CN114113207A - 一种光学材料热扩散系数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学材料热扩散系数的测量方法，所用的装置包括激光控制单元，连续激光器，红外热像仪，计算机，真空腔装置和样品夹持装置；测试中使用连续激光束作为热源加热光学材料，由红外热像仪采集光学材料表面温度分布数据，由不同时间点的温度场分布计算相应热扩散长度，进一步通过热扩散长度与热扩散系数之间的关系可求解材料的热扩散系数。本发明的加热方式是非接触式，减小了接触热阻带来的影响；采用红外热成像记录温度场分布，具有瞬时性及同步性等特点，并结合热扩散长度的定义来推算热扩散系数，无需等待材料达到稳态温度分布。本发明具有高效、便捷等优点，同时直流热源以及真空环境的引入也可极大提高测量准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料热物性的测量方法领域，具体涉及一种光学材料热扩散系数的测量方法。
背景技术
热扩散系数表征了材料的热量传输的能力，对预测材料在有热源情况下的温度分布情况有着重要的意义。因此其在材料、能源、建筑、航空、化工、制冷工程等领域中都有着重要的用途。多年来，其测量方法也一直是研究热点之一。
现有的热扩散系数测量技术中，按照测量方法可大致分为稳态测量方法和瞬态测量方法。稳态方法中，样品需要被均匀地加热或冷却至热稳态，再进行热物理参数测量。其优点是数学模型简单，但其测量由于所需时间长、测试环境要求高而限制其使用场合。例如在专利(授权公告号CN112305020A)中，需要将待测样品加热8小时后才能达到稳态，然后根据稳态时试样中间截面温度与下表面温度的相位差变化来求解热扩散系数，不仅耗时长，数据采集及后期数据处理也较复杂。而非稳态法因其具有快速、准确和可实现多参数测量的优势而得到更为广泛的应用。然而，目前的非稳态法在实际应用中也存在一些问题，例如目前多采用加热板、加热丝和加热棒，会存在接触热阻及时间延迟性等问题，这些问题在一定程度上影响了测量的准确性。
红外成像技术是通过接收物体表面辐射能，利用非接触方式获得物体温度的一种方法，通过对物体表面发射率的标定可以准确获得每个像素点的温度，温度分辨率高；在专利(授权公告号CN109001250 A)“基于红外热成像法的薄膜热导率分析方法”中，基于红外热成像技术得到温度分布后，输入模型的边界条件，将薄膜导热系数设为理论值的70％～100％进行仿真，当仿真的温度分布曲线与测试结果拟合一致时，得到薄膜导热系数的值。其存在的问题一是需要提前知道材料的导热系数理论值，有局限性；二是在此基础上要多次修改导热系数的值，使之与测试温度分布图匹配，工作量大，误差也较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提出了一种光学材料热扩散系数的测量方法，该方法测量效率高，准确度高且测试更加便捷。
本发明的原理如下：
光学材料在受到连续激光辐照时，由于材料本身对光的吸收而产生热，从而产生温升。
热扩散长度的定义与辐照频率相关，本质是在一定时间内温升传播的距离，这个距离的界定是指从温升峰值到降至温升幅度的1/e处的距离。
热扩散长度与激光辐照频率之间的关系在本发明中是通过连续激光辐照时间来建立，默认前提是占空比50：50，即一个周期内一半的时间进行光辐照，伴随着温度升高和传播，另一半的时间用来散热。这样激光的调制频率f就可以用2倍辐照时间t的倒数来表示，即
联立热扩散长度l的定义式
(其中α是热扩散系数)和调制频率f与辐照时间的关系式
得到
本发明测量方法步骤中通过连续激光辐照t时间后得到的热扩散长度l0，可得到
由此解出
然后利用连续辐照(t+iΔt)时间后得到的热扩散长度li并联立
导到
其中，αi为连续激光辐照(t+iΔt)时间后计算出的热扩散系数，l0为连续激光辐照t时间后对应的热扩散长度，li为连续激光辐照(t+iΔt)时间后的热扩散长度。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学材料热扩散系数的测量方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
S1.设计真空腔装置和光路：所述的真空腔装置的一侧设有相邻的第一玻璃窗口和第二玻璃窗口，所述的真空腔装置内安装有供待测样品放置的样品夹持装置，连续激光器输出的连续激光通过所述的第一玻璃窗口入射在所述的待测样品表面中心，形成光斑；红外热像仪密封固定在所述的第二玻璃窗口上，且该红外热像仪的探头部分置于所述的真空腔装置内，使所述的探头部分可以采集所述的待测样品表面温度，该红外热像仪外接计算机，所述的计算机记录并分析所述的红外热像仪采集到的温度数据；所述的连续激光器与激光控制单元相连；
S2.所述的激光控制单元控制所述的连续激光器输出连续激光辐照待测样品一定时间t后，用所述的红外热像仪采集一次此刻的待测样品表面的二维温度场分布图；所述的计算机将所述的红外热像仪采集到的二维温度场分布图进行记录和分析，得到t时刻待测样品表面中心向外沿径向的温度曲线图，进而获取从待测样品中心温升峰值到降至温升幅度的1/e处的径向距离，即热扩散长度l０；
S3.连续激光器继续辐照待测样品i倍的Δt时间后，i依次取1、2、3、4……N，每到一个(t+iΔt)时刻，用所述的红外热像仪采集一次此刻的待测样品表面的二维温度场分布图；所述的计算机将所述的红外热像仪每一次采集到的二维温度场分布图进行记录和分析，提取(t+iΔt)时刻待测样品表面中心向外沿径向的温度曲线图，进而获取从待测样品中心温升峰值到降至温升幅度的1/e处的径向距离，即热扩散长度li，其中N≥1；
S4.计算出待测样品的热扩散系数αi，公式如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的加热方式是非接触式的，减小了接触热阻带来的影响；
2.本发明采用的是连续激光加热，是直流热源，可以避免加载误差及脉冲波动的影响。
3.本发明采用红外热像仪记录空间分辨的二维温度场分布，具有即时性及瞬时性特点。
4.本发明引入了真空环境，屏蔽环境对流的影响，提高了测试准确性。
5.具有高效率，高准确度以及测试方法便捷等显著优点。
附图说明
图1一种光学材料热扩散系数的测量装置示意图。
图2由沿径向的温度曲线图提取热扩散长度示意图。
图中11-激光控制单元，12-连续激光器，13-红外热像仪，14-计算机，15-样品夹持装置，16-真空腔装置。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。
一种通过连续激光辐照光学材料并通过温度场测量热扩散系数的方法，包括如下步骤：
S1.设计真空腔装置和光路，如图1所示：真空腔装置16的一侧设有相邻的第一玻璃窗口和第二玻璃窗口，所述的真空腔装置16内安装有供待测样品放置的样品夹持装置15，所述的连续激光器12输出的连续激光通过所述的第一玻璃窗口入射在所述的待测样品表面中心，形成光斑；所述的红外热像仪13密封固定在所述的第二玻璃窗口上，且该红外热像仪13的探头部分置于所述的真空腔装置16内，使所述的探头部分可以采集待测样品表面温度，所述的红外热像仪13外接所述的计算机14，所述的计算机14记录并分析所述的红外热像仪13采集到的温度数据，所述的连续激光器12与激光控制单元11相连；
S2.激光控制单元11控制所述的连续激光器12输出连续激光辐照待测样品一定时间t后，用所述的红外热像仪13采集一次此刻的待测样品表面的二维温度场分布图；所述的计算机14将所述的红外热像仪13采集到的二维温度场分布图进行记录和分析，得到t时刻待测样品表面中心向外沿径向的温度曲线图，进而获取从待测样品中心温升峰值到降至温升幅度的1/e处的径向距离，即热扩散长度l0。
S3.连续激光器12继续辐照待测样品i倍的Δt时间后，i依次取1、2、3、4、5，每到一个(t+iΔt)时刻，用所述的红外热像仪(13)采集一次此刻的待测样品表面的二维温度场分布图；所述的计算机14将所述的红外热像仪13每一次采集到的二维温度场分布图进行记录和分析，提取(t+iΔt)时刻待测样品表面中心向外沿径向的温度曲线图，进而获取从待测样品中心温升峰值到降至温升幅度的1/e处的径向距离，即热扩散长度l1-l5；
S4.计算出待测样品的热扩散系数α1-α5，公式如下：
S5.计算待测样品热扩散系数的平均值α，公式如下：
在本实施例中，i值并不局限于所述的数值，其可以根据实际测试情况增大或减小，且在求出一系列αi值后，可对αi值进行求平均值的方法来提高所测材料的热扩散系数值的准确度。
请参阅图2，图2曲线图是由所述的计算机14提取出的温度曲线图，横坐标r为待测样品表面沿径向距离表面中心的长度，纵坐标为温度T，T0为样品初始温度(接近样品边缘处的温度)，T2为待测样品表面中心最高温度值，T1为满足(T2-T0)/e＝(T1-T0)的温度值，因此温度曲线上T1对应的横纵标值即为热扩散长度L的值。
实验表明，本发明测试的效率高，准确度高以及测试方法便捷等显著优点。
Claims (2)
1.一种光学材料热扩散系数的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1.设计真空腔装置和光路：所述的真空腔装置的一侧设有相邻的第一玻璃窗口和第二玻璃窗口，所述的真空腔装置内安装有供待测样品放置的样品夹持装置，连续激光器输出的连续激光通过所述的第一玻璃窗口入射在所述的待测样品表面中心，形成光斑；红外热像仪密封固定在所述的第二玻璃窗口上，且该红外热像仪的探头部分置于所述的真空腔装置内，使所述的探头部分可以采集所述的待测样品表面温度，该红外热像仪外接计算机，所述的计算机记录并分析所述的红外热像仪采集到的温度数据；所述的连续激光器与激光控制单元相连；
S2.所述的激光控制单元(11)控制所述的连续激光器(12)输出连续激光辐照待测样品一定时间t后，用所述的红外热像仪(13)采集一次此刻的待测样品表面的二维温度场分布图；所述的计算机(14)将所述的红外热像仪(13)采集到的二维温度场分布图进行记录和分析，得到t时刻待测样品表面中心向外沿径向的温度曲线图，进而获取从待测样品中心温升峰值到降至温升幅度的1/e处的径向距离，即热扩散长度l0；
S3.连续激光器(12)继续辐照待测样品i倍的Δt时间后，i依次取1、2、3、4……N，每到一个(t+iΔt)时刻，用所述的红外热像仪(13)采集一次此刻的待测样品表面的二维温度场分布图；所述的计算机(14)将所述的红外热像仪(13)每一次采集到的二维温度场分布图进行记录和分析，提取(t+iΔt)时刻待测样品表面中心向外沿径向的温度曲线图，进而获取从待测样品中心温升峰值到降至温升幅度的1/e处的径向距离，即热扩散长度li，其中N≥1；
S4.计算出待测样品的热扩散系数αi，公式如下：
2.根据权利要求1所述的光学材料热扩散系数的测量方法，其特征在于，N为5，并可对αi值求平均值提高待测样品的热扩散系数值的准确度。
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