CN109974885A - 一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，包括以下步骤：温度传感器的制备；温度标定，利用加热器加热温度传感器，获得CdTe薄膜光强‑温度曲线；温度测量，将已标定的温度传感器放置于待测温壁面，并获得CdTe发光强度，根据上述光强‑温度曲线可以得到壁面的温度场；本发明通过光学方法测量，能实现温度场测量且分辨率高响应快。
Description
技术领域
本发明涉及表面温度场测试技术领域，具体涉及一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法。
背景技术
表面温度测量在固体零件热应力分析、大规模集成电路散热设计、高速旋转部件动态测量等领域中都有重要且广泛的应用。传统的表面温度测量方法包括接触式加密阵列热电偶或热电阻和非接触式如红外成像等技术。考虑到热电偶、热电阻频率响应低，且在接触面上的布置密度有限，测量空间分辨率难以进一步提高，红外成像技术受环境影响易产生较大误差，测量精度无法满足需求。
本发明提出一种表面温度场的光学测量新方法，该方法对温度场干扰小、频响高，测量反应速度理论可达飞秒(10-12)级，且测量空间分辨率可达微米级。
发明内容
为了克服已有温度场测量方法的缺点，本发明的目的在于提供一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，根据量子点材料发光光谱的温变移动效应，不同温度会使量子点材料发射出不同峰值强度荧光；通过高速相机拍摄，对拍摄图像进行分析和反演计算得到量子点材料表面温度场，实现高空间分辨率、高频率响应的表面温度场测量。
为了达到上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，包括以下步骤：
步骤1，温度传感器1的制备：首先将质量比为1:6-1:10的明胶与水混合加热形成明胶溶液，然后将与水的体积比为1：20的水溶性CdTe量子点滴入明胶溶液，将得到的混合溶液充分震荡，震荡后混合溶液以50-90℃恒温加热，最后选取玻璃基底1-1，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-1表面制得CdTe薄膜1-2，在CdTe薄膜1-2表面黏贴导热薄膜1-3，玻璃基底1-1、CdTe薄膜1-2和导热薄膜1-3形成温度传感器1；
步骤2，搭建温度标定系统：温度传感器1上方放置加热器6，加热器6的加热表面与导热薄膜1-3接触，加热器6连接温度控制器7，加热器6的温度通过温度控制器7控制，温度传感器1下方布置有紫外光源2和高速相机4，高速相机4上装有滤波片3，高速相机4与计算机5连接，高速相机4将拍摄的图像信息传输给计算机5做后续处理。
步骤3，温度标定：在温度标定系统中，通过温度控制器7控制加热器6将温度传感器1加热至不同温度，紫外光源2激发温度传感器1发射荧光，利用装有滤波片3的高速相机4采集不同温度下温度传感器1的图像，通过计算机5对图像处理可以提取不同温度下温度传感器1发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到光强-温度标定曲线；
步骤4，温度场测量：将标定完成的温度传感器1放置于待测温的壁面8表面(待测温的壁面8与导热薄膜1-3接触)并用紫外光源2照射，利用高速相机4实时采集温度传感器1发光强度并传送到计算机5，将采集的发光强度与光强-温度标定曲线作对比，得到表面8的表面温度场。
所述的温度传感器1的尺寸大小可以根据测温壁面尺寸而定。
所述的CdTe薄膜1-2激发波长为640nm。
所述的紫外光源2发光波长为390nm，环形布置，照射方向垂直于温度传感器1表面，且照射范围完全覆盖温度传感器1。
所述的滤波片3为带通滤波片，带通范围与CdTe薄膜1-2的发光峰值相吻合。
所述的加热器6的加热表面与导热薄膜1-3接触并完全覆盖。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明提供一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量的光学方法，将水溶性CdTe量子点制备成薄膜，利用该薄膜做成的温度传感器可实现表面温度场测量，该方法测量精度高、对温度场干扰小、频响快，测量反应速度理论可达飞秒(10-12)级，且测量空间分辨率可达微米级。
附图说明
图1为本发明搭建的温度标定系统示意图。
图2为本发明温度场测量示意图。
图3为玻璃基底旋涂CdTe薄膜并粘附导热薄膜后的形成的温度传感器侧视图。
图4为紫外光源的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
(1)温度传感器1的结构如图3所示，具体制作过程如下：首先将1g明胶(粉)与6g水溶液混合后加热至50℃形成明胶溶液，然后在明胶溶液中滴入0.3ml水溶性CdTe量子点，将混合溶液充分震荡，震荡后混合溶液50℃恒温加热15min，最后选取清洁处理后的玻璃作为玻璃基底1-1，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-1表面制得CdTe薄膜1-2，冷却6-8h后在CdTe薄膜1-2表面黏贴导热薄膜1-3。
(2)温度标定系统如图1所示，温度传感器1上方放置加热器6(加热器6的加热表面与导热薄膜1-3接触)，加热器6的温度通过温度控制器7控制，温度传感器1下方布置有紫外光源2和高速相机4，高速相机4上装有滤波片3，高速相机4将拍摄的图像信息传输给计算机5做后续处理。
(3)温度标定过程如下：通过温度控制器7控制加热器6将温度传感器1加热至不同温度，温升为3℃；紫外光源2激发温度传感器1发射荧光，利用装有滤波片3的高速相机4采集不同温度下温度传感器1的图像；通过计算机5对图像处理可以提取不同温度下CdTe薄膜1-2发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到光强-温度标定曲线。
(4)温度场测量系统如图2所示，温度场测量过程如下：将标定完成的温度传感器1放置于待测温的壁面8表面(导热薄膜1-3与待测温的壁面8接触)并用紫外光源2照射，接触面的温度变化使温度传感器1发射出不同强度的荧光，利用高速相机4实时采集温度传感器1发光强度并传送到计算机5，将采集的发光强度与光强-温度标定曲线作对比，得到待测温的壁面8的表面温度场。
实施例二：
(1)温度传感器1的结构如图3所示，具体制作过程如下：首先将2g明胶(粉)与16g水溶液混合后加热至70℃形成明胶溶液，然后在明胶溶液中滴入0.8ml水溶性CdTe量子点，将混合溶液充分震荡，震荡后混合溶液70℃恒温加热15min，最后选取清洁处理后的玻璃作为玻璃基底1-1，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-1表面制得CdTe薄膜1-2，冷却6-8h后在CdTe薄膜1-2表面黏贴导热薄膜1-3。
(2)温度标定系统如图1所示，温度传感器1上方放置加热器6(加热器6的加热表面与导热薄膜1-3接触)，加热器6的温度通过温度控制器7控制，温度传感器1下方布置有紫外光源2和高速相机4，高速相机4上装有滤波片3，高速相机4将拍摄的图像信息传输给计算机5做后续处理。
(3)温度标定过程如下：通过温度控制器7控制加热器6将温度传感器1加热至不同温度，温升为3℃；紫外光源2激发温度传感器1发射荧光，利用装有滤波片3的高速相机4采集不同温度下温度传感器1的图像；通过计算机5对图像处理可以提取不同温度下CdTe薄膜1-2发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到光强-温度标定曲线。
(4)温度场测量系统如图2所示，温度场测量过程如下：将标定完成的温度传感器1放置于待测温的壁面8表面(导热薄膜1-3与待测温的壁面8接触)并用紫外光源2照射，接触面的温度变化使温度传感器1发射出不同强度的荧光，利用高速相机4实时采集温度传感器1发光强度并传送到计算机5，将采集的发光强度与光强-温度标定曲线作对比，得到待测温的壁面8的表面温度场。
实施例三：
(1)温度传感器结构1的如图3所示，具体制作过程如下：首先将1g明胶(粉)与10g水溶液混合后加热至90℃形成明胶溶液，然后在明胶溶液中滴入0.5ml水溶性CdTe量子点，将混合溶液充分震荡，震荡后混合溶液90℃恒温加热15min，最后选取清洁处理后的玻璃作为玻璃基底1-1，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-1表面制得CdTe薄膜1-2，冷却6-8h后在CdTe薄膜1-2表面黏贴导热薄膜1-3。
(2)温度标定系统如图1所示，温度传感器1上方放置加热器6(加热器6的加热表面与导热薄膜1-3接触)，加热器6的温度通过温度控制器7控制，温度传感器1下方布置有紫外光源2和高速相机4，高速相机4上装有滤波片3，高速相机4将拍摄的图像信息传输给计算机5做后续处理。
(3)温度标定过程如下：通过温度控制器7控制加热器6将温度传感器1加热至不同温度，温升为3℃；紫外光源2激发温度传感器1发射荧光，利用装有滤波片3的高速相机4采集不同温度下温度传感器1的图像；通过计算机5对图像处理可以提取不同温度下CdTe薄膜1-2发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到光强-温度标定曲线。
(4)温度场测量系统如图2所示，温度场测量过程如下：将标定完成的温度传感器1放置于待测温的壁面8表面(导热薄膜1-3与待测温的壁面8接触)并用紫外光源2照射，接触面的温度变化使温度传感器1发射出不同强度的荧光，利用高速相机4实时采集温度传感器1发光强度并传送到计算机5，将采集的发光强度与光强-温度标定曲线作对比，得到待测温的壁面8的表面温度场。
如图4所示，紫外光源2环形布置，照射方向垂直于温度传感器1表面，且照射范围完全覆盖温度传感器1。
Claims (6)
1.一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，温度传感器(1)的制备：首先将质量比为1:6-1:10的明胶与水混合加热形成明胶溶液，然后将与水的体积比为1：20的水溶性CdTe量子点滴入明胶溶液，将得到的混合溶液充分震荡，震荡后混合溶液以50-90℃恒温加热，最后选取玻璃基底(1-1)，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底(1-1)表面制得CdTe薄膜(1-2)，在CdTe薄膜(1-2)表面黏贴导热薄膜(1-3)，玻璃基底(1-1)、CdTe薄膜(1-2)和导热薄膜(1-3)形成温度传感器(1)；
步骤2，搭建温度标定系统：温度传感器(1)上方放置加热器(6)，加热器(6)的加热表面与导热薄膜(1-3)接触，加热器(6)连接温度控制器(7)，加热器(6)的温度通过温度控制器(7)控制，温度传感器(1)下方布置有紫外光源(2)和高速相机(4)，高速相机(4)上装有滤波片(3)，高速相机(4)与计算机(5)连接，高速相机(4)将拍摄的图像信息传输给计算机(5)做后续处理；
步骤3，温度标定：通过温度控制器(7)控制加热器(6)将温度传感器(1)加热至不同温度，温升为3℃；紫外光源(2)激发温度传感器(1)发射荧光，利用装有滤波片(3)的高速相机(4)采集不同温度下温度传感器(1)的图像；通过计算机(5)对图像处理，提取不同温度下CdTe薄膜(1-2)发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，得到光强-温度标定曲线；
步骤4，温度场测量：将标定完成的温度传感器(1)放置于待测温的壁面(8)表面，导热薄膜(1-3)与待测温的壁面(8)接触并用紫外光源(2)照射，接触面的温度变化使温度传感器(1)发射出不同强度的荧光，利用高速相机(4)实时采集温度传感器(1)发光强度并传送到计算机(5)，将采集的发光强度与光强-温度标定曲线作对比，得到待测温的壁面(8)的表面温度场。
2.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，其特征在于：温度传感器(1)的尺寸根据具体测温壁面而定。
3.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，其特征在于：所述的CdTe薄膜(1-2)激发波长为640nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，其特征在于：所述的紫外光源(2)发光波长为390nm，环形布置，照射方向垂直于温度传感器(1)表面，且照射范围完全覆盖温度传感器1。
5.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，其特征在于：所述的滤波片(3)为带通滤波片，带通范围与CdTe薄膜(1-2)的发光峰值相吻合。
6.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的表面温度场测量方法，其特征在于：所述的加热器(6)的加热表面与导热薄膜(1-3)接触并完全覆盖。
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