CN110375868A - 一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置及测量方法。本发明通过对热电偶测温方法改造，以两路热接触状态不同的热偶信号进行比对分析和解算，实现激光辐照下半透明材料的背温测量。该装置中第一导热片一个端面通过导热界面层与半透明材料背面的测温点紧密接触，另一端面与所述第一细陶瓷管一端固连；第二导热片一个端面与半透明材料背面的测温点之间具有间隙，另一端面与所述第二细陶瓷管一端固连；第一热电偶的一端、第二热电偶的一端分别与其对应的细陶瓷管内的端面焊接，另一端从其对应的细陶瓷管内空间引出后与所述热电偶信号采集仪连接；第一细陶瓷管、第二细陶瓷管并排设置通过隔热胶固定连接。

Description

一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于物理测量方法技术领域，涉及一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置及测量方法。
背景技术
物体的温度测量问题是一个非常成熟的领域。常见的测温方式主要有接触式、非接触式两类测温方式。
前者通常使用水银/酒精温度计、热电偶、热敏涂层、半导体热电堆等诸多接触式温度测量仪器，通过紧密接触待测物测量该物体的温度；后者则主要通过物体的热辐射光探测，从而推算物体的温度，常见的非接触式测量仪器包括热像仪、比色测温仪等。
当激光辐照一种材料时，若该材料的测温点处无激光透射时，可采用接触式测温方式进行温度测量。同时，不论材料对激光是否存在透射，若知道材料在不同温度下的表面发射率，或表面发射率在待测波段处的相对比值随温度的变化规律，也可采用非接触式测温仪对温度进行测量。
但当该材料对激光的吸收不够强即对激光半透明时，由于在测量点仍有激光透射，透射激光对接触式温度传感器有加热作用，使温度传感器不能反映该处物体的真实温度，因而接触式测温方法不再适用。在某些情况下，随温度变化的材料表面发射率数据或特定波段处的表面发射率相对比值不可知，或者由于空间布局、使用环境等因素的限制，而不能使用诸如热像仪、比色测温仪之类的非接触式测量仪器。在这种情况下，如何获得材料的温度数据成为一个需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置，通过对热电偶测温方法改造，以两路热接触状态不同的热偶信号进行比对分析和解算，实现激光辐照下半透明材料的背温测量。
本发明所采用的技术方案是：
本发明公开了一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置，包括第一热电偶、第二热电偶、第一导热片、第二导热片、第一细陶瓷管、第二细陶瓷管以及热电偶信号采集仪；
第一导热片一个端面通过导热界面层与半透明材料背面的测温点紧密接触，另一端面与所述第一细陶瓷管一端固连；
第二导热片一个端面与半透明材料背面的测温点之间具有间隙，另一端面与所述第二细陶瓷管一端固连；
第一热电偶的一端与第一导热片朝向第一细陶瓷管内的端面焊接，另一端从第一细陶瓷管内的空间引出后与所述热电偶信号采集仪连接；
第二热电偶的一端与第二导热片朝向第二细陶瓷管内的端面焊接，另一端从第二细陶瓷管内的空间内引出后与所述热电偶信号采集仪连接；
第一细陶瓷管、第二细陶瓷管并排设置通过隔热胶固定连接；第一细陶瓷管、第二细陶瓷管应采用强度高、耐热性能高、热导率小的材料制备而成，管壁应在保证强度的前提下尽量薄；
第一热电偶和第二热电偶采用丝径小于等于0.2mm的热偶丝，使热电偶头的热容量尽量小，提高热响应速度；
上述结构中，两只第一细陶瓷管、第二细陶瓷通过绝热方式固定在一起，同时还需两块导热片在空间中相互毗邻且相互独立(不能接触)。
上述半透明材料的背面测温点处应满足该处激光光斑分布较均匀，在半透明材料的背面测温点处所覆盖的区域中激光功率密度相对差异小于1％。
进一步地，上述导热界面层采用硅脂制作，其厚度为不大于0.05mm。
进一步地，上述第一细陶瓷管、第二细陶瓷管通过卡箍缠绕加固。
进一步地，上述第二导热片一个端面与半透明材料背面的测温点之间的间隙为3-5mm。
进一步地，上述所述第一导热片和第二导热片应采用热导率高、热容小、刚度高的材料制成，包括但不限于铜合金、铝合金或镁合金制作。
进一步地，上述第一导热片和第二导热片表面应进行表面微加工和发黑处理，或涂覆附着力强、对激光吸收高的涂层，且第一导热片和第二导热片表面激光吸收率大于95％。
进一步地，上述第一细陶瓷管和第二细陶瓷管的外径相同；第一细陶瓷管和第二细陶瓷管的外径相同；第一导热片和第二导热片均为圆形片，且厚度相等、材料相同；第一导热片外径和第一细陶瓷管外径相同；第二导热片的外径与第二细陶瓷管的外径相同，圆形片直径不大于1mm，厚度应在保证圆形片表面加工平整的前提下尽量小。
基于上述激光辐照下半透明材料的背温测量装置，现对利用该装置进行温度测量的方法进行说明，具体步骤如下：
步骤1：将上述激光辐照下半透明材料的背温测量装置置于半透明材料背面，并使第一导热片通过导热界面层与半透明材料的背面测温点处紧密接触；
步骤2：利用激光照射半透明材料的正面，开启热电偶信号采集仪，热电偶信号采集仪采集第一热电偶和第二热电偶采集的半透明材料的背面测温点处温度，并分别记T1(ti)为ti时刻第一热电偶采集的温度值，T2(ti)为ti时刻第二热电偶采集的温度值；
步骤3：通过温度回推公式计算半透明材料的背面测温点的实际温度；
所述温度回推公式为：
其中，T0(ti)为时刻ti时半透明材料的背面测温点处的实际温度；
h1为第一导热片和第二导热片厚度；
h2为导热界面层厚度；
k为导热界面层热导率，
ρ为第一导热片和第二导热片的密度；
c为第一导热片和第二导热片热容。
本发明的有益效果是：
1.本发明对热电偶改造，采用两个热电偶、两个导热片以及热电偶信号采集仪对半透明材料背面温度进行测量，不仅经济实用，装置结构简单，成本低廉并且测量结果准确率较高。
2.本发明采用两个热电偶利用温度回推算法测出半透明材料背面温度，适用性强，在存在材料表面发射率随温度的变化数据不可知情况、或非接触式测温方法受到限制无法使用情况时，提供了测量效果较好的测温解决方案。
附图说明
图1是本发明的测量示意图。
图2为有限元分析得到的采用本发明所得温度曲线与理论温度曲线的对比图；
图3为有限元分析得到的采用本发明所得温度与理论温度的相对误差曲线图。
附图标记如下：
1、辐照激光，2、半透明材料，101、第一热电偶，102、第二热电偶,201、第一细陶瓷管，202、第二细陶瓷管，301、第一导热片，302、第二导热片，4、导热界面层，5、热电偶信号采集仪。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
测量装置
如图1所示，一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置，包括第一热电偶101、第二热电偶102、第一导热片301、第二导热片302、第一细陶瓷管201、第二细陶瓷管202以及热电偶信号采集仪5；
第一导热片101一个端面通过导热界面层4与半透明材料2背面的测温点紧密接触，另一端面与所述第一细陶瓷管201一端固连；其中导热界面层4采用硅脂制作，其厚度为≤0.05mm。
第二导热片302一个端面与半透明材料2背面的测温点之间具有间隙(该间隙的取值范围为3-5mm，本实施例中为4mm)，另一端面与所述第二细陶瓷管202一端固连；第一热电偶101的一端与第一导热片301朝向第一细陶瓷管201内的端面焊接，另一端从第一细陶瓷管201内的空间引出后与所述热电偶信号采集仪5连接；第二热电偶102的一端与第二导热片302朝向第二细陶瓷管202内的端面焊接，另一端从另一个细陶瓷管202内的空间内引出后与所述热电偶信号采集仪5连接；第一细陶瓷管201、第二细陶瓷管202并排设置通过隔热胶固定连接；第一热电偶101和第二热电偶102采用丝径小于等于0.2mm的热偶丝。
根据上述基本结构的，本实施例中还采用了以下优化设计：
1、为了更进一步保证两个细陶瓷管固定强度，本实施例的第一细陶瓷管201、第二细陶瓷管202通过卡箍缠绕加固。
2、第一导热片301和第二导热片302应采用热导率高、热容小、刚度高的材料制成，包括但不限于铜合金、铝合金或镁合金制作，本实施例采用铜合金。
3、为了确保第一导热片301和第二导热片302表面激光吸收率大于95％，第一导热片301和第二导热片302表面应进行表面微加工和发黑处理，或涂覆附着力强、对激光吸收高的涂层。本实施例采用表面微加工和发黑处理。
测量方法
基于上述测量装置的结构描述，现对该装置的装配过程以及使用方法做出以下介绍：
装配过程
1、将第一热电偶101、第二热电偶102分别焊接在两块相同规格的第一导热片201和第二导热片202上，其中第一导热片201焊接第一热电偶101，第二导热片202焊接第二热电偶102；
2、第一导热片201和第二导热片202通过相同的工艺分别安装在第一细陶瓷管、第二细陶瓷管的顶端；第一热电偶101、第二热电偶102的未被焊接端分别从第一细陶瓷管、第二细陶瓷管内的空间引出并与热电偶信号采集仪的输入端连接上；
3、再将第一细陶瓷管、第二细陶瓷管通过隔热胶并排粘接在一起，粘接后，再利用卡箍进一步将两个细陶瓷管加固，使第一导热片201比第二导热片202高出3-5mm，从而使两块导热片在空间中相互毗邻且相互独立，从而测量装置安装完成。
使用方法
步骤1、以半透明材料的激光辐照面为正面，将测量装置安装在半透明材料的背面，使第一导热片201通过导热界面层半透明材料的背面的测温点处紧密接触(此时第二导热片与半透明材料的背面的测温点处之间的间隙为3-5mm)；
步骤2、利用激光照射半透明材料的正面，开启热电偶信号采集仪，热电偶信号采集仪采集第一热电偶和第二热电偶采集的半透明材料的背面测温点处温度，并分别记T1(ti)为ti时刻第一热电偶采集的温度值，T2(ti)为ti时刻第二热电偶采集的温度值；
步骤3、通过温度回推公式计算半透明材料的背面测温点处的实际温度；所述温度回推公式为：
其中，T0(ti)为时刻ti时半透明材料的背面测温点处的实际温度；
h1为第一导热片和第二导热片厚度；
h2为导热界面层厚度；
k为导热界面层热导率，
ρ为第一导热片和第二导热片的密度；
c为第一导热片和第二导热片热容。
实验验证
为了对该发明的效果进行进一步的验证，本发明还采用有限元分析数值实验对本发明提出的温度回推公式进行了验证。
具体验证过程如下：
试验过程采用一块玻璃纤维复合材料板作为半透明材料试样，试样厚度1.2mm，假定吸收系数为100m-1，辐照激光功率密度为100W/cm2,导热片为铜，半径为0.2mm，厚度为0.1mm，导热界面层厚度0.05mm，热导率设为1W/(m.K)。
首先，建立试样模型，通过有限元分析得到试样模型某一测温点处的温度值为T0(ti)，并将该值作为真实值；
然后，在试样模型的测温点处按照本发明提供的方案分别放置第一导热片和第二导热片，并再次通过有限元分析得到试样模型某一测温点处第一导热片的温度值T1(ti)以及第二导热片的温度值T2(ti)；
然后，将T1(ti)和T2(ti)代入温度回推公式计算得到回推温度值T0′(ti)，绘制T0(ti)和T0′(ti)的温度曲线对比图，参见图2，由该图可知，两个曲线趋近于重合，误差很小。
最后，为了进一步得知T0(ti)和T0′(ti)的相对误差，根据测得的结果，本发明绘制了相对误差曲线图，参见图3，从图中结果得出，本发明提供的方法误差在6％以内。
根据上述实验可知，本发明提供的方法测量误差小，测量精度高，解决了现有对半透明材料背温测量的问题。

Claims (8)

1.一种激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：
包括第一热电偶、第二热电偶、第一导热片、第二导热片、第一细陶瓷管、第二细陶瓷管以及热电偶信号采集仪；
第一导热片一个端面通过导热界面层与半透明材料背面的测温点紧密接触，另一端面与所述第一细陶瓷管一端固连；
第二导热片一个端面与半透明材料背面的测温点之间具有间隙，另一端面与所述第二细陶瓷管一端固连；
第一热电偶的一端与第一导热片朝向第一细陶瓷管内的端面焊接，另一端从第一细陶瓷管内的空间引出后与所述热电偶信号采集仪连接；
第二热电偶的一端与第二导热片朝向第二细陶瓷管内的端面焊接，另一端从第二细陶瓷管内的空间内引出后与所述热电偶信号采集仪连接；
第一细陶瓷管、第二细陶瓷管并排设置通过隔热胶固定连接；
第一热电偶和第二热电偶采用丝径小于等于0.2mm的热偶丝。
2.根据权利要求1所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：导热界面层采用硅脂制作，其厚度≤0.05mm。
3.根据权利要求1所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：所述第一细陶瓷管、第二细陶瓷管通过卡箍缠绕加固。
4.根据权利要求1所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：第二导热片一个端面与半透明材料的背面测温点处之间的间隙为3-5mm。
5.根据权利要求1所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：所述第一导热片和第二导热片采用铜合金、铝合金或镁合金制作。
6.根据权利要求1所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：第一导热片和第二导热片的表面作发黑处理，且所述表面激光吸收率大于95％。
7.根据权利要求1所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置，其特征在于：第一细陶瓷管和第二细陶瓷管的外径相同；第一导热片和第二导热片均为圆形片，且厚度相等、材料相同；第一导热片外径和第一细陶瓷管外径相同；第二导热片的外径与第二细陶瓷管的外径相同。
8.一种激光辐照下半透明材料的背温测量方法，其特征在于：具体实现步骤如下：
步骤1：将如权1-7所述的激光辐照下半透明材料的背温测量装置置于半透明材料背面，并使第一导热片通过导热界面层与半透明材料的背面测温点处紧密接触；
步骤2：利用激光照射半透明材料的正面，开启热电偶信号采集仪，热电偶信号采集仪采集第一热电偶和第二热电偶采集的半透明材料的背面测温点处温度，并分别记T1(ti)为ti时刻第一热电偶采集的温度值，T2(ti)为ti时刻第二热电偶采集的温度值；
步骤3：通过温度回推公式计算半透明材料的背面测温点处的实际温度；
所述温度回推公式为：
其中，T0(ti)为时刻ti时半透明材料的背面测温点处的实际温度；
h1为第一导热片和第二导热片厚度；
h2为导热界面层厚度；
k为导热界面层热导率，
ρ为第一导热片和第二导热片的密度；
c为第一导热片和第二导热片热容。
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