RU1786411C - Способ измерени коэффициента температуропроводности твердых тел - Google Patents

Abstract

Способ измерени  коэффициента температуропроводности относитс  к экспериментальной технике измерени  теплофизических свойств веществ и материалов. Цель изобретени  - повышение точности измерени  коэффициента температуропроводности. Исследуемый материал помещают под источник теплового (лазерного) излучени  модулированной частоты, что вызывает по вление в материале температурной волны , запаздывание которой по фазе регистрируетс  тепловым приемником. Исследуемый материал полированной поверхностью размещен на оптически прозрачной подставке, а два когерентных пучка излучени  направлены сквозь подставку параллельно грани, на которой размещен исследуемый материал, при этом один направлен на рассто нии длины волны излучени  теплового лазера от поверхности соприкосновени , а другой - на рассто нии больше 5 длин волн излучени  теплового лазера от поверхности соприкосновени . Обработка интерференционной картины, созданной лучами, продшедшими сквозь подставку, позвол ет высчитать коэффициент температуропроводности. 1 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к экспериментальной технике измерени  теплофизических свойств материалов, кристаллов с использованием лазерного съема информации .

Известны способы измерени  температуропроводности твердых тел с помощью температурных волн. Сущность этих способов состоит в том, что если в образце создать температурные волны с частотой со, то по сдвигу фаз колебаний температуры Дуэ в двух точках однородного образца, отсто щих друг от друга на рассто нии 1 вдоль направлени  распространени  температурной волны, можно определить температуропроводность такого образца по формуле

N

оо о

4

а

(Of

2 (Л

(1)

В качестве источников, создающих температурные волны, наиболее часто используютс  модулированные электронные или лазерные лучи. При этом в качестве регистрирующих устройств примен ютс  термоэлектрические либо фотоэлектрические преобразователи.

Мала  чувствительность термопар приводит к тому, что к образцу необходимо подводить большие тепловые мощности. Кроме того, необходимо учитывать теплообмен между термопарой и образцом. Необходи- мость надежного контакта термопары с образцом исключает применение этого типа датчиков дл  методов неразрушающего контрол  (например, при использовании теплофизических свойств кристаллов, тон- кйТГ т1л1ё н 6к в радиоэлектронной промышленности и т.п.).

Дл  регистрации температурных волн на поверхности твердых тел широко используютс  фотоэлектрические преобразова- тели (фотодиоды, фотосопротивлени  и т.п.). Однако этот бесконтактный способ регистрировани  температурных волн также имеет существенный недостаток. Он обусловлен тем, что фотоприемники чувст- вительны к определенному диапазону спектра электромагнитных волн. Это не позвол ет использовать фотоприемники дл  регистрации температурных волн на поверхности вещества в широком интервале температур.

Наиболее близким техническим решением к за вл емому  вл етс  способ измерени  коэффициента температуропроводности зеркально-отражающих материа- лов, включающий нагрев материала пучком лазера модулированной частоты, воздействие на материал опорным и сигнальным лучами дл  съема информации, регистрацию запаздывани  по фазе температурной вол- ны,-по которой определ ют коэффициент температуропроводности, при этом нагрев материала лазерным лучом производ т в точке поверхности, лучи дл  съема информации направл ют на материал под утлом к его поверхности в плоскости греющего луча лазера, причем сигнальный луч направл ют на нагретый участок, а опорный - на холодный , отраженные от материала сигнальный и опорный лучи собирают в одну точку, пол- уча  при этом интерференционную картину, по которой регистрируют запаздывание по фазе температурной волны.

Основным недостатком данного способа  вл етс  низка  точность определени  коэффициента. Это объ сн етс  тем, что отраженные лучи имеют низкий коэффициент преобразовани  колебаний материала (температуры материала) в отклонени  лазерно

го считывающего излучени .

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  коэффициента температуропроводности кристаллов твердых тел с одной полированной поверхностью.

5 0

15 20 25

0 5 0 5

0

5

Цель достигаетс  тем, что с целью повышени  точности измерений материал полированной поверхностью кладут на прозрачную подставку, на которую и направл ют оба сигнальных луча, при этом один сигнальный луч направл ют на рассто нии длины волны излучени  теплового лазера от поверхности соприкосновени , а второй сигнальный луч- на рассто нии больше 5длин волн излучени  лазера от поверхности соприкосновени , прошедшие через пластину лучи собирают в одну точку и получают интерференционную картину, по которой регистрируют запаздывание по фазе температурной волны, и по полученной информации определ ют коэффициент по формуле (1).

Предлагаемый способ позвол ет более точно измер ть температуропроводность кристаллов твердых веществ с одной полированной гранью. Повышение точности достигаетс  тем, что один сигнальный луч, проход  на рассто нии длины волны излучени  теплового лазера от плоскости соприкосновени , обеспечивает независимость траектории прохождени  луча от величины шероховатости плоскости соприкосновени  материала с подставкой, в то же врем  такое рассто ние дает возможность установить однозначное соответствие зависимости траектории хода сигнального луча от модул ции излучени  теплового лазера и возникает эффект, св занный с изменением оптической длины пути луча по отношению к другому сигнальному лучу, который, проход  ниже первого сигнального луча на рассто нии более 5 длин волн излучени  теплового лазера, имеет оптическую длину пути, котора  не зависит от модул ции излучени  теплового лазера. Это дает возможность посто нного сравнени  длины пути, проходимого одним сигнальным лучом, с длиной пути, проходимого другим сигнальным лучом, и так как траектори  пути (следовательно , оптическа  длина пути) одного сигнального луча, который проходит вблизи плоскости соприкосновени , зависит от модул ции излучени  теплового лазера, а другого сигнального луча не зависит, то наложение сигнальных лучей после прохождени  подставки друг на друга дает интерференционную картину, котора  несет информацию о величине коэффициента температуропроводности и в то же врем  не зависит от нестабильности считывающего лазера. Все перечисленное дает возможность свести величину погрешности в определении коэффициента температуропроводности к величине погрешности в определении модулирующей частоты ш и запаздывани  по фазе , которые составл ют соответственно 0,5 и 1,5%.

Вновь предложенные операции дл  определени  температуропроводности не были обнаружены за вителем. Поэтому можно сделать вывод, что предложенное техническое решение соответствует критерию существенные отличи . Новые свойства, возникающие при проведении за вл емых операций, позвол ют достичь положитель- ного эффекта, а именно повышени  точности измерени  температуропроводности твердых тел.

На чертеже показана схема устройства, с помощью которого реализуетс  за вл в- мый способ.

Устройство состоит из источника 1 теплового излучени  (ОКГ марки ЛГ-4), модул тора 2, опорного генератора 3, He-Ne- лазера 4, дифракционной решетки 5, линзы б, оптического клина 7, линзы 8, фотоэлектрического приемника 9 (см. Ивлиев А.Д., Зиновьев В.Е. Теплофизика высоких температур . 1980, т.18, №3, с.532), амплитудного фазового измерител  10 (см. Зиновьев В.Е., Талуц С.Г., Полев В.Ф. и др. Измерительна  техника. 1985, №11, с.64-66), ЭВМ 11, частотомера 12.

С помощью устройства способ осуществл етс  следующим образом.

Лазерный луч из источника 1, модулированный по гармоническому закону модул тором 2 и опорным генератором 3, попадает в точку О исследуемого материала. Луч Не- Ne-лазера 4 проходит через дифракцион- ную решетку 5, через оптическую линзу 6 и разделенный на два сигнальных луча попадает на прозрачную подставку. Один сигнальный луч попадает в точку Xi и проходит от поверхности соприкосновени  материа- ла с подставкой на рассто нии длины волны излучени  теплового лазера, другой сигнальный луч попадает в точку Х2 и проходит от поверхности соприкосновени  на рассто нии больше 5 длин волн излучени  тепло- вого лазера. Сигнальный луч, который попадает в точку Xi, в дальнейшем проходит сквозь подставку, сквозь оптический клин 7 и попадает на фотоэлектрический приемник 9. Сигнальный луч, который попадает в точ- ку Хг, проходит сквозь подставку, сквозь оптический клин 7, сквозь линзу 8 и попадает на фотоэлектрический приемник 9, где оба сигнальных луча интерферируют.

Следует заметить, что сигнальный луч, попадающий в точку XL попадает в фотоприемник 9 под вли нием модул ции луча теплового лазера и в результате фототермического эффекта модулируетс  с частотой

ш, приобрета  фазу колебани , соответствующую фазе колебани  температурной волны , создаваемой лучом теплового лазера. Сигнальный луч, который попадает в точку Х2, вследствие затухали  температурной волны не подвержен ее модул ци м.

Построенный таким образом ход сигнальных лучей дает возможность существенно увеличить оптическую длину пути луча, попадающего в точку Xi, по сравнению с оптическим путем луча, попадающего в точку Х2.

После интерференции сигнальных лучей в фотоприемнике 9 из него поступает информаци  о фазе колебаний температуры подставки вблизи поверхности исследуемого материала. С помощью амплитудно-фазового детектора 10 производитс  измерение фазового сдвига колебаний температуры в точке О и в зоне прохождени  сигнального луча. Эта информаци  поступает в ЭВМ 11, где по формуле (1) производитс  определение температуропроводности исследуемого материала. Частота модул ции посто нно контролируетс  частотомером 12.

Пример. Способом, предложенным в прототипе, невозможно выполнить замеры температуропроводности железа, а предлагаемым способом были выполнены замеры коэффициента дл  образца из железа с одной полированной гранью, При калибровочных замерах получено значение коэффициента температуропроводности, которое отличаетс  от стандартных данных всего нз 5-6%. Частота модул ции лазерного излучени  была прин та равной 30 Гц, откуда циклическа  частота ш 188,4 рад/с. Рассто ние1отточки падени  модулированного лазерного луча О до точки прохождени  сигнального луча, попадающего на подставку в точке Xi, составл ло 2-10 м. Измеренное запаздывание по фазе температурной волны на рассто нии I составл ло 241° 4,20 рад. По формуле (1) имеем

-6

а -

188,4 -4 10 °-в 2, -------- -- 21,5-10 м /с.

2 (4,20f

Предлагаемый способ позвол ет более точно измер ть температуропроводность кристаллов твердых материалов, что непосредственно дает возможность бесконтактного исследовани  тёплофизических свойств кристаллов, сплавов, металлов, конструкционных материалов, покрытий, тонких пленок элементов микрозлектронной техники в широком интервале температур (включа  области низких и высоких температур ).

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ измерени  коэффициента тем- пературопроводиости твердых тел, включающий наг рев образца в точке поверхности лучом лазера модулированной частоты, воздействие двум  когерентными пучками излучени  дл  съема информации с получением интерференционной картины, регистрацию по полученной картине запаздывани  по фазе температурной волны и по полученной информации определение коэффициента температуропроводности, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений и расширени  класса исследуемых материалов за счет определени  температуропроводности материалов произвольной формы, образец полированной поверхностью

   размещают на оптически прозрачной подставке , а два когерентных пучка излучени  направл ют сквозь подставку параллельно грани, на которой расположен образец, при этом один направл ют на рассто нии

   длины волны излучени  теплового лазера от поверхности соприкосновени , а второй - на рассто нии больше 5 длин волн излучени  теплового лазера от поверхности соприкосновени .