CN109900738B - 基于大功率激光器加热材料的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于大功率激光器加热材料的装置及方法，该装置包括激光加热机构和测温控温机构；激光加热机构包括加热源组件、样品支撑组件和冷水机，样品支撑组件由样品和用于放置样品的切换式样品台构成，切换式样品台由样品支撑台和辐射换能板组成；加热源组件包括驱动电源、激光器、光束整形器、激光对准平台和冷水机；冷水机的进水口和出水口分别与激光器的出水口和进水口连通，气泵与光束整形器连接；测温控温机构包括热像仪、双色高温计和热电偶、调整热电偶位置的热电偶固定旋转机构及PLC控制器。本发明能够对化学成分不固定、激光吸收率不固定的材料进行局部加热或者加热小面积样品进行实时连续精确地测温控温。
Description
技术领域
本发明属于材料加热技术领域，涉及一种激光加热装置及方法，特别是涉及一种利用大功率激光器对化学成分不固定、激光吸收率不固定的材料进行局部加热或者加热小面积样品的装置及方法。
背景技术
近年来，由于我国航空航天事业的迅速发展，对材料热物理性能的测试研究有着很大的需求，新型超高温材料的发展一定程度上是许多高新技术取得突破的前提。典型的航空航天材料如防热耐烧蚀复合材料、梯度功能复合材料等都需要在超高温条件下进行材料热物理性能参数测试。
测量材料在超高温下的某些热物性，需要将材料试样加热以达到某一要求的温度或在所指定的方向上建立一定的温度梯度。传统的加热方式已无法完全满足对新材料研究的需求。比如采用通电加热方式，要求实验材料必须具有导电性，且通电加热只针对金属材料加热效率较高，适用领域比较狭窄。这种加热方式还存在其他缺陷，实验耗时长、重复性差，受环境因素影响大，需定时更换加热元件，成本高，维修不方便，且很难精确可控的将材料加热到2600℃。另外，采用这种加热方式，在高温的持续时间长，仪器自身的杂质可能在高温环境下被释放出来，影响实验效果。
针对超高温材料的研究，可采用激光器作为加热源。但在目前的激光加热实验系统中，忽略了材料自身吸收率对加热效果的影响。尤其是对透明、半透明或者其他自身吸收率很低的材料，采用直接激光加热的方式，无法将材料加热至要求的温度，达不到高温实验目的。
激光加热实验的测温方式，通常采用热电偶测温，而市面上的热电偶存在测温范围小的问题。在实验中，对于不同的目标温度，需要替换不同型号的热电偶，尤其是在测温区间非常大的情况下。使用热电偶将无法实现连续测温，且操作十分繁琐。另外，热电偶可能由于各种原因发生断路，使测温仪器不能正常工作，如果不能及时发现，势必会造成实验失败。
采用大功率激光器加热，如果无法对激光器功率进行精确控制，将会直接影响升温速率，导致控温精度低，功率稳定时间短，影响实验结果的准确性。比如，专利CN103234804A公开了一种大功率非接触式激光加热装置，但其没有对吸收率低的材料提出一种加热方法，且仅仅使用热电偶，无法实现整个温区连续的测温控温，需要根据要求的加热温度替换测温装置。采用高功率激光器作为加热源，如果频繁地移动测温元件，容易损坏测温元件，造成测温结果不准确，人员操作存在安全隐患。比如专利CN102540340A公开了一种温区可控的激光加热源，其不适用于超高温的实验环境，且缺乏测温控温的装置。因此需要一种实验方法，可使用激光加热吸收率低的材料，并实现整个温度区间的连续测温控温，这对于材料高温特性的研究有着很重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于大功率激光器加热材料的装置及方法，能够对化学成分不固定、激光吸收率不固定的材料进行局部加热或者加热小面积样品进行实时连续精确地测温控温。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面本发明公开了一种基于大功率激光器加热材料的装置，包括激光加热机构和测温控温机构；所述激光加热机构包括加热源组件、样品支撑组件和冷水机，所述样品支撑组件是由样品和用于放置样品的切换式样品台构成，所述切换式样品台是由样品支撑台和辐射换能板组成的，所述切换式样品台在加热高吸收率样品时，将样品直接放置于样品支撑平台；加热低吸收率样品时，将样品置于辐射换能板上再置于样品支撑平台；所述加热源组件包括驱动电源、激光器、光束整形器、激光对准平台和冷水机，所述驱动电源与激光器电连接，用于对激光器进行输出功率调节，所述激光器通过光纤与光束整形器连接，光束整形器固定安装在可实现横向、纵向、高度的位移及俯仰角的四维调节的激光对准平台上，使所述激光器中的激光光束能够对准样品下表面；所述冷水机的进水口和出水口分别与激光器的出水口和进水口连通，对激光器进行水循环冷却，气泵与光束整形器连接，保证激光器的长时间稳定工作；所述测温控温机构包括热像仪、双色高温计和热电偶、调整热电偶位置的热电偶固定旋转机构及PLC控制器；所述显示器与热像仪电连接，显示红外热成像以及加热光斑图像，实现对加热过程的监控；所述双色高温计延伸至样品上方，用于测量样品的高温区间温度；在低温阶段，热电偶直接接触样品上表面并测量温度，在高温阶段，电机带动热电偶旋转轴旋转，移开热电偶，开启双色测温仪测量样品温度；所述PLC控制器的输入端分别与热电偶和双色高温计电连接，所述PLC控制器的输出端分别与驱动电源和热电偶固定旋转机构电连接，利用测得温度与设定温度的比较值作为输入信号，通过PLC控制器来控制驱动电源，从而控制激光器输出功率，使温度保持在相对稳定的范围内，并根据输入信号的温度来控制热电偶固定旋转机构的转动，使热电偶移至样品上方或远离样品。
作为一种优选实施方式，所述热电偶固定旋转机构是由支撑杆、可转动的固定在支撑杆上方的横杆、在所述横杆的自由端连接有热电偶，在所述热电偶上连接有用于与样品接触的金属弹片；在所述支撑杆和长杆之间、或长杆上设有电机，所述PLC控制器的输出端与电机电连接，通过电机驱动长杆转动使金属弹片离移至样品上方或远离样品。
作为一种优选实施方式，所述驱动电源为脉冲驱动电源；进一步地，所述脉冲驱动电源的型号为：LWG-XXXX/QCW-USB或LWG-XXXX/HP-USB。
作为一种优选实施方式，所述辐射换能板是由高导热系数的高温陶瓷制成的薄片结构，可以是硼化锆、PCD陶瓷、碳化硅等。
本发明通过电源对激光器的温度进行调节，使其保持在相对稳定的范围内，且整个温度区间（室温-2600℃）内的控温精度不大于±20℃。
作为一种优选实施方式，所述激光对准平台可以是任何实现激光器横向、纵向、高度的位移、及俯仰角调整的四维调整；可以是由角位台和可实现xy方向移动平台组成，进一步地可以是由两组互相垂直的直线滑轨和位于其上方的PSAG角位台组成的。
进一步地，所述激光对准平台俯仰角的范围是60°~80°。
本发明以经过整形的高功率连续激光束作为加热源，形成能量均匀分布的光斑，以一定角度照射被加热材料样品，利用照射产生的热效应形成可控温场，控温范围在室温到2600℃之内。利用热像仪实现对于加热温度、温场以及光斑的检测和监视。并根据温度测量单元的反馈调节激光器输出功率控制实验材料样品的温度。
另一方面，本发明还公开了一种基于大功率激光器加热材料的方法，是通过如下步骤实现的：
（1）将样品置于切换式样品台；
（2）根据样品吸收率选择切换式样品台，调节激光对准平台，使激光光束对准样品的下表面进行直接或间接加热；
（3）开启冷水机，抽气气泵，开启激光器、热像仪，进行光斑监测和工矿监测，样品的温度通过热电偶或双色高温计测量，并通过PLC控制器来自动调节激光器功率，使温度保持在相对稳定范围内；其中，低温时，直接使用热像仪和监视相机进行工况监控，显示器实时显示其成像；高温时，由于热像仪会发生饱和，在热像仪镜头前安装光学衰减片达到监控的目的；
（4）测温结束后，关闭激光器，关闭冷水机、抽气气泵。
针对吸收率不同的样品，本发明提供两种加热模式：当样品对加热光束的吸收率较高时，以激光束直接照射样品的方式加热，即直接加热模式；当被加热样品对加热激光束的吸收率较低时，先以激光束加热辐射换能板，再由辐射换能板加热样品的方式加热，即间接加热模式。加热过程中，配备热成像系统监测装置，实时获取样品的温度、温场分布，表面状态等参数。
本发明解决了使用激光器加热低吸收率材料的问题，保证了操作人员的安全，简化了实验操作流程，缩短了实验操作时间，延长了实验装置的使用寿命，降低了实验成本，实现温度范围从室温到2600℃的连续加热测温、控温。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中基于大功率激光器加热材料的装置的结构示意图。
图2为图1中热电偶固定旋转机构的结构示意图。
图中：1、显示器；2、双色高温计；3、样品；4、热电偶；5、样品支撑平台；6、热电偶固定旋转机构；7、辐射换能板；8、热像仪；9、激光对准平台；10、光束整形器；11、激光器；12、脉冲驱动电源；13、冷水机；14、PLC控制器；15、气泵；16、监视相机；61、支撑杆；62、横杆；63、金属弹片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1~2所示的基于大功率激光器加热材料的装置，包括激光加热机构和测温控温机构；所述激光加热机构包括加热源组件、样品支撑组件和冷水机13，所述样品支撑组件是由样品和用于放置样品的切换式样品台构成，所述切换式样品台是由样品支撑台5和辐射换能板7组成的，所述切换式样品台在加热高吸收率样品时，将样品直接放置于样品支撑平台5；加热低吸收率样品时，将样品置于辐射换能板7上再置于样品支撑平台5，所述辐射换能板7是由高导热系数的高温陶瓷制成的薄片结构；所述加热源组件包括脉冲驱动电源12、激光器11、光束整形器10、激光对准平台9和冷水机13，所述脉冲驱动电源12为LWG-XXXX/QCW-USB与激光器11电连接，用于对激光器11进行输出功率调节，所述激光器11通过光纤与光束整形器10连接，光束整形器10固定安装在可实现横向、纵向、高度的位移及俯仰角的四维调节的激光对准平台9上，使所述激光器11中的激光光束能够对准样品下表面；所述冷水机13的进水口和出水口分别与激光器11的出水口和进水口连通，对激光器11进行水循环冷却，气泵15与光束整形器10连接，保证激光器11的长时间稳定工作；所述测温控温机构包括热像仪8、双色高温计2和热电偶4、调整热电偶4位置的热电偶固定旋转机构6及PLC控制器14；所述显示器1与热像仪8电连接，显示红外热成像以及加热光斑图像，实现对加热过程的监控；所述双色高温计2延伸至样品上方，用于测量样品的高温区间温度；在低温阶段，热电偶4直接接触样品上表面并测量温度，在高温阶段，电机带动热电偶4旋转轴旋转，移开热电偶4，开启双色测温仪2测量样品温度；所述PLC控制器14的输入端分别与热电偶4和双色高温计2电连接，所述PLC控制器14的输出端分别与脉冲驱动电源12和热电偶固定旋转机构6电连接，利用测得温度与设定温度的比较值作为输入信号，通过PLC控制器14来控制脉冲驱动电源12，从而控制激光器11输出功率，使温度保持在相对稳定的范围内，并根据输入信号的温度来控制热电偶固定旋转机构6的转动，使热电偶4移至样品上方或远离样品。
其中，所述热电偶固定旋转机构是由支撑杆61、可转动的固定在支撑杆61上方的横杆62、在所述横杆62的自由端连接有热电偶4，在所述热电偶4上连接有用于与样品接触的金属弹片63；在所述支撑杆61和长杆62之间设有电机，所述PLC控制器14的输出端与电机电连接，通过电机驱动长杆62转动使金属弹片63离移至样品上方或远离样品；所述激光对准平台11是由两组互相垂直的直线滑轨和位于其上方的PSAG角位台组成的，所述激光对准平台11俯仰角的范围是60°~80°。
为了防止样品在高温加热情况下，出现的氧化冒烟等现象，影响环境，可以将激光整形器10、激光对准平台9、热像仪8、热电偶4、样品支撑平台5、热电偶固定旋转机构6、和辐射换能板7放置在防护罩内，并在防护罩内加设隔板，将热电偶4、样品支撑平台5、热电偶固定旋转机构6、和辐射换能板7放置在隔板上。
上述基于大功率激光器加热材料的方法，是通过如下步骤实现的：
（1）将样品置于切换式样品台；
（2）根据样品吸收率选择切换式样品台，调节激光对准平台，使激光光束对准样品的下表面进行直接或间接加热；
（3）开启冷水机13，抽气气泵15，开启激光器11、热像仪8，进行光斑监测和工矿监测，样品的温度通过热电偶4或双色高温计2测量，并通过PLC控制器14来自动调节激光器11功率，使温度保持在相对稳定范围内；其中，低温时，直接使用热像仪8和监视相机16进行工况监控，显示器1实时显示其成像；高温时，由于热像仪8会发生饱和，在热像仪8镜头前安装光学衰减片达到监控的目的；
（4）测温结束后，关闭激光器11，关闭冷水机13、抽气气泵15。
针对吸收率不同的样品，本发明提供两种加热模式：当样品对加热光束的吸收率较高时，以激光束直接照射样品的方式加热，即直接加热模式；当被加热样品对加热激光束的吸收率较低时，先以激光束加热辐射换能板，再由辐射换能板加热样品的方式加热，即间接加热模式。加热过程中，配备热成像系统监测装置，实时获取样品的温度、温场分布，表面状态等参数。
本发明以经过整形的高功率连续激光束作为加热源，形成能量均匀分布的光斑，以一定角度照射被加热材料样品，利用照射产生的热效应形成可控温场，控使其保持在相对稳定的范围内，且整个温度区间（室温-2600℃）内的控温精度不大于±20℃。利用热像仪8实现对于加热温度、温场以及光斑的检测和监视。并根据温度测量单元的反馈调节激光器输出功率控制实验材料样品的温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于大功率激光器加热材料的装置，包括激光加热机构和测温控温机构；其特征在于：所述激光加热机构包括加热源组件和样品支撑组件，所述样品支撑组件是由样品和用于放置样品的切换式样品台构成，所述切换式样品台是由样品支撑台和辐射换能板组成的；所述加热源组件包括驱动电源、激光器、光束整形器、激光对准平台和冷水机，所述驱动电源与激光器电连接，所述激光器通过光纤与光束整形器连接，光束整形器固定安装在可实现四维调节的激光对准平台上；所述冷水机的进水口和出水口分别与激光器的出水口和进水口连通，气泵与光束整形器连接；所述测温控温机构包括热像仪、双色高温计和热电偶、调整热电偶位置的热电偶固定旋转机构及PLC控制器；显示器与热像仪电连接；所述双色高温计延伸至样品上方；所述PLC控制器的输入端分别与热电偶和双色高温计电连接，所述PLC控制器的输出端分别与驱动电源和热电偶固定旋转机构电连接。
2.如权利要求1所述的基于大功率激光器加热材料的装置，其特征在于：所述热电偶固定旋转机构是由支撑杆、可转动的固定在支撑杆上方的横杆、在所述横杆的自由端连接有热电偶，在所述热电偶上连接有用于与样品接触的金属弹片；在所述支撑杆和横杆之间、或横杆上设有电机，所述PLC控制器的输出端与电机电连接，通过电机驱动长杆转动使金属弹片离移至样品上方或远离样品。
3.如权利要求1所述的基于大功率激光器加热材料的装置，其特征在于：所述驱动电源为脉冲驱动电源。
4.如权利要求3所述的基于大功率激光器加热材料的装置，其特征在于：所述脉冲驱动电源的型号为：LWG-XXXX/QCW-USB或LWG-XXXX/HP-USB。
5.如权利要求1所述的基于大功率激光器加热材料的装置，其特征在于：所述辐射换能板是由高导热系数的高温陶瓷制成的薄片结构。
6.如权利要求5所述的基于大功率激光器加热材料的装置，其特征在于：所述高温陶瓷选自硼化锆、PCD陶瓷、碳化硅中的一种。
7.如权利要求1所述的基于大功率激光器加热材料的装置的加热方法，其特征在于是通过如下步骤实现的：
（1）将样品置于切换式样品台；
（2）调节激光对准平台，使激光光束对准样品的下表面进行直接或间接加热；
（3）开启冷水机，抽气气泵，开启激光器、热像仪，进行光斑监测和工况监控，样品的温度通过热电偶或双色高温计进行测量，并通过PLC控制器来自动调节激光器功率，使温度保持在相对稳定范围内；
（4）测温结束后，关闭激光器，关闭冷水机、抽气气泵。
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