專利名稱：：導溫系數測量方法導溫系數測量方法
技術領域：
導溫系數測量方法，涉及到一種激光脈沖法測量材料熱物性參數的方法，具體涉及到測量材料導溫系數的方法。技術背景物體的熱物理性質包括輸運性質和熱力學性質兩類，前者指與能量和動量傳遞過程有關的導溫系數、導熱系數和熱輻射性能(發射率、吸收率、反射率)等；后者指與熱現象中物態轉變和能量轉換規律相關的比熱、熱膨脹系數等。熱物性數據不但是衡量材料能否適應具體熱工作過程的數據依據，而且是對特定熱過程進行基礎研究、分析計算和工程設計的關鍵參數，此外，它還是認識、了解和評價物質的最基本的物質性質之一。熱物性數據的獲得對于空間科學技術、能源科學技術、材料科學技術及計算機電子科學技術都具有重要的現實意義。1961年，美國的Parker等人提出利用脈沖光源對處于恒溫狀態的薄圓片正面進行瞬間加熱，并同時在試樣背面對因此而帶來的熱能變化進行高速采集，最后再通過測得的數據和相應的數學模型計算出該種材料在當前溫度下的導溫系數、比熱和導熱系數的激光脈沖法。經過多年發展，這種具有測試材料種類廣泛、測試溫度范圍寬廣、測試速度快和測試功能強等諸多優點的激光脈沖技術已經日趨完善，并得到世界各國同行的普遍認可。早在1973年舉行的第十三屆國際導熱系數學術會議上，就有人估計在歐美各國大約75%的導溫系數數據是用該方法測定的。然而，由于種種原因我國在這方面的工作卻遠遠落后于世界同行。迄今為止，除了幾個針對低溫、中高溫范圍而建立的激光脈沖發熱物性測試系統外，就再也沒有什么新的進展了，對試樣溫度信號和溫升信號的測量方法也始終停留在以往那種用傳感器分別對這兩種信號進行測量的基礎上，這樣不但使測試裝置的結構更復雜，而且還增加了設備的操作難度。
發明內容為了解決現有的激光脈沖法測量導溫系數的裝置結構復雜、操作難度大的問題，本發明提供了一種導溫系數測量方法。本發明的導溫系數測量方法采用的測量裝置包括光電探測器、測量電路和數據采集模塊，光電探測器的測量信號輸出端與測量電路的信號輸入端連接，所述測量電路的信號輸出端與數據采集模塊的信號輸入端連接，所述測量電路由前置放大電路、差動放大電路、基準電壓信號源組成，前置放大電路的信號輸入端為所述測量電路的信號輸入端，所述前置放大電路的信號輸出端與差動放大電路的一個信號輸入端連接，所述基準電壓信號源的基準電壓信號輸出端和所述差動放大電路的另一個信號輸入端連接，所述差動放大電路的信號輸出端為所述測量電路的信號輸出端。本發明的導溫系數測量方法為步驟四一調整基準電壓信號源的輸出電壓，使差動放大電路輸出信號為參考電壓V0，然后執行步驟四二；步驟四二用激光源對被測試樣打激光，同時數據采集模塊開始連續采集并記錄差動放大電路輸出的差動電壓信號，直到采集到的差動電壓信號恢復到激光打樣之前的參考電壓VO，然后執行步驟四三；步驟四三比較步驟四二獲得的多個差動電壓信號，查找最大的差動電壓信號V1，并求得半壓V0.5，所述半壓V0.5-V0+(V1-V0)/2，然后根據數據采集模塊的數據采集速度獲得采集到半壓V0.5的時間t0.5，然后執行步驟四四；步驟四四根據步驟四三獲得的時間t0.5獲得被測試樣的導溫系數，測試結束。本發明的導溫系數測量方法，采用差動放大的原理直接對試樣的紅外熱輻射信號的變化進行提取，實現對試樣導溫系數的測量，本發明結構簡單、操作簡單，可以與現有的光學溫度測量裝置聯合使用。圖1是具體實施方式一或二所述的背溫溫聲測量裝置的結構示意圖，圖2是具體實施方式三所述的比色溫度計的光學結構示意圖，圖3是具體實施方式三中使用的光電探測器S1337-BQ的光譜相應曲線，圖4是本發明中的步驟四二、用激光源對被測試樣打激光的時候，測量電路i輸出的差動電壓信號隨時間的變化曲線圖，圖5是本發明的流程圖。具體實施方式具體實施方式一本實施方式的導溫系數測量方法采用的測量裝置由光電探測器20、測量電路1和數據采集模塊2組成，光電探測器20的測量信號輸出端與測量電路1的信號輸入端連接，所述測量電路1的信號輸出端與數據采集模塊2的信號輸入端連接，所述測量電路l由前置放大電路ll、差動放大電路12、基準電壓信號源13組成，前置放大電路11的信號輸入端為所述測量電路1的信號輸入端，所述前置放大電路11的信號輸出端與差動放大電路12的一個信號輸入端連接，所述基準電壓信號源13的基準電壓信號輸出端和所述差動放大電路12的另一個信號輸入端連接，所述差動放大電路12的信號輸出端為所述測量電路1的信號輸出端；本實施方式的導溫系數測量方法為-步驟四一調整基準電壓信號源13的輸出電壓，使差動放大電路12輸出信號為參考電壓VO，然后執行步驟四二；步驟四二用激光源對被測試樣打激光，同時數據采集模塊2開始連續采集并記錄差動放大電路12輸出的差動電壓信號，直到采集到的差動電壓信號恢復到激光打樣之前的參考電壓VO，然后執行步驟四三；步驟四三比較步驟四二獲得的多個差動電壓信號，査找最大的差動電壓信號V1，并求得半壓V0.5，所述半壓V0.5=V0+(Vl-V0)/2，然后根據數據采集模塊2的數據采集速度獲得采集到半壓V0.5的時間t0.5，然后執行步驟四四；步驟四四根據步驟四三獲得的時間t0.5獲得被測試樣的導溫系數,測試結束。本實施方式中所述的數據采集模塊2，能夠將測量電路1輸出的模擬信號轉換成數字信號，然后進行計算處理。本實施方式中的數據采集模塊2由模擬量數據采集卡和計算機系統組成，所述模擬量數據采集卡采集測量電路1輸出的模擬信號并轉換成數字信號，所述計算機系統對模擬量數據采集卡輸出的數字信號進行分析處理。本實施方式中的數據采集卡選用美國IOtech公司生產的DaqBook200板卡。本實施方式中的步驟四四中根據時間t0.5獲得被測試樣的導溫系數的方法為設試樣厚度為L的四周絕熱的圓片，片內任意點x在開始時的溫度分布為r(;c,o)，若試樣正面在瞬間吸收一脈沖熱量，則在任意時間t的溫度分布r(x力的計算表達式為r(x',)=丄!>(x,0>&+2|>Pf〕c。s控fT^,0)cos平血，式中T~~過余溫度，即試樣溫度相對于環境溫度的溫升，當試樣均勻吸收激光脈沖的瞬時"("—0)，在試樣內部距離正面(x-O)極小距離g內，任意點X的溫度分布為1當0〈;c〈g0當g<x<Z式中Q——被試樣吸收的激光脈沖的輻照強度(卡/厘米2);D——試樣的密度(克/厘米3);C——試樣的比熱(卡/克.度)；將任意點x的溫度分布公式r(x,/。)代人任意時間t的溫度分布公式r(x力并進行處理，得到試樣背面(X-L)的溫度分布為r(z,,)=.2丄+2敘-l)、xP〔^^",、經過推導得到導溫系數的表達式為a=1.37Z2/(>r2/05)=0.138￡2/V05，式中丄——待測試樣厚度；進而得到導熱系數;t的計算公式為"a.C.D。本實施方式中所述的極小距離g，是小于待測試樣厚度L，趨近于零的數值。本實施方式中對導溫系數的測量方法，是在被測試樣處于恒溫的狀態下進行的。本實施方式的導溫系數測量裝置采用現有成熟的測量電路，通過簡單的操作就能夠測量到試樣的導溫系數。本實施方式的導溫系數測量裝置可以與現有的溫度測量系統一起使用，達到同時測量溫度、溫升信號的目的。具體實施方式二本實施方式與具體實施方式一所述的導溫系數測量裝置的區別在于，它包括兩個光電探測器20、兩個測量電路l，并且每個測量電路1中還包括一級級聯放大電路14和二級級聯放大電路15，所述每個測量電路1中的一級級聯放大電路14的信號輸入端與前置放大電路11的信號輸出端連接，所述一級級聯放大電路14的信號輸出端分別與二級級聯放大電路15的信號輸入端、數據采集模塊2的信號輸入端連接，所述二級級聯放大電路15的信號輸出端與數據采集模塊2的信號輸入端連接。本實施方式與具體實施方式一所述的導溫系數測量的方法的區別在于，在所述步驟四一之前增加了步驟三一數據采集模塊2同時采集兩個測量電路1輸出的前置放大信號、一級級聯放大信號和二級級聯放大信號，執行步驟三二；步驟三二分別判斷步驟三一中獲得的兩個測量電路中的二級級聯放大信號是否飽和，如果已飽和，執行步驟三三；如果沒飽和，執行步驟五一；步驟五一所述二級級聯放大信號為有效測量溫度電壓數據，然后執行步驟三五；步驟三三分別判斷步驟三一中獲得的兩個測量電路中的一級級聯放大信號是否飽和，如果已飽和，執行步驟三四；如果沒飽和，執行步驟五二；步驟五二所述一級級聯放大信號為有效測量溫度電壓數據，然后執行步驟三五；步驟三四所述前置放大信號為有效測量溫度電壓數據，然后執行步驟三五；步驟三五用獲得的兩個有效測量溫度電壓數據計算出各自通道的亮溫溫度值，然后再通過兩個亮溫溫度值計算出被測試樣的真實溫度值，然后執行步驟三六；'步驟三六當步驟三五中獲得的真實溫度值小于2300。C時，執行步驟三七；當步驟三五中獲得的真實溫度值大于2300。C時，執行步驟三八；步驟三七選擇與波長較長的光電探測器連接的測量電路！測量溫升信號；然后執行步驟四一；步驟三八選擇與波長較短的光電探測器連接的測量電路1測量溫升信號；然后執行步驟四一；在本實施方式中的步驟三六還可以是當步驟三五中獲得的真實溫度值小于2200。C時，執行步驟三七；當步驟三五中獲得的真實溫度值大于2200'C時，執行步驟三八。步驟三二和步驟三三中所述的判斷測量電路中的一級級聯放大信號、二級級聯放大信號是否飽和的方法，是判斷一級級聯放大信號或者二級級聯放大信號的幅值是否等于或者接近一級級聯放大電路14或者二級級聯放大電路15的所能輸出的最大電壓值，如果判斷結果為是，則認為對應的放大電路處于飽和狀態；如果不是，則認為對應的放大電路沒有處于飽和狀態。由于現有的光電探測器輸出信號范圍比較寬，所以本實施方式中采用兩級放大電路對采集的信號進行逐級放大處理，在采集數據的時候選取放大效果比較好的信號進行分析處理。例如，當二級級聯放大電路輸出的二級級聯放大信號處于所述二級級聯放大電路的線性放大區之內的時候，則取二級級聯放大信號為有效信號進行分析、計算；當所述二級級聯放大信號接近或者等于所述二級級聯放大電路所能輸出的最大值的時候，則對前一級級聯放大信號同樣的判斷，直到找到適合的信號作為有效的電壓信號進行分析計算。本實施方式采用不同工作原理電路對試樣的紅外熱輻射信號進行同時提取，最終實現了對試樣背面的溫度和溫升信號同時進行測量。本實施方式的導溫系數測量方法，根據不同波長的紅外輻射能在不同溫度范圍內的敏感程度不同的特點，根據測量的溫度值，分別選取與不同波長光電探測器連接的測量電路1對溫升信號進行測量，增加了溫升信號的測量范圍及測量靈敏度。具體實施方式三本實施方式采用具體實施方式二所述的導溫系數測量方法及裝置與現有的比色溫度計組成背溫溫度及溫差測量系統，所述比色溫度計由主物鏡L1、視場光闌FS、準直物鏡L2、調整目鏡L4、紅外光學光纖E、色散棱鏡P、暗箱物鏡L3、反射鏡M和兩個光電探測器20組成。主物鏡Ll、視場光闌FS與位于準直物鏡L2上的孔徑光欄構成導溫系數測量系統的光學取樣系統，所述主物鏡L1可以平行移動，通過調整主物鏡L1的位置調整焦距，使被測試樣的成像調整到視場光闌FS的反射平面上。通過調整目鏡L4的焦距來瞄準，通過目鏡L4看到視場光闌FS的黑方塊部分即為被測物D表面之被取樣部分，如果視場光闌FS的口徑很小，則可認為是被測物D表面的局部溫度。由準直物鏡L2、色散棱鏡P、暗箱物鏡L3、反射鏡M組成分光系統。來自于被測試樣的紅外輻射能量經光學取樣系統聚焦到視場光欄FS后，L2將輻射能準直為平行束，經紅外光學光纖E傳輸和色散棱鏡P色散成不同波長具有不同角度的多路平行光光譜，再經暗箱物鏡L3匯聚和反射鏡M折射后被相應波長(0.656，0.9pm)的兩個光電探測器20按波長次序接收，所述兩個光電探測器20的信號輸出端分別與測量裝置中的兩個測量電路1的前置放大電路ll的信號輸入端連接。本實施方式的兩個光電探測器20均選用日本HAMAMATSU株式會社的硅光電二極管S1337-BQ作為探測器，它的光譜響應曲線如圖3所示。從圖中可以看出，該探測器的響應曲線在工作波長范圍0.19-1.lpm內有如下特點:光譜響應帶寬、響應速度快、紅外響應率高、線性度較好，此外該探測器還有如暗流小、像元之間影響小等優良性能，從而為設備的快速數據采集和高精度測量提供了前提保障。在北京航天工業總公司一零二所利用高精度黑體爐對本實施方式的背溫溫度及溫差測量系統的測溫范圍及精度進行了現場標定和校驗。標準溫度計采用的是中國計量院研制的標準輻射溫度計，測量溫度范圍是800~3000°C，測量精度是0.3%;黑體爐輻射源采用的是昆明特普瑞儀表有限公司研制的WJL-ll型臥式黑體爐，該黑體爐的控溫范圍是8003000。C，溫度漂移小于工作溫度的0.P/。/5min。標定后，重新將黑體爐設置到不同溫度點，利用標準溫度計對我們設計的溫度計進行檢定，校驗結果表明該系統在8003000。C范圍內的溫度測量精度小于1%。為了對這套系統的測量背面溫升能力進行檢驗，從而對整套系統的導溫系數測試精度進行標定，采用直徑())10mm的圓片狀標準石墨試樣(標準材料采用的是美國NIST研究級別的高溫標準材料RM8424,也稱之為POCOGraphiteAXM5Q1，在常溫下它的電阻率為14.5uQ.m，密度為1730kg/m3)進行加熱，加熱爐觀察窗口距離試樣的距離為200mm左右，將激光脈沖法背溫測量系統定位在觀察窗石英玻璃正面，通過光學瞄準裝置，可以清晰的對焦在被測試樣上。將試樣加熱到不同溫度同時進行測溫及背溫信號測量的重復性試驗，測量得到的導溫系數與標準材料在各溫度下的導溫系數值的數據表1，從表1中可以得到，由本實施方式的背溫溫度及溫差測量系統測量的溫升信號計算獲得的導溫系數與標準值的最大誤差為4.34%。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權利要求1、導溫系數測量方法，它所采用的測量裝置包括光電探測器(20)、測量電路(1)和數據采集模塊(2)，光電探測器(20)的測量信號輸出端與測量電路(1)的信號輸入端連接，所述測量電路(1)的信號輸出端與數據采集模塊(2)的信號輸入端連接，所述測量電路(1)由前置放大電路(11)、差動放大電路(12)、基準電壓信號源(13)組成，前置放大電路(11)的信號輸入端為所述測量電路(1)的信號輸入端，所述前置放大電路(11)的信號輸出端與差動放大電路(12)的一個信號輸入端連接，所述基準電壓信號源(13)的基準電壓信號輸出端和所述差動放大電路(12)的另一個信號輸入端連接，所述差動放大電路(12)的信號輸出端為所述測量電路(1)的信號輸出端；其特征在于導溫系數的測量方法為步驟四一調整基準電壓信號源(13)的輸出電壓，使差動放大電路(12)輸出信號為參考電壓V0，然后執行步驟四二；步驟四二用激光源對被測試樣打激光，同時數據采集模塊(2)開始連續采集并記錄差動放大電路(12)輸出的差動電壓信號，直到采集到的差動電壓信號恢復到激光打樣之前的參考電壓V0，然后執行步驟四三；步驟四三比較步驟四二獲得的多個差動電壓信號，查找最大的差動電壓信號V1，并求得半壓V0.5，所述半壓V0.5＝V0+(V1-V0)/2，然后根據數據采集模塊(2)的數據采集速度獲得采集到半壓V0.5的時間t0.5，然后執行步驟四四；步驟四四根據步驟四三獲得的時間t0.5獲得被測試樣的導溫系數，測試結束。2、根據權利要求1所述的導溫系數測量方法，其特征在于步驟四四中根據時間t0.5獲得被測試樣的導溫系數的方法為設試樣厚度為L的四周絕熱的圓片，片內任意點x在開始時的溫度分布為r(x,O)，若試樣正面在瞬間吸收一脈沖熱量，則在任意時間t的溫度分布T(xj)的計算表達式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中T——過余溫度，即試樣溫度對于環境溫度的溫升；當試樣均勻吸收激光脈沖的瞬時,。(,。—0)，在試樣內部距離正面(FO)極小距離g內，任意點X的溫度分布為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>當0<x<g當g<x<I式中Q——被試樣吸收的激光脈沖的輻照強度(卡/厘米2);D——試樣的密度(克/厘米3);C——試樣的比熱(卡/克.度)；對溫度分布r(x,/;)的計算表達式進行處理，得到試樣背面O^L)的溫度分布為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>經過推導得到導溫系數的表達式為-=1.37Z2/(;r、5)=0.138z2A05，式中丄——待測試樣厚度；進而得到導熱系數;i的計算公式為X=a-C.D。3、根據權利要求1所述的導溫系數測量方法，它所采用測量裝置是在權利要求l所述測量裝置上增加了一個測量電路(1)，并且每個測量電路(1)中增加了一級級聯放大電路(14)和二級級聯放大電路(15)，每個測量電路(1)中的一級級聯放大電路(14)的信號輸入端與前置放大電路(11)的信號輸出端連接，所述一級級聯放大電路(14)的信號輸出端分別與二級級聯放大電路(15)的信號輸入端、數據采集模塊(2)的信號輸入端連接，所述二級級聯放大電路(15)的信號輸出端與數據采集模塊(2)的信號輸入端連接;其特征在于，在步驟四一之前還包括步驟三一數據采集模塊(2)同時采集兩個測量電路(1)輸出的前置放大信號、一級級聯放大信號和二級級聯放大信號，執行步驟三二；步驟三二分別判斷步驟三一中獲得的兩個測量電路中的二級級聯放大信號是否飽和，如果已飽和，執行步驟三三；如果沒飽和，執行步驟五一；步驟五一所述二級級聯放大信號為有效測量溫度電壓數據，然后執行步驟三五；步驟三三分別判斷步驟三一中獲得的兩個測量電路中的一級級聯放大信號是否飽和，如果已飽和，執行步驟三四；如果沒飽和，執行步驟五二；步驟五二所述一級級聯放大信號為有效測量溫度電壓數據，然后執行步驟三五；步驟三四所述前置放大信號為有效測量溫度電壓數據，然后執行步驟三五；步驟三五用獲得的兩個有效測量溫度電壓數據計算出各自通道的亮溫溫度值，然后再通過兩個亮溫溫度值計算出被測試樣的真實溫度值，然后執行步驟三六；步驟三六當步驟三五中獲得的真實溫度值小于230(TC時，執行步驟三七；當步驟三五中獲得的真實溫度值大于2300。C時，執行步驟三八；步驟三七選擇與波長較長的光電探測器連接的測量電路(1)測量溫升信號；然后執行步驟四一；步驟三八選擇與波長較短的光電探測器連接的測量電路(1)測量溫升信號；然后執行步驟四一。4、根據權利要求3所述的導溫系數測量方法，其特征在于所述步驟六為當步驟三五中獲得的真溫度值小于2200。C時，執行步驟三七；當步驟三五中獲得的真溫度值大于2200。C時，執行步驟三八。5、根據權利要求3所述的導溫系數測量方法，其特征在于所述步驟三二和步驟三三中所述的判斷測量電路中的一級級聯放大信號、二級級聯放大信號是否飽和的方法，是判斷一級級聯放大信號或者二級級聯放大信號的幅值是否等于或者接近一級級聯放大電路(14)或者二級級聯放大電路(15)的所能輸出的最大電壓值，如果判斷結果為是，則表示對應的放大電路處于飽和狀態；如果不是，則表示對應的放大電路沒有處于飽和狀態。全文摘要導溫系數測量方法，涉及到激光脈沖法測量材料熱物性參數的方法。它解決了現有激光脈沖法測量導溫系數方法的復雜、操作難度大的問題。它采用差動放大電路對采集到的測溫系統中光電探測器的信號和基準電壓信號源輸出的基準電壓信號進行比較，比較結果由數據采集模塊采集；測量方法為在恒溫狀態下調整基準電壓信號源輸出電壓使差動放大電路輸出為參考電壓V0，然后用激光源對被測試樣打激光，數據采集模塊開始連續采集差動放大電路輸出的差動電壓信號，直到采集到的差動電壓信號恢復到參考電壓V0，分析處理采集到的所有數據，獲得需要的時間參數，最后計算獲得導溫系數。本發明的測量方法操作簡便、易實現，可以應用到現有的光學測溫系統中。文檔編號G01N25/18GK101126731SQ200710072598公開日2008年2月20日申請日期2007年8月2日優先權日2007年8月2日發明者戴景民,辛春鎖申請人:哈爾濱工業大學