CN110082326B - 一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，先制备包含有两层不同荧光发射波长CdTe薄膜的测量试片，然对试片标定可以分别得到两层CdTe薄膜的峰值波长‑温度标定曲线，将试片放置于待测壁面通过高速相机拍摄，图像分析和反演计算得到两层CdTe薄膜的温度场，最后根据傅里叶(Fourier)导热定律即可计算出壁面的热流密度场。本发明通过光学方法能实现热流密度的场测量，测量精度高、分辨率高且频率响应快。
Description
技术领域
本发明涉及表面热流密度场测试技术领域，具体涉及一种利用量子点光谱温变特性测量热流密度场的方法及系统。
背景技术
热流密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。
热流密度测量的主要思路是，在热流方向不同断面处布置感温元件测量温度，然后根据傅里叶(Fourier)导热定律计算热流密度。其中与热流方向垂直断面上的温度测量是热流密度测量的核心技术。现有技术主要使用热电偶、热电阻等感温元件测量断面温度，如发明201220553334.8利用薄膜热电偶给出了一种集成式温度热流密度复合传感器。专利发明201210300013.1通过在断面加密布置热电偶等感温元件实现得到毫米级分辨率的热流密度场的测量。
考虑到热电偶、热电阻频率响应低，且在热流断面上的布置密度有限，传统热流密度的测量空间分辨率难以进一步提高，本发明提出一种热流密度的光学测量新方法，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
本发明的目的是提供一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，能实现壁面热流密度场的准确测量。
首先，将光辐特性不同的CdTe薄膜分别旋涂于钢化玻璃膜的上下表面作为测量试片贴附与被测表面。其次，利用紫外光照射并激发钢化玻璃膜两侧的量子点，根据量子点发光光谱的温变移动效应，不同温度会使两层量子点材料各自发射出不同波长的荧光；通过高速相机拍摄，图像分析和反演计算薄膜上下表面的温度场，利用已知的透明薄膜的各项参数(厚度、导热系数等)，根据傅里叶(Fourier)导热定律即可计算出热流密度场。相比现有的方法，此方法利用量子点的光学特性使得热流密度的测量反应速度理论可达飞秒(10-12)级，同时测量的分辨率可达微米级。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，包括如下步骤：
步骤1，水溶性CdTe薄膜的制备：首先将明胶与水以质量比1:6-1:10混合后加热得到明胶溶液，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得到混合溶液，将混合溶液充分震荡，震荡后的混合溶液以50-90℃恒温加热，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-4表面制得第二CdTe薄膜1-3；
步骤2，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将第二CdTe薄膜1-3加热至不同温度，紫外光源2激发第二CdTe薄膜1-3发射荧光，利用装有第二滤波片4的第二高速相机6采集不同温度下第二CdTe薄膜1-3的图像，通过计算机7对图像处理，提取不同温度下第二CdTe薄膜1-3的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，得到第二CdTe薄膜1-3的第二光强-温度标定曲线a；
步骤3，将钢化玻璃膜1-2粘于第二CdTe薄膜1-3表面；将明胶与水以质量比1:6-1:10混合后加热得到明胶溶液，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得到混合溶液，将混合溶液充分震荡，震荡后的混合溶液以50-90℃恒温加热，将混合溶液均匀旋涂于钢化玻璃膜1-2另一表面制得第一CdTe薄膜1-1，玻璃基底1-4、第二CdTe薄膜1-3、钢化玻璃膜1-2和第一CdTe薄膜1-1形成的试片1制备完成；
步骤4，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将试片1加热至不同温度，加热器8的加热表面与第一CdTe薄膜1-1接触，紫外光源2激发第一CdTe薄膜1-1发射荧光，利用装有第一滤波片3的第一高速相机5采集不同温度下第一CdTe薄膜1-1的图像，通过计算机7对图像处理，提取不同温度下第一CdTe薄膜1-1的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，得到第一CdTe薄膜1-1的第一光强-温度标定曲线b；
步骤5，热流密度测量：将标定完成的试片1放置于待测壁面，待测壁面与第一CdTe薄膜1-1接触，并用紫外光源2照射，利用第一高速相机5和第二高速相机6实时采集试片1发光强度并传送到计算机7，将采集的发光强度与第一光强-温度标定曲线b和第二光强-温度标定曲线a作对比分别得到第一CdTe薄膜1-1和第二CdTe薄膜1-3的温度场，并根据傅里叶(Fourier)导热定律计算得到壁面的热流密度场；傅里叶(Fourier)导热定律如下：
式中q为热流密度，λ为钢化玻璃膜1-2的导热系数，Δx为钢化玻璃膜1-2的厚度，T1为第一CdTe薄膜1-1的温度场，T2为第二CdTe薄膜1-3的温度场。
所述的第一CdTe薄膜1-1峰值发光波长为540nm，第二CdTe薄膜1-3峰值发光波长为740nm，
所述的钢化玻璃膜1-2可透过紫外光和特定波长的荧光。
所述的第一滤波片3是与第一CdTe薄膜1-1发光波长相匹配的带通滤镜，第二滤波片4是与第二CdTe薄膜1-3发光波长相匹配的带通滤镜。所述的第一滤波片3能完全滤掉第一CdTe薄膜1-1所发出荧光波段以外的所有光源，第二滤波片4能完全滤掉第二CdTe薄膜1-3所发出荧光波段以外的所有光源。
所述的第一高速相机5和第二高速相机6同步采集数据。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明采用高光致发光强度的水溶性CdTe量子点制备薄膜，充分利用了量子点材料光谱的温变特性，该光学方法可以实现壁面热流密度的场测量，测量分辨率可达到微米级，且测量的灵敏度和精度有很大提高。
附图说明
图1为本发明测量方法示意图。
图2为光强-温度拟合曲线。
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)如图1所示，试片1包括第一CdTe薄膜1-1、第一CdTe薄膜1-3、钢化玻璃膜1-2和玻璃基地1-4。试片1制作步骤如下：首先将1g明胶与6g水混合后加热，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，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-4表面制得第二CdTe薄膜1-3。
(2)如图1所示，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将第二CdTe薄膜1-3加热至不同温度，紫外光源2激发第二CdTe薄膜1-3发射荧光，利用装有第二滤波片4的第二高速相机6采集不同温度下第二CdTe薄膜1-3的图像，通过计算机7对图像处理可以提取不同温度下第二CdTe薄膜1-3的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到第二CdTe薄膜1-3的第二光强-温度标定曲线a，如图2所示。
(3)如图1所示，将钢化玻璃膜1-2粘于第二CdTe薄膜1-3表面；将1g明胶与6g水混合后加热，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，将混合溶液均匀旋涂于钢化玻璃膜1-2表面制得第一CdTe薄膜1-1，试片1制备完成。
(4)如图1所示，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将试片1加热至不同温度，加热器8的加热表面与第一CdTe薄膜1-1接触，紫外光源2激发第一CdTe薄膜1-1发射荧光，利用装有第一滤波片3的高速相机5采集不同温度下第一CdTe薄膜1-1的图像，通过计算机7对图像处理可以提取不同温度下第一CdTe薄膜1-1的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到第一CdTe薄膜1-1的第一光强-温度标定曲线b，如图2所示。
(5)如图1所示，热流密度测量：将标定完成的试片1放置于待测壁面，待测壁面与第一CdTe薄膜1-1接触，并用紫外光源2照射，利用第一高速相机5和第二高速相机6实时采集试片1发光强度并传送到计算机7，将采集的发光强度与第一光强-温度标定曲线b和第二光强-温度标定曲线a作对比分别得到第一CdTe薄膜1-1的温度场T1和第二CdTe薄膜1-3的温度场T2，并根据傅里叶(Fourier)导热定律计算得到壁面的热流密度场。傅里叶(Fourier)导热定律如下：
式中q为热流密度，λ为钢化玻璃膜1-2的导热系数，Δx为钢化玻璃膜1-2的厚度，T1为第一CdTe薄膜1-1的温度场，T2为第二CdTe薄膜1-3的温度场。
实施例二：
(1)如图1所示，试片1包括第一CdTe薄膜1-1、第二CdTe薄膜1-3、钢化玻璃膜1-2和玻璃基地1-4。试片1制作步骤如下：首先将2g明胶与16g水混合后加热，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，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-4表面制得第二CdTe薄膜1-3。
(2)如图1所示，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将第二CdTe薄膜1-3加热至不同温度，紫外光源2激发第二CdTe薄膜1-3发射荧光，利用装有第二滤波片4的第二高速相机6采集不同温度下第二CdTe薄膜1-3的图像，通过计算机7对图像处理可以提取不同温度下第二CdTe薄膜1-3的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到第二CdTe薄膜1-3的第二光强-温度标定曲线a，如图2所示。
(3)如图1所示，将钢化玻璃膜1-2粘于第二CdTe薄膜1-3表面；将2g明胶与16g水混合后加热，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，将混合溶液均匀旋涂于钢化玻璃膜1-2表面制得第一CdTe薄膜1-1，试片1制备完成。
(4)如图1所示，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将试片1加热至不同温度，加热器8的加热表面与第一CdTe薄膜1-1接触，紫外光源2激发第一CdTe薄膜1-1发射荧光，利用装有第一滤波片3的第一高速相机5采集不同温度下第一CdTe薄膜1-1的图像，通过计算机7对图像处理可以提取不同温度下第一CdTe薄膜1-1的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到第一CdTe薄膜1-1的第一光强-温度标定曲线b，如图2所示。
(5)如图1所示，热流密度测量：将标定完成的试片1放置于待测壁面，待测壁面与第一CdTe薄膜1-1接触，并用紫外光源2照射，利用第一高速相机5和第二高速相机6实时采集试片1发光强度并传送到计算机7，将采集的发光强度与第一光强-温度标定曲线b和第二光强-温度标定曲线a作对比分别得到第一CdTe薄膜1-1的温度场T1和第二CdTe薄膜1-3的温度场T2，并根据傅里叶(Fourier)导热定律计算得到壁面的热流密度场。傅里叶(Fourier)导热定律如下：
式中q为热流密度，λ为钢化玻璃膜1-2的导热系数，Δx为钢化玻璃膜1-2的厚度，T1为第一CdTe薄膜1-1的温度场，T2为第二CdTe薄膜1-3的温度场。
实施例三：
(1)如图1所示，试片1包括第一CdTe薄膜1-1、第二CdTe薄膜1-3、钢化玻璃膜1-2和玻璃基地1-4。试片1制作步骤如下：首先将1g明胶与10g水混合后加热，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，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底1-4表面制得第二CdTe薄膜1-3。
(2)如图1所示，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将第二CdTe薄膜1-3加热至不同温度，紫外光源2激发第二CdTe薄膜1-3发射荧光，利用装有第二滤波片4的第二高速相机6采集不同温度下第二CdTe薄膜1-3的图像，通过计算机7对图像处理可以提取不同温度下第二CdTe薄膜1-3的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到第二CdTe薄膜1-3的第二光强-温度标定曲线a，如图2所示。
(3)如图1所示，将钢化玻璃膜1-2粘于第二CdTe薄膜1-3表面；将1g明胶与10g水混合后加热，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，将混合溶液均匀旋涂于钢化玻璃膜1-2表面制得第一CdTe薄膜1-1，试片1制备完成。
(4)如图1所示，温度标定：通过温度控制器9控制加热器8将试片1加热至不同温度，加热器8的加热表面与第一CdTe薄膜1-1接触，紫外光源2激发第一CdTe薄膜1-1发射荧光，利用装有第一滤波片3的第一高速相机5采集不同温度下第一CdTe薄膜1-1的图像，通过计算机7对图像处理可以提取不同温度下第一CdTe薄膜1-1的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，可以得到第一CdTe薄膜1-1的第一光强-温度标定曲线b，如图2所示。
(5)如图1所示，热流密度测量：将标定完成的试片1放置于待测壁面，待测壁面与第一CdTe薄膜1-1接触，并用紫外光源2照射，利用第一高速相机5和第二高速相机6实时采集试片1发光强度并传送到计算机7，将采集的发光强度与光强-温度标定曲线b和a作对比分别得到第一CdTe薄膜1-1的温度场T1和第二CdTe薄膜1-3的温度场T2，并根据傅里叶(Fourier)导热定律计算得到壁面的热流密度场。傅里叶(Fourier)导热定律如下：
式中q为热流密度，λ为钢化玻璃膜1-2的导热系数，Δx为钢化玻璃膜1-2的厚度，T1为第一CdTe薄膜1-1的温度场，T2为第二CdTe薄膜1-3的温度场。
Claims (9)
1.一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，水溶性CdTe薄膜的制备：首先将明胶与水以质量比1:6-1:10混合后加热得到明胶溶液，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得到混合溶液，将混合溶液充分震荡，震荡后的混合溶液以50-90℃恒温加热，将混合溶液均匀旋涂于玻璃基底(1-4)表面制得第二CdTe薄膜(1-3)；
步骤2，温度标定：通过温度控制器(9)控制加热器(8)将第二CdTe薄膜(1-3)加热至不同温度，紫外光源(2)激发第二CdTe薄膜(1-3)发射荧光，利用装有第二滤波片(4)的第二高速相机(6)采集不同温度下第二CdTe薄膜(1-3)的图像，通过计算机(7)对图像处理，提取不同温度下第二CdTe薄膜(1-3)的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，得到第二CdTe薄膜(1-3)的第二光强-温度标定曲线a；
步骤3，将钢化玻璃膜(1-2)粘于第二CdTe薄膜(1-3)表面；将明胶与水以质量比1:6-1:10混合后加热得到明胶溶液，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得到混合溶液，将混合溶液充分震荡，震荡后的混合溶液以50-90℃恒温加热，将混合溶液均匀旋涂于钢化玻璃膜(1-2)另一表面制得第一CdTe薄膜(1-1)，玻璃基底(1-4)、第二CdTe薄膜(1-3)、钢化玻璃膜(1-2)和第一CdTe薄膜(1-1)形成的试片(1)制备完成；
步骤4，温度标定：通过温度控制器(9)控制加热器(8)将试片(1)加热至不同温度，加热器(8)的加热表面与第一CdTe薄膜(1-1)接触，紫外光源(2)激发第一CdTe薄膜(1-1)发射荧光，利用装有第一滤波片(3)的第一高速相机(5)采集不同温度下第一CdTe薄膜(1-1)的图像，通过计算机(7)对图像处理，提取不同温度下第一CdTe薄膜(1-1)的发光强度，将发光强度与温度一一对应并做线性拟合，得到第一CdTe薄膜(1-1)的第一光强-温度标定曲线b；
步骤5，热流密度测量：将标定完成的试片(1)放置于待测壁面，待测壁面与第一CdTe薄膜(1-1)接触，并用紫外光源(2)照射，利用第一高速相机(5)和第二高速相机(6)实时采集试片(1)发光强度并传送到计算机(7)，将采集的发光强度与第一光强-温度标定曲线b和第二光强-温度标定曲线a作对比分别得到第一CdTe薄膜(1-1)和第二CdTe薄膜(1-3)的温度场，并根据傅里叶(Fourier)导热定律计算得到壁面的热流密度场；傅里叶(Fourier)导热定律如下：
式中q为热流密度，λ为钢化玻璃膜(1-2)的导热系数，Δx为钢化玻璃膜(1-2)的厚度，T1为第一CdTe薄膜(1-1)的温度场，T2为第二CdTe薄膜(1-3)的温度场。
2.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的钢化玻璃膜(1-2)要能够透过紫外光和特定波长的荧光。
3.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的第一CdTe薄膜(1-1)要分布均匀、厚度均匀地旋涂在钢化玻璃膜(1-2)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的第二CdTe薄膜(1-3)要分布均匀、厚度均匀地旋涂在玻璃基底(1-4)上。
5.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的第一CdTe薄膜(1-1)峰值发光波长为540nm，所述的第二CdTe薄膜(1-3)峰值发光波长为740nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的第一滤波片(3)能完全滤掉第一CdTe薄膜(1-1)所发出荧光波段以外的所有光源，第二滤波片(4)能完全滤掉第二CdTe薄膜(1-3)所发出荧光波段以外的所有光源。
7.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的紫外光源(2)发光波长为390nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的第一滤波片(3)是与第一CdTe薄膜(1-1)发光波长相匹配的带通滤镜，第二滤波片(4)是与第二CdTe薄膜(1-3)发光波长相匹配的带通滤镜。
9.根据权利要求1所述的一种基于CdTe薄膜的壁面热流密度测量方法，其特征在于：所述的第一高速相机(5)和第二高速相机(6)同步采集数据。
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| GR01 | Patent grant | ||
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