CN208239242U - 一种基于激光加热的高升温率热重分析系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于化学测试系统领域，涉及一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，解决了现有技术存在的加热速率慢、加热温度不准确，不能满足材料在高升温率、高温下进行热重分析的问题。本实用新型的分析系统包括加热部分、测量部分和计算机；加热部分包括激光器、微透镜阵列、透镜、石墨、半反半透镜和全反镜组；测量部分包括热像仪、密封箱和电子天平；激光器提供的激光光束依次经过微透镜阵列、透镜和石墨；从石墨出射的激光经过半反半透镜，一部分辐照到待测件的前表面，另一部分辐照在待测件的后表面；热像仪分别监测待测件前表面、后表面的温升；电子天平用于对待测件称重；计算机同步采集、记录激光器参数、热像仪和电子天平的读数。
Description
技术领域
本实用新型属于化学测试系统领域，涉及一种基于激光加热的高升温率热重分析系统。
背景技术
材料的热重分析一直是热解反应动力学研究中的重要测试手段。
目前，测试热重分析主要是将待测件研磨后，通过控制电热丝或电热管(盘)的电压，使被加热件的温度上升至目标温度后，用托盘天平测重。由于加热过程存在明显的热传递，这种加热方式存在加热速率慢、加热温度范围小、加热温度不准确等弊端。现有的热重分析仪加热速率最高能到20℃/min，最高温度能到1600℃，满足不了材料在高升温率、高温下进行热重分析的需求。
发明内容
为解决背景技术中存在的加热速率慢、加热温度范围小、加热温度不准确，满足不了材料在高升温率、高温下进行热重分析的需求等技术问题，本实用新型提供了一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，可以对待测件前后表面同时、均匀加热，该系统具有加热均匀、测试温度范围广，升温率高等特点。
本实用新型解决上述问题的技术方案是，一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特殊之处在于：
包括加热部分、测量部分和计算机；
加热部分包括激光器、微透镜阵列、透镜、石墨、半反半透镜和全反镜组；微透镜阵列的数量为两个，分为第一微透镜阵列和第二微透镜阵列；石墨用于限定激光光束的尺寸；
测量部分包括热像仪、密封箱和电子天平；电子天平位于密封箱内；待测件放置在电子天平上；热像仪的数量为两个，分为第一热像仪和第二热像仪；所述密封箱的前表面设有前锗窗口和前玻璃窗口，密封箱的后表面设有后锗窗口和后玻璃窗口，密封箱的两个侧面分别设有进气管和出气管；
所述激光器用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、透镜和石墨；从石墨出射的激光光束经过半反半透镜，一部分激光光束依次穿过半反半透镜和前玻璃窗口后辐照到待测件的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜反射到全反镜组上，经全反镜组反射的激光光束穿过后玻璃窗口后辐照在待测件的后表面；
第一热像仪和第二热像仪分别透过前锗窗口和后锗窗口监测待测件前表面、后表面在激光辐照下的温升；
电子天平用于对待测件称重；
计算机同步采集、记录激光器参数、热像仪和电子天平的读数。
以上为本实用新型的基本结构，基于该基本结构，本实用新型还做出以下优化改进：
进一步地，上述第一微透镜阵列与第二微透镜阵列规格相同；所述微透镜阵列的形状为正方形，尺寸为10mm×10mm，阵列规格为9×9，微透镜阵列上阵列的微透镜尺寸为1015um方形透镜，阵列间距15um，微透镜的曲率半径范围为50mm～120mm。
进一步地，上述全反镜组中的全反镜直径范围20mm～200mm。
进一步地，上述透镜的通光孔径范围20mm～200mm。
进一步地，上述微透镜阵列上的微透镜曲率半径为70mm。
进一步地，上述石墨为中心带有通孔的正方形石墨，边长范围为30mm～60mm；中心通孔形状为正方形，通孔边长范围为5mm～20mm。
进一步地，上述激光器的功率范围为10W～500W且功率连续可调。
同时，本实用新型还公开了一种关于上述基于激光加热的高升温率热重分析系统的分析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将待测件放置在电子天平上，转动待测件，使待测件的待辐照表面与激光束入射方向呈夹角α，0°<α≤3°；
2)对激光器发出的激光光束先进行匀化，然后再整形为均匀的准直光，再利用石墨对准直光进行限定，限定后的准直光与待测件尺寸一致；
3)使被石墨限定的激光光束再经过半反半透镜，其中，一部分激光光束依次穿过半反半透镜和前窗口玻璃后辐照到待测件的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜反射到全反镜组上，经全反镜组反射的激光光束穿过后玻璃窗口后辐照在待测件的后表面，形成待测件前后表面同时、均匀辐照；
4)利用第一热像仪和第二热像仪分别透过前锗窗口和后锗窗口监测待测件前表面、后表面在激光辐照下的温升；进气管通入气体，气体流速不超过0.5m/s；利用电子天平对待测件进行称重；
5)计算机同步采集、记录激光器参数、热像仪和电子天平的读数。
进一步地，上述激光器的激光功率增加率范围为0.5W/s～2W/s。
进一步地，上述待测件为复合材料或金属材料的薄长条待测件，其长度范围为10mm—50mm，宽1—10mm，厚0.1mm～0.5mm。
本实用新型的优点：
1、本实用新型一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，该系统利用激光对待测件进行双面加热，加热均匀，可以得到材料在不同气氛、高升温率下的热重分析曲线；
2、本实用新型一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，该测试系统利用激光对待测件加热，升温范围更广，系统搭建简单，易实施。
附图说明
图1是本实用新型基于激光加热的高升温率热重分析系统示意图；
图2是图1中微透镜阵列的结构图；
图3是图1中石墨的结构图；
图4是本实用新型密封箱的前视图；
图5是本实用新型密封箱的后视图。
其中：1、激光器；2、微透镜阵列；201、第一微透镜阵列；202、第二微透镜阵列；3、透镜；4、石墨；5、半反半透镜；6、全反镜组；7、热像仪；701、第一热像仪；702、第二热像仪；8、密封箱；901、前锗窗口；902、后锗窗口；1001、前玻璃窗口；1002、后玻璃窗口；11、电子天平；12、进气管；13、计算机；14、待测件；15、出气管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
参见图1，一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，包括加热部分、测量部分和计算机13。
加热部分包括激光器1、微透镜阵列2、透镜3、石墨4、半反半透镜5和全反镜组6；微透镜阵列2的数量为两个，分为第一微透镜阵列201和第二微透镜阵列202；石墨4用于限定激光光束的尺寸。激光器1的功率范围为10W～500W且功率连续可调，调节激光器1的出光功率让待测件14达到不同平衡温度，测试待测件14在不同温度下的重量。
测量部分包括热像仪7、密封箱8和电子天平11；电子天平11位于密封箱8内；待测件14放置在电子天平11上；热像仪7的数量为两个，分为第一热像仪701和第二热像仪702。电子天平11也可以用压力传感器替代。
密封箱8采用石墨材料制成。参见图4和图5，密封箱8上设有锗窗口和玻璃窗口，锗窗口分为前锗窗口901和后锗窗口902；玻璃窗口分为前玻璃窗口1001和后玻璃窗口1002；前锗窗口901和前玻璃窗口1001设在密封箱8的前表面，后锗窗口902和后玻璃窗口1002设在密封箱8的后表面，密封箱8的两个侧面分别设有进气管12和出气管15。进气管12与出气管15位于密封箱8侧面的中心，进气管12与出气管15的中心连线与前后玻璃窗口连线的夹角为90°。进气管12与出气管15内径范围为5mm～20mm，建议内径为10mm。前玻璃窗口1001和后玻璃窗口1002分别位于密封箱8侧面中心。玻璃窗口激光透过率不低于99％，直径范围为50mm～200mm，推荐直径采用100mm；厚度范围为10mm～30mm，推荐厚度为15mm。锗窗口直径范围为50mm～200mm，推荐直径采用100mm；厚度范围为10mm～30mm，推荐厚度为15mm。
参见图2，第一微透镜阵列201与第二微透镜阵列202规格相同；所述微透镜阵列2的形状为正方形，尺寸为10mm×10mm，阵列规格为9×9，微透镜阵列2上阵列的微透镜尺寸为1015um方形透镜，阵列间距15um，微透镜的曲率半径范围为50mm～120mm，微透镜曲率半径优选70mm。
透镜3的通光孔径范围20mm～200mm，焦距范围0.2m～5m。全反镜组6中的全反镜直径范围20mm～200mm。参见图3，石墨4为中心带有通孔的正方形石墨，边长范围为30mm～60mm；中心通孔形状为正方形，通孔边长范围为5mm～20mm。
全反镜组6中的全反镜直径范围20mm～200mm，全反镜6的反射率不低于0.995；全反镜的数量为三个，三个全反镜6将被半反半透镜5反射的激光光束反射到待测件14的后表面上。
激光器1用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列201、第二微透镜阵列202、透镜3和石墨4；从石墨4出射的激光光束经过半反半透镜5，一部分激光光束依次穿过半反半透镜5和前玻璃窗口1001后辐照到待测件14的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜5反射到全反镜组6上，经全反镜组6反射的激光光束穿过后玻璃窗口1002后辐照在待测件14的后表面。
第一热像仪701和第二热像仪702分别透过前锗窗口901和后锗窗口902监测待测件14前表面、后表面在激光辐照下的温升；电子天平11用于对待测件14称重；计算机13同步采集、记录激光器1参数、热像仪7和电子天平11的读数。电子天平11的读数通过无线数据链路传递给计算机13记录。
一种关于上述基于激光加热的高升温率热重分析系统的分析方法，包括以下步骤：
1)将待测件14放置在电子天平11上，转动待测件14，使待测件14的待辐照表面与激光束入射方向呈夹角α，0°<α≤3°；
2)对激光器1发出的激光光束先进行匀化，然后再整形为均匀的准直光，要求准直光束的半发散角小于0.1mrad，再利用石墨4对准直光进行限定，限定后的准直光与待测件14尺寸一致；测试开始后激光器出光功率针对不同材料的待测件随时间进行均匀、缓慢升高，实现对待测件加热，激光器出光功率为：
P＝kt，
上式中P为激光出光功率，单位为W；k为激光功率增加率，单位为W/s；t为时间，单位为s；激光功率增加率范围为0.5W/s～2W/s，推荐激光功率增加率为1W/s；
3)使被石墨4限定的激光光束再经过半反半透镜5，其中，一部分激光光束依次穿过半反半透镜5和前玻璃窗口1001后辐照到待测件14的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜5反射到全反镜组6上，经全反镜组6反射的激光光束穿过后玻璃窗口1002后辐照在待测件14的后表面，形成待测件14前后表面同时、均匀辐照；
4)利用第一热像仪701和第二热像仪702分别透过前锗窗口901和后锗窗口902监测待测件14前表面、后表面在激光辐照下的温升；进气管12通入气体，气体流速不超过0.5m/s；利用电子天平11对待测件14进行称重；
5)计算机13同步采集、记录激光器1的参数、热像仪7和电子天平11的读数。
上述基于激光加热的高升温率热重分析系统测试时，待测件14为复合材料或金属材料的薄长条待测件，尺寸长度范围为10mm—50mm，宽1—10mm，厚0.1mm～0.5mm。
待测件14最优方案为：复合材料待测件厚度0.5mm，金属待测件厚度1mm。本实用新型对这种优选的待测件具有加热均匀、升温速率高、控温精度高等优点，同时，此厚度下的待测件便于加工和控制精度。
Claims (7)
1.一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：
包括加热部分、测量部分和计算机(13)；
加热部分包括激光器(1)、微透镜阵列(2)、透镜(3)、石墨(4)、半反半透镜(5)和全反镜组(6)；微透镜阵列(2)的数量为两个，分为第一微透镜阵列(201)和第二微透镜阵列(202)；石墨(4)用于限定激光光束的尺寸；
测量部分包括热像仪(7)、密封箱(8)和电子天平(11)；电子天平(11)位于密封箱(8)内；待测件(14)放置在电子天平(11)上；热像仪(7)的数量为两个，分为第一热像仪(701)和第二热像仪(702)；所述密封箱(8)的前表面设有前锗窗口(901)和前玻璃窗口(1001)，密封箱(8)的后表面设有后锗窗口(902)和后玻璃窗口(1002)，密封箱(8)的两个侧面分别设有进气管(12)和出气管(15)；
所述激光器(1)用于提供激光光源，激光光束依次经过第一微透镜阵列(201)、第二微透镜阵列(202)、透镜(3)和石墨(4)；从石墨(4)出射的激光光束经过半反半透镜(5)，一部分激光光束依次穿过半反半透镜(5)和前玻璃窗口(1001)后辐照到待测件(14)的前表面，另一部分激光光束被半反半透镜(5)反射到全反镜组(6)上，经全反镜组(6)反射的激光光束穿过后玻璃窗口(1002)后辐照在待测件(14)的后表面；
第一热像仪(701)和第二热像仪(702)分别透过前锗窗口(901)和后锗窗口(902)监测待测件(14)前表面、后表面在激光辐照下的温升；
电子天平(11)用于对待测件(14)称重；
计算机(13)同步采集、记录激光器(1)参数、热像仪(7)和电子天平(11)的读数。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：所述第一微透镜阵列(201)与第二微透镜阵列(202)规格相同；所述微透镜阵列(2)的形状为正方形，尺寸为10mm×10mm，阵列规格为9×9，微透镜阵列(2)上阵列的微透镜尺寸为1015um方形透镜，阵列间距15um，微透镜的曲率半径范围为50mm～120mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：所述微透镜阵列(2)上的微透镜曲率半径为70mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：所述透镜(3)的通光孔径范围20mm～200mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：所述全反镜组(6)中的全反镜直径范围20mm～200mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：所述石墨(4)为中心带有通孔的正方形石墨，边长范围为30mm～60mm；中心通孔形状为正方形，通孔边长范围为5mm～20mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光加热的高升温率热重分析系统，其特征在于：所述激光器(1)的功率范围为10W～500W且功率连续可调。
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|---|---|---|---|---|
| CN108593483A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-09-28 | 西北核技术研究所 | 一种基于激光加热的高升温率热重分析系统及方法 |
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| CN111721657A (zh) * | 2019-03-22 | 2020-09-29 | 北京恒久实验设备有限公司 | 一种分析仪器的阵列式磁芯排布结构 |
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| CN108593483B (zh) * | 2018-05-08 | 2023-12-15 | 西北核技术研究所 | 一种基于激光加热的高升温率热重分析系统及方法 |
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