專利名稱：一種超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度測量系統(tǒng)及其測量方法，更具體的涉及一種在超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)及其測量方法。
在激光醫(yī)療手術(shù)，激光與等離子束對材料表面的處理，快速高強度干燥以及航天、航空飛行器部件受高熱流急速加熱等高科技領(lǐng)域，經(jīng)常會面臨物體表面因受高熱流超急速加熱而出現(xiàn)溫度急驟變化的情況，其溫度變化率可達103K/s以上，甚至達到109K/s。此時，準確測量該物體的瞬變溫度特性，對于這些超常傳熱過程的熱控制是不可缺少和至關(guān)重要的。
由于制造工藝和方法本身的限制，傳統(tǒng)測溫手段(如熱電偶測溫)的溫度響應速率不可能達到103Hz以上，對這些超急速傳熱條件的溫度測量遠遠不夠。新興的掃描熱顯微鏡測溫的頻響速度也不是很高(大約105Hz)(參考Shi Li，Majumdar Arun.Recent developments in microscaletemperature measurement techniques.InInternational Conference on HeatTransfer and Transport Phenomena in Microsystems，Banff，Canada，October15-20，2000.New YorkBegell House，2000.12-23.)，而且造價昂貴。利用介質(zhì)的光學特性(如反射率、折射率)與溫度的依變關(guān)系，通過測定物體的光學特性參數(shù)，就可確定其溫度。近年來，逐漸發(fā)展起來一種光學測量方法——pump-and-probe方法(參見Qiu T.Q.，Juhasz T，Suarez C，TienC etc.Femtosecond laser heating of muti-layer metals-II.Experiments.Int.J.Heat Mass Transfer，1994，37(17)2799-2808.)。將兩束光投射到物體上，一束光用作加熱光(pump光)，另一束用作測量光(probe光)。通過控制兩束光的光程，使它們到達物體的時間存在一定的延遲，該延遲時間即為物體被加熱光作用后某一時刻的溫度。改變probe光光程，多次測量，再將各次測量結(jié)果疊加，即可得到物體在加熱光束作用下的瞬態(tài)溫度變化曲線。具體操作時，兩束光的光程差用步進電機進行控制，只要步進電機的機械動作足夠精確，該測溫方法的頻響速度不成問題。但這種方法實驗裝置復雜，實驗調(diào)試難度較大，而且數(shù)據(jù)處理比較麻煩，對步進電機的控制精度也要求十分高。
本發(fā)明的目的在于提供一種在室溫條件下，非金屬多孔材料與生物質(zhì)材料在瞬時受高熱流作用時的瞬態(tài)溫度變化的測試方法。利用這種方法，可以快速簡便地測出這些材料在瞬時(短于1秒至微秒量級)受高熱流(1～104MW/m2)作用時的溫度變化率、溫度變化曲線、熱量傳播速度以及熱松弛時間等重要熱物理參數(shù)，從而為這些超常傳熱過程的控制提供重要依據(jù)。
在根據(jù)本發(fā)明的溫度測量方法中，該系統(tǒng)由脈沖激光加熱器1，薄膜電阻溫度傳感器2，信號調(diào)制器3，高速數(shù)字示波器4和計算機5等重要部件組成，且該測量方法包含試件安裝、計算機控制脈沖激光器到等待狀態(tài)、調(diào)示波器參數(shù)到信號捕捉狀態(tài)、激光脈沖加熱，實驗信號采集和數(shù)據(jù)處理，計算物性參數(shù)等過程。
通過本發(fā)明的上述溫度測量方法，可以快速簡便地測出這些材料在瞬時(短于1秒至微秒量級)受高熱流(1～104MW/m2)作用時的溫度變化率、溫度變化曲線、熱量傳播速度以及熱松弛時間等重要熱物理參數(shù)，從而為這些超常傳熱過程的控制提供重要依據(jù)。
下面將結(jié)合相應附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細描述。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)的方框圖；圖2為應用根據(jù)本發(fā)明的一種超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量方法的流程圖。
本發(fā)明采用的測量系統(tǒng)如圖1上部所示。該系統(tǒng)由脈沖激光加熱器1，薄膜電阻溫度傳感器2，信號調(diào)制器3，高速數(shù)字示波器4和計算機5等重要部件組成。脈沖激光加熱器1的輸出功率密度為1～104MW/m2，脈沖寬度為1～30μs，光斑直徑為1～10μm，激光波長為1.06μm。薄膜電阻溫度傳感器2的基體為石英玻璃棒，其端部表面用真空沉積方法鍍有一條厚度為1μm左右的鉑金線，試樣溫度的變化將引起鉑金線的電阻變化。該電阻溫度傳感器的響應頻率可達1MHz。信號調(diào)制器3將電阻溫度傳感器2測得的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并送入數(shù)字示波器4記錄，該數(shù)字示波器的記錄頻率可達500MHz。計算機5用于控制測量過程。
試驗件的具體部置如圖1下部所示。薄片狀試件置于有良好絕熱的金屬測試盒(具有良好的屏蔽外界電磁場干擾的作用)中，在試件下方裝有溫度傳感器2，緊貼試件上方裝有一塊特制的光學玻璃，該光學玻璃的底部(即與試件的接觸面)用真空沉積方法鍍有一層厚度為1～2μm的鉑金膜，當脈沖激光自上而下透過光學玻璃照射到鉑金鍍膜上時，該鉑金鍍膜因受脈沖激光加熱而急驟升溫，并將熱量傳給受其緊壓的待測材料試件，使試件因受表面超急速加熱而產(chǎn)生溫度變化，這種變化的幅度及其隨時間變化的瞬變曲線即可通過電阻溫度傳感器、信號調(diào)制器和數(shù)字示波器測得并記錄下來。
測試方法流程如圖2所示。其主要包含試件安裝、計算機控制脈沖激光器到等待狀態(tài)、調(diào)示波器參數(shù)到信號捕捉狀態(tài)、激光脈沖加熱，實驗信號采集和數(shù)據(jù)處理，計算物性參數(shù)等過程。首先，將試件按圖1下部所示進行安裝。然后，根據(jù)實驗所需的加熱條件控制激光器到激光脈沖輸出前的等待狀態(tài)，激光脈沖的功率密度、脈沖寬度以及光斑直徑等參數(shù)可在微機控制下進行預設(shè)。根據(jù)預設(shè)的激光脈沖加熱條件，調(diào)節(jié)數(shù)字示波器各參數(shù)到與之相匹配的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。只有當數(shù)字示波器的橫向時間刻度(scale)、縱向電壓刻度以及采樣頻率等參數(shù)設(shè)置適當時，才有可能捕捉到有用的實驗信號。當激光器和示波器都準備好以后，計算機向激光器發(fā)出輸出激光指令，試樣在激光脈沖作用下溫度迅速變化，從而導致熱敏電阻的電阻發(fā)生變化，變化的電阻信號通過信號調(diào)理器后轉(zhuǎn)化為動態(tài)電壓信號并被示波器記錄下來。最后一道程序即是實驗信號的分析和處理以及熱物性參數(shù)的計算。
本發(fā)明可廣泛用于動物與人體材料，植物材料，玻璃、陶瓷、石墨、金鋼石、紙張等多孔材料以及其它非金屬材料的超急速溫度變化特性的測量。
權(quán)利要求
1.一種超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包含脈沖激光加熱器、薄膜電阻溫度傳感器、信號調(diào)制器、高速數(shù)字示波器和計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)，其特征在于其中脈沖激光加熱器的輸出功率密度達MW/m2量級，脈沖寬度為微秒量級，激光波長為1.06μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)，其特征在于其中薄膜電阻溫度傳感器2的響應頻率可達1MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)，其特征在于信號調(diào)制器將電阻溫度傳感器測得的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并送入高頻數(shù)字示波器記錄。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng)，其特征在于計算機用于控制測量過程。
6.一種超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量方法，其特征在于其主要包含試件安裝、計算機控制脈沖激光器到等待狀態(tài)、調(diào)示波器參數(shù)到信號捕捉狀態(tài)、激光脈沖加熱，實驗信號采集和數(shù)據(jù)處理，計算物性參數(shù)等過程。
全文摘要
一種超急速傳熱條件下的瞬變溫度測量系統(tǒng),該系統(tǒng)包含:脈沖激光加熱器、薄膜電阻溫度傳感器、信號調(diào)制器、高速數(shù)字示波器和計算機,利用該系統(tǒng)的測量方法包含試件安裝、計算機控制脈沖激光器到等待狀態(tài)、調(diào)示波器參數(shù)到信號捕捉狀態(tài)、激光脈沖加熱,實驗信號采集和數(shù)據(jù)處理,計算物性參數(shù)等過程。
文檔編號G01K7/16GK1382961SQ0111547
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
發(fā)明者劉登瀛, 蔣方明 申請人:中國科學院工程熱物理研究所