RU1793347C - Система дл исследовани теплофизических свойств твердых материалов - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство дополнительно содержит йзмерйте е то лЩй- ны с полыми щупатми дл  измерени  коэффициента теплового расширени  образца . 1 ил. . ;о

Description

Изобретение относитс  к измерению т( плофизических свойств материалов и мо- жэт быть использовано дл  исследований в металлургии, в полупррводникЬврй и  дер- ной технике, в физике твердого тела.

Известно устройство дл  определени  к( эффициента температуропроводимости материалов, содержащее электрическую с ему дл  формировани  Геплового импуль- сг на поверхности исследуемого образца, э/ ектронную схему дл  автоматического из- м (рени  и регистрации интервала времени с момента подачи теплового импульса до достижени  заданного сЬотнршени  темше- р турных сигналов от двух термопар, распо- лйженных на разных рассто ни х от нагреваемой поверхности;

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности  вл етс  система дл  измерени  коэффициента температуропроводности с помощью световых импульсов, содержаща  импульсный лазер, соединенный с блоком управлени  и оптически сопр женный с фронтальной поверхностью исследуемого образца, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотоде- тектор, выход «бторого че еэ усилйтель со- единён с входами рстдйллографа и компьютера, оптически св занный с излучением лазера фотоэлемент, выход которого через внешний триггер соединен с входом синхронизации осциллографа и с дискретным входом компьютера

Недостатком системы  вл етс  ограничение функции определением коэффициента температуропроводности, а также зависимость точности измерени  от качества обработки поверхностей плоскопараллельного образца (из-за трудности измерени  толщины образца непосредственно в области теплового возмущени ), что соответственно ухудшает экспресность измерений.

ы со

XI

Целью изобретени   вл етс  расширение функций и повышение точности системы .

На чертеже изображена блок-схема системы дл  исследовани  теплофизических свойств твердых материалов.

Система содержит импульсный лазер 1, соединенный с блоком 2 управлени , излучение лазера 1 через оптическую систему 3 сопр жено с фронтальной поверхностью образца 4, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотодотектор 5, выход которого через первый усилитель-формирователь 6 соединен с входом осциллографа 7 и с первым входом компьютера 8, оптически св занный с излучением лазера 1 фотоэлемент 9, который через триггер-одновибра- тор 10 соединен с входом синхронизации осциллографа 7 и с дискретным входом компьютера 8, позади импульсного лазера 1 соосно установлен юстировочный лазер 11, система содержит также измеритель толщины образца 12, состо щий из двух полых щупов 13 и 14, соединенный с датчиком 15 перемещени , выход которого соединен с вторым входом компьютера 8, а ось каналов щупов 13 и 14 совпадает с осью луча лазера 1, острие щупов выполнено из термостойкого твердого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности (например из корунда), после канала заднего щупа 14 установлена диафрагма 16, на этом же щупе 14 закреплен миниатюрный звукосниматель 17 (например пьезокристаллический), выход которого соединен с входом второго усилител -формировател  17, в систему включены два вычислительны-- устройства 19 и 20 дл  анализа фронта сигналов, выходы которых соединены с цифровыми входами компьютера 8, а к входам вычислительных устройств 19 и 20 через разделительные конденсаторы 21 и 22 подсоединены выходы первого 6 и второго 18 усилителей-формирователей соответственно , входы запуска устройств 19 и 20 подключены к выходу триггера 10, блок управлени  лазера 1 двухсторонней св зью соединен с компьютером 8.

Система работает следующим образом.

Лазер непрерывного излучени  11 используетс  дл  юстировки элементов системы: лазера 1, оптической системы 3, измерител  толщины 15 (щупов 13 и 14), диафрагмы 16, фотодетектора 5. Щупы 13 и 14 располагают таким образом, чтобы сигнал от фотодетектора 5, отображаемый на осциллографе 7, не отклон лс  от значени  соответствующего сигнала без установленного измерител  толщины (т, е. щупы не должны оттен ть луч лазера). Юстировку системы осуществл ют по мере необходимости , а в процессе работы лазер 11 обычно отключен.

Образец 4 установлен таким образом,

чтобы остри  щупов 13 и 14 прижимались к нему с двух сторон. Так, как щуп 14 неподвижен , тыльна  поверхность образца расположена на фиксированном рассто нии от фотодетектора 5, информаци  о толщине об0 разца вводитс  в компьютер.

Измерение проводитс  под управлением компьютера 8 по соответствующей программе . При соответствии режима работы лазера 1 (энергий импульса) заданному, по

5 сигналу от компьютера 8 лазер 1 излучает импульс света. После прохождени  оптиче: ской системы 3 (состо щий из аттенюатора, фокусирующих и отражающих элементов) излучение лазера фокусируетс  на фрон0 тальной поверхности образца 8. при этом луч не касаетс  стенок канала щупа 13. От импульсного теплового возмущени  по толщине образца распростран етс  тепловое возмущение, а также звукова  (упруга ) вол5 на. Инфракрасное излучение с тыльной поверхности образца, проход  сквозь канал щупа 14 и через диафрагму 16, попадает на фотодетектор 5, выполн ющий функцию датчика температуры. Усилитель-формиро0 ватель 6 с учетом нелинейных характеристик излучени  и фотоприемника формирует сигнал температуры, поступающий на осциллограф 7, на вход вычислительного устройства 19 и в компьютер 8.

5 Звукова  волна детектируетс  с помощью звукоснимател  17. Усилитель-формирователь 18 из пакета импульсов от датчика 17 формирует один сигнал, фронт которого определ етс  фронтом первого

0 импульса от датчика 17 (дл  этого блок 18 на входе или выходе содержит пиковый детектор ). Синхронизаци  развертки осциллографа 7, запуск вычислительных устройств 19 и 20 осуществл етс  от импульсного сигнала,

5 вырабатываемого триггером 10, когда на

фотоэлемент 9 попадает часть отраженного

от оптической системы излучени  лазера 1.

На вычислительные устройства 19 и 20

через конденсаторы 21 и 22, служащие дл 

0 отсечки фоновых (посто нных) составл ющих сигналов, поступают сигналы о распространении температурной и звуковой волн по толщине образца. Устройства 19 и 20 определ ют соответствующие интервалы

5 времени достижени  заданных уровней фронтов сигналов (обычно 50% от максимального ), соответственные значени  временных интервалов распространени  температурных и звуковых волн ввод тс  в рмпьютер 8- Компьютер по заданной программе осуществл 1ет непрерывный ввод wформации от измерител  толщины 12 и те ипературного датчика 6.

Так, как скорость охлаждени  образца значительно меньше скорости нарастани  температуры на тыльной поверхности образца , на этапе спада температуры можно параллельно исследовать динамику изменени  температуры и линейного размера образца..

Следовательно, после завершени  измерени  в компьютере содержитс  следующа  информаци : интервалы времени ра ;пространени  температурной Гт и звуко- во Г3 волн, массивы информации о кине- типе изменени  температуры Т и линейного размера образца X.

По времени ту определ етс  значение коэффициента температуропроводимости образца

5Г2 0.1388 -,

7т

где X - среднее значение массива данных о толщине образца.

I По времени гэ определ етс  скорость распространени  упругих волн (звука) в образ це

,(2)

э и

где Т0 - врем  запаздывани  распространени  звуковой волны в элементах системы: в щупе 14, датчике 17, и т, д. (т0 заранее определ етс  с помощью экспериментов на эталонных образцах).

По скорости распространени  упругих волн в материале можно вычислить температуру Деба  в:

5 10

15

20

25

30

35

y hU()1/3,(3)

где h - посто нна  Планка;

N - полное число частиц в объеме V элементарной  чейки.

Информаци  о кинетике изменени  температуры и толщины образца позвол ет оценить значение коэффициента теплового расширени  образца (К.Т.Р.)К:

где AT и АХ - изменени  температуры и толщины образца.

В зависимости от программы компьютер может провести серию повторных измерений .

Осциллограф 7 предназначен дл  параллельного отображени  температурной кривой и дл  получени  ее фотоотпечаток. Сигнал, поступающий на дискретный вход компьютера 8 от триггера 10, служит дл  инницировани  режима слежени  компьютера .

Технико-экономическа  эффективность использовани  изобретени  предопредел етс  широкими функци ми системы, позвол ющей определить коэффициент температуропроводности, коэффициент теплового расширени  и температуры Деба  твердых материалов. Автоматизированное измерение толщины в непосредственной близости от области теплового возмущени  позвол ет обойтись без тщательной подготовки поверхностей образцов , а измерение температуры области образца, ограниченной диаметром канала щупа, повышает точности измерений.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Система дл  исследовани  теплофизи- ческ/ix свойств твердых материалов, содержаща  импульсный лазер, соединенный с блоком управлени  и оптически сопр женный : фронтальной поверхностью исследуемого образца, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотодетектор , выход которого через первый усили- тельгформирователь соединен с входом осциллографа и с первым входом компьютера , оптически св занный с излучением импульсного лазера фотоэлемент, выход которого через триггер соединен с входом синхронизации осциллографа и с дискретным входом компьютера, отличающ а  с   тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей и повышени  точности , дополнительно введены котировочный лазер, измеритель толщины образца, состо щий из двух полых щупов, соединенных с датчиком перемещени , выход которого соединен с вторым входом компьютера, а ось каналов щупов совпадает с осью луча лазера , диафрагма, установленна  после Шла4 заднего щупа, звукосниматель, закрепленный на этом же щупе, выход которого соединен с входом второго усилител -формировател , два вычислительных устройства дл  анализа фронта сигналов, выходы которых соединены с цифровыми входами компьютера, входы вычислительных устройств соединены через разделительные конденсаторы с выходами первого и второго усилителей-формирователей, входы запуска вычислительных устройств подключены к

   выходу триггера, а блок управлени  лазера соединен двухсторонней св зью с компьютером .