的方向，可以快速无损非接触的测量材料在垂直线圈方向上导温系数的分布情况，操作简单，测量速度快，精度高，但只适用于导电材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置及其测试方法，属于测量材料热物性参数方法技术领域。
背景技术
导温系数是表征材料导热性能的重要指标，是物体重要属性，测量方法众多，目前主要有稳态法和非稳态法两大类。稳态法测量时间长，对试件尺寸形状测量环境要求严格，测量的温度范围与导温系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导温系数材料。非稳态法主要包括瞬态热流法与周期热流法两大类。随着红外热成像等非接触快速测温技术的飞速发展，非稳态法以测量精度高、速度快、应用范围广等优点得到了广泛的应用，尤其适合于高导温系数材料以及高温下的测量。
在非稳态法中需要外部进行热激励，常见加热源有激光、加热灯、热风枪、加热丝、加热棒等，其中脉冲类热源较少，主要有激光和加热灯等。以闪光法为代表的瞬态热流法，由Parker于1961年提出，就是利用脉冲光源对薄圆盘形试件正面进行均匀加热，通过圆盘背面达到温度最大值的一半时间来计算材料的导温系数。但满足激励强度的激光器价格昂贵对准调节复杂，被测试件加工复杂需要严格的预处理，且该方法利用激光对材料厚度方向进行测量，仅限对一整块材料测量获得整体的导热性能，对各向异性材料以及材料面内各个方向导温系数的分布测量存在明显的局限性。
发明内容
为了获取导电材料面内不同方向的导温系数，本发明提出了一种线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置及其测试方法，将多用在现代无损检测领域的脉冲电磁感应加热技术应用到了材料热物性参数的测量中，具有操作简单、抗干扰、快速、无损非接触等优点，同时保证了高精度。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置，包括用于固定被测试件的可旋转角度的夹具、红外温度测量设备以及激励线圈、激励探头、激励控制器和水冷循环系统，其中激励线圈安装在激励探头上，激励探头与激励控制器相连，水冷循环系统与激励控制器连接。
所述红外温度测量设备采用具有视频输出的红外热像仪以及带有视频输入的计算机，红外热像仪的视频输出端连接计算机。所述激励线圈采用空心矩形线圈。
线脉冲感应热激励测量面内导温系数装置的测试方法，包括如下步骤：
第一步：将被测试件加工成厚度有限的平滑薄板，固定安置在可旋转角度的夹具上；
第二步：将激励线圈沿确定方向贴近被测试件的一面，红外热像仪从被测试件的另一面垂直对准被测试件；
第三步：开启水冷循环系统启动激励控制器，设定好激励时间、电流大小，激励一次后，被测试件靠近激励线圈的表面感生出与激励电流同频反向的感应涡流，红外热像仪及连接的计算机采集被测试件温度变化的序列热图。
由于涡流的边缘效应，涡流易集中在试件的边缘，第一步中的被测试件在热流传递方向上的长度足够长，一般大于8cm，且大于在观测时间内热流实际传递距离的2.75倍，保证试件在被测方向上热流的单向传递。
第三步中所述被测试件靠近激励线圈的表面感生出与激励电流同频反向的感应涡流，感应涡流在垂直线激励方向产生的温度分布符合高斯分布。
所述高斯分布函数峰值下降到
处宽度的平方值σ2与导温系数α有如下线性关系：
σ2＝R2+8αt
其中：R为线脉冲的宽度；
处理采集的多帧红外序列热图像，获取一组(t，σ2)数据进行线性拟合，得到拟合直线的斜率k，斜率的1/8倍即为对应方向的导温系数值α。
本发明的有益效果如下：
本发明采用脉冲感应线加热源，成功实现导电材料面内导温系数的测量，方法简单，测量精度高，无损非接触，通过简单改变线激励的方向，就能快速得到材料面内各个方向的导温系数的分布情况，尤其对均质各向异性材料面内导温系数分布的测量有着重大的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的测量装置的示意性结构图，其中：1、被测试件；2、激励线圈；3、激励探头；4、可旋转角度的夹具。
图2为本发明实施例的计算原理模型图。
图3为本发明实施例的测量步骤中纯镍板某一行像素上最大温升帧开始连续40帧温度随时间的变化曲线图。
图4为三种材料σ2随时间t变化的拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，根据本发明优选实施例的线脉冲感应热激励导电材料面内方向导温系数的测量装置包括：用于固定被测试件1的可旋转角度的夹具4、红外热像仪以及感应热激励系统的激励线圈2、激励探头3、激励控制器及水冷循环系统。其中激励线圈2安装在激励探头3上，激励探头3通过水管与激励控制器相连，激励控制器通过水管和水冷循环系统相连，水冷循环系统通过水管将循环水输入到激励控制器和激励探头3，整体构成一个循环水流动的闭环回路，防止激励探头3和激励控制器过热达到保护目的。具有视频输出的红外热像仪与带有视频输入的计算机相连，红外热像仪的视频输出端连接到计算机的视频输入端。
如图1所示，本实施例中，被测试件1为纯镍，被测面光滑平整无划痕锈迹，观测面涂黑增强发射率，喷涂的黑漆涂层足够薄，对测量影响可忽略不计。试件实际长×宽×高为200×100×1mm3。被测试件1垂直夹持安放在可旋转角度的夹具4上，空心矩形激励线圈2水平贴近被测试件1中部，线圈2有效加热线圈部分平行试件的宽方向，且保证线圈2所在平面与被测试件1面垂直。红外热像仪在被测试件1另一面观测，与被测面垂直正对被测试件1。调整红外热像仪，使被测试件1被测面充满相机整个视场。
选用的感应激励源最大功率2.4kW，最大电流可达400A。激励频率为150kHz至400kHz，该激励源根据不同的线圈负荷，自动耦合输出谐振频率。激励控制器前面板有用户按钮，可以设置激励时间、激励电流等参数，并控制激励开始和结束。激励线圈2安装在激励探头 3上，激励线圈2形状可设计、拆卸，本实验选用空心矩形激励铜线圈。
在激励过程中，激励线圈2上的电流非常大，会产生很高的热量，为了保护激励探头3并且减小激励线圈2发热对实验的影响，需要一个水冷循环装置。水从激励线圈2和激励控制器中流过，从而带走热量。
选用的红外热像仪分辨率为320×240pixels，热灵敏度为60mK，录像帧频最高为60Hz。
实际测量中，先开启水冷循环系统，再开启激励控制器，在激励控制器的前面板上设置加热时间200ms，激励电流400A。红外热像仪帧频设为60Hz，温度范围自动选择。视频记录包括激励前后时长5s 左右。
计算原理模型如图2所示。在采集的红外序列热图像中，试件表面平行于激励线圈2的方向上产生感应涡流，感应涡流在垂直线激励方向的温度分布符合高斯分布。高斯分布函数峰值下降到
处宽度的平方值σ2与导温系数α有如下线性关系
σ2＝R2+8αt
其中：R为线脉冲的宽度(定义为能量强度下降到
处的距离)。
图3所示为纯镍板某一行像素上最大温升帧开始连续40帧高斯拟合温度曲线随时间的变化图。计算对应不同帧图像中高斯拟合曲线下降到峰值
处曲线宽度的平方σ2，根据记录帧频获得相应帧对应的时间t，获取一组(t，σ2)数据，并进行线性拟合，得到拟合直线的斜率k，斜率的1/8倍即为对应方向的导温系数值α。
对AISI304和纯铁试件进行同样方式的测量，三种材料最大温升帧开始连续40帧热图像进行处理得到的拟合直线图如图4所示。对三种材料各进行3次独立测量取平均值，与文献参考进行了比对，结果如表1所示，测量偏差均在9％以内，充分证明了本发明的有效和正确。
表1 三种材料实验测得值与文献参考值的对比(mm2/s)
| 试件 | 测量值 | 参考值(室温) | 偏差/(％) |
| AISI304 | 4.40 | 4.05 | 8.64 |
| 纯铁 | 19.57 | 20.25 | 3.36 |
| 纯镍 | 23.75 | 22.49 | 5.60 |
Claims (2)
1.一种线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置的测试方法，该测试方法使用的装置包括用于固定被测试件(1)的可旋转角度的夹具(4)、红外温度测量设备以及激励线圈(2)、激励探头(3)、激励控制器和水冷循环系统，其中激励线圈(2)安装在激励探头(3)上，激励探头(3)与激励控制器相连，水冷循环系统与激励控制器连接；其中激励线圈采用空心矩形线圈；红外温度测量设备采用具有视频输出的红外热像仪以及带有视频输入的计算机，红外热像仪的视频输出端连接计算机；
其特征在于，该方法包括如下步骤：
首先将被测试件(1)加工成厚度有限的平滑薄板，固定安置在可旋转角度的夹具(4)上；然后将激励线圈(2)沿确定方向贴近被测试件(1)的一面，红外热像仪从被测试件(1)的另一面垂直对准被测试件(1)；开启水冷循环系统启动激励控制器，设定好激励时间、电流大小，激励一次后，被测试件(1)靠近激励线圈(2)的表面感生出与激励电流同频反向的感应涡流，红外热像仪及连接的计算机采集被测试件(1)温度变化的序列热图；被测试件(1)在热流传递方向上的长度足够长，一般大于8cm，且大于在观测时间内热流实际传递距离的2.75倍，保证试件在被测方向上热流的单向传递；被测试件(1)靠近激励线圈(2)的表面感生出与激励电流同频反向的感应涡流，由于涡流的边缘效应，涡流易集中在试件的边缘，感应涡流在垂直线激励方向产生的温度分布符合高斯分布。
2.根据权利要求1所述的线脉冲感应热激励测量面内导温系数的装置的测试方法，其特征在于，所述温度分布高斯分布函数峰值下降到
处宽度的平方值σ2与导温系数α有如下线性关系：
σ2＝R2+8αt
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