CN108982585A - 一种面内方向导温系数测量方法 - Google Patents

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田裕鹏
王平
余开科
尹相杰
贾兴伟
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Abstract

本发明公开了一种面内方向导温系数测量方法，该测量方法采用沿一定方向的线高斯分布瞬态热激励源对试件进行激励，在试件中产生沿确定方向的热流，在线激励源两侧形成高斯温度分布；采用红外成像设备获取激励过程中试件红外序列热图像。对试件红外热图像中形成的有规律的温度分布进行处理，获取沿热流方向的导温系数。改变线激励的方向，可以快速测量均质材料在垂直线激励方向的导温系数。本发明操作简单，测量速度快，精度高，不需要苛刻的试件准备和测量环境，一次测量可同时得到一条线上的导温系数的分布。对无损检测材料面内导温系数的分布有着重要的意义，该方法对各向同性、各向异性材料均适用。

Description

一种面内方向导温系数测量方法
技术领域
本发明涉及测量材料热物性参数的方法，具体涉及到一种脉冲线激励测量材料面内不同方向导温系数的方法。
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，其测量方法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热系数材料。随着红外热成像技术的飞速发展，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，尤其适合于高导热系数材料以及高温下的测量，主要包括瞬态热流法与周期热流法两大类，其中瞬态测量法又以简单、快捷而受到重视。
以闪光法为代表的瞬态热流法，由Parker于1961年提出，经过多年发展,具有测试材料种类广泛、测试温度范围宽广、测试速度快和测试功能强等诸多优点，是目前应用最为广泛的一种方法。该方法利用脉冲光源对处于恒温状态的薄圆盘形试件正面进行瞬间加热，并同时在试样背面对因此而带来的热能变化进行高速采集，最后再通过测得的数据和相应的数学模型计算出该种材料在当前温度下的导温系数。该方法测量的方向大多为材料厚度方向，仅限对一整块材料测量获得整体的导热性能，且大多数方法仅适用于均质各向同性的材料某一特定方向的测量，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。
公布号为CN104215660A的中国专利中公开了一种测定固体材料导热系数及热扩散率的方法及系统，即利用超级恒温水浴作为热源，与试样盒底部的黄铜板形成恒温边界，温度均匀性和稳定性好，易于实现，基于恒温边界一维非稳态传热模型，利用参数估计法测固体材料导热系数及热扩散率。但这种方法参数估计步骤繁杂，测量材料前要查相关手册来确定其参数以及根据实际情况来测量其尺寸大小，主要测量厚度方向的热扩散率，对各向异性材料，面内热扩散率的测量有局限性。
所以现有的导温系数测量主要针对厚度方向的热传导进行，这也与金属等传统材料各向同性有关，而很多新材料如复合材料是各向异性的，需要针对不同方向测量材料性质。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种采用方向热激励的面内方向导温系数的测量方法，可以测量均质各向异性材料面内不同方向导温系数的方法。
技术方案：一种面内方向导温系数测量方法，包括如下步骤：
步骤1：采用具有方向性的热激励源对试件进行激励，在试件中产生沿确定方向的热流；
步骤2：采用红外成像设备获取激励过程中试件红外序列热图像；
步骤3：对试件红外序列热图像中形成的有规律的温度分布进行处理，获取沿热流方向的导温系数。
进一步的，采用沿一定方向的线分布瞬态热激励源对试件进行激励，形成沿垂直于热激励线方向的热流。
进一步的，所述线分布瞬态热激励源为线高斯分布瞬态热源，试件上在热激励线两侧形成高斯温度分布。
进一步的，采用红外热像仪采集激励前后一段时间的试件表面红外序列热图像。
进一步的，所述步骤3包括如下具体步骤：
步骤3.1：选取红外序列热图像中热激励前一帧图像作为参考图像，后续图像与参考图像做差值运算，获得序列差值图像；
步骤3.2：将序列差值图像中最大差值图像确定为起始帧图像；
步骤3.3：对起始帧图像中沿垂直于热激励线方向的热流的一行图像数据进行高斯拟合，得到高斯拟合曲线；
步骤3.4：计算高斯拟合曲线下降到峰值1/e2处曲线宽度的平方值σ2；
步骤3.5：对起始帧后的若干帧图像重复步骤3.3、3.4，分别得到对应帧图像中，沿垂直于热激励线方向的热流的同一行图像数据相应高斯拟合曲线峰值下降到1/e2处曲线宽度的平方值σ2；
步骤3.6：根据起始帧图像开始的相应帧对应的时间t，将获取的一组(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倍即为这一行图像对应方向的导温系数值α。
进一步的，通过改变热激励源的线激励方向，得到面内不同方向的导温系数。
有益效果：本发明的一种面内方向导温系数测量方法，使用具有方向性的线脉冲激励，实现了均质材料面内不同方法导温系数的测量，方法快速精确，尤其对各向异性材料面内导温系数分布的测量有着重大意义。
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；
图2为本发明实施例纯铁的测量步骤中某一行像素上最大温升帧温度值高斯拟合的曲线；
图3为本发明实施例纯铁的测量步骤中某一行像素10帧图像σ2随时间的变化曲线；
图4为本发明实施例碳纤维复合材料板的测量结果。
图中标记说明：
1—被测试件、2—线激励源、3—红外相机、4—计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：一种面内方向导温系数测量方法，包括如下步骤：
步骤1：采用脉冲线激光作为线高斯分布瞬态热源，对纯铁薄板进行激励，在纯铁试件中产生沿确定方向的热流。如图1所示，脉冲激光最大输出功率3W，激励时间200ms，试件尺寸(长×宽×厚)：200mm×100mm×1mm。脉冲激光经过柱透镜形成张角为20°的线激光束，线激光长度方向沿试件宽度方向进行线激励，具体位于试件长度方向中间位置。线激光在试件中形成沿垂直于热激励线方向的热流，并在热激励线两侧形成高斯温度分布。
步骤2：在激励的同时采用红外热像仪采集激励前后一段时间的试件表面红外序列热图像。采集频率80Hz，对应采集时间间隔12.5ms，采集时间长度5s。
步骤3：对试件红外序列热图像中形成的有规律的温度分布进行处理，获取沿热流方向的导温系数。具体步骤为：
步骤3.1：选取红外序列热图像中热激励前一帧图像作为参考图像，后续图像与参考图像做差值运算，获得序列差值图像。
步骤3.2：将序列差值图像中最大差值图像确定为起始帧图像，序列差值图像中最大差值图像对应温升最大。
步骤3.3：对起始帧图像中沿垂直于热激励线方向的热流的第100行图像数据进行高斯拟合，得到高斯拟合曲线，如图2所示。
步骤3.4：计算高斯拟合曲线下降到峰值1/e2处曲线宽度的平方值σ2。
步骤3.5：对起始帧后的10帧图像重复步骤3.3、3.4，分别得到对应帧图像中，沿垂直于热激励线方向的热流的同一行图像数据相应高斯拟合曲线峰值下降到1/e2处曲线宽度的平方值σ2。
步骤3.6：根据起始帧图像开始的相应帧对应的时间t，将获取的一组(t，σ2)数据进行线性拟合，如图3所示，得到拟合直线的斜率k，斜率的1/8倍即为这一行图像对应方向的导温系数值α。
最后测得纯铁导温系数为：α＝19.74(mm2/s)，与手册参考值20.25(mm2/s)相比，偏差为2.52％，说明本方法的测量精度可以满足实际要求。
本测试方法中，在柱坐标下，忽略热损失，在径向高斯分布的脉冲热源激励下，在热激励线两侧形成高斯温度分布有解析解：
式中，T为温升，r为极径，z为厚度坐标，t为时间，Q为总热量，L为纯铁薄板试件厚度，n是求和阶数，α为导温系数，R为能量强度下降到1/e2处的宽度。为蓄热系数，κ为导热系数，ρ为材料密度，c为材料比热。
热流沿径向传递，任一时刻的温度分布只取决于下式高斯项，相应的温度分布服从高斯分布：
高斯分布峰值下降到1/e2处宽度的平方值σ2与导温系数α有如下线性关系：
σ2＝R2+8αt (3)
通过改变热激励源的线激励方向，可以得到面内不同方向的导温系数。
实施例2：与实施例1的区别仅在于试样为碳纤维复合材料试件。碳纤维复合材料试件尺寸(长×宽×厚)为：200mm×200mm×1mm。300k碳纤维，0\90\0\90\90\0\90\0铺层。通过调整试件方位，分别沿试件不同方向进行测量，结果如图4所示。
本发明方法操作简单，测量速度快，精度高，不需要苛刻的试件准备和测量环境，一次测量可同时得到一条线上的导温系数的分布。对无损检测材料面内导温系数的分布有着重要的意义，该方法对各向同性、各向异性材料均适用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面内方向导温系数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用具有方向性的热激励源对试件进行激励，在试件中产生沿确定方向的热流；
步骤2：采用红外成像设备获取激励过程中试件红外序列热图像；
步骤3：对试件红外序列热图像中形成的有规律的温度分布进行处理，获取沿热流方向的导温系数。
2.根据权利要求1所述的面内方向导温系数测量方法，其特征在于，采用沿一定方向的线分布瞬态热激励源对试件进行激励，形成沿垂直于热激励线方向的热流。
3.根据权利要求2所述的面内方向导温系数测量方法，其特征在于，所述线分布瞬态热激励源为线高斯分布瞬态热源，试件上在热激励线两侧形成高斯温度分布。
4.根据权利要求2或3所述的面内方向导温系数测量方法，其特征在于，采用红外热像仪采集激励前后一段时间的试件表面红外序列热图像。
5.根据权利要求4所述的面内方向导温系数测量方法，其特征在于，所述步骤3包括如下具体步骤：
步骤3.1：选取红外序列热图像中热激励前一帧图像作为参考图像，后续图像与参考图像做差值运算，获得序列差值图像；
步骤3.2：将序列差值图像中最大差值图像确定为起始帧图像；
步骤3.3：对起始帧图像中沿垂直于热激励线方向的热流的一行图像数据进行高斯拟合，得到高斯拟合曲线；
步骤3.4：计算高斯拟合曲线下降到峰值1/e2处曲线宽度的平方值σ2；
步骤3.5：对起始帧后的若干帧图像重复步骤3.3、3.4，分别得到对应帧图像中，沿垂直于热激励线方向的热流的同一行图像数据相应高斯拟合曲线峰值下降到1/e2处曲线宽度的平方值σ2；
步骤3.6：根据起始帧图像开始的相应帧对应的时间t，将获取的一组(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倍即为这一行图像对应方向的导温系数值α。
6.根据权利要求5所述的面内方向导温系数测量方法，其特征在于，通过改变热激励源的线激励方向，得到面内不同方向的导温系数。
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