专利名称：一种超急速传热条件下的瞬变温度测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种温度测量系统及其测量方法，更具体的涉及一种在超急速传热条件下的瞬变温度测量系统及其测量方法。
在激光医疗手术，激光与等离子束对材料表面的处理，快速高强度干燥以及航天、航空飞行器部件受高热流急速加热等高科技领域，经常会面临物体表面因受高热流超急速加热而出现温度急骤变化的情况，其温度变化率可达103K/s以上，甚至达到109K/s。此时，准确测量该物体的瞬变温度特性，对于这些超常传热过程的热控制是不可缺少和至关重要的。
由于制造工艺和方法本身的限制，传统测温手段(如热电偶测温)的温度响应速率不可能达到103Hz以上，对这些超急速传热条件的温度测量远远不够。新兴的扫描热显微镜测温的频响速度也不是很高(大约105Hz)(参考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.)，而且造价昂贵。利用介质的光学特性(如反射率、折射率)与温度的依变关系，通过测定物体的光学特性参数，就可确定其温度。近年来，逐渐发展起来一种光学测量方法——pump-and-probe方法(参见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.)。将两束光投射到物体上，一束光用作加热光(pump光)，另一束用作测量光(probe光)。通过控制两束光的光程，使它们到达物体的时间存在一定的延迟，该延迟时间即为物体被加热光作用后某一时刻的温度。改变probe光光程，多次测量，再将各次测量结果叠加，即可得到物体在加热光束作用下的瞬态温度变化曲线。具体操作时，两束光的光程差用步进电机进行控制，只要步进电机的机械动作足够精确，该测温方法的频响速度不成问题。但这种方法实验装置复杂，实验调试难度较大，而且数据处理比较麻烦，对步进电机的控制精度也要求十分高。
本发明的目的在于提供一种在室温条件下，非金属多孔材料与生物质材料在瞬时受高热流作用时的瞬态温度变化的测试方法。利用这种方法，可以快速简便地测出这些材料在瞬时(短于1秒至微秒量级)受高热流(1～104MW/m2)作用时的温度变化率、温度变化曲线、热量传播速度以及热松弛时间等重要热物理参数，从而为这些超常传热过程的控制提供重要依据。
在根据本发明的温度测量方法中，该系统由脉冲激光加热器1，薄膜电阻温度传感器2，信号调制器3，高速数字示波器4和计算机5等重要部件组成，且该测量方法包含试件安装、计算机控制脉冲激光器到等待状态、调示波器参数到信号捕捉状态、激光脉冲加热，实验信号采集和数据处理，计算物性参数等过程。
通过本发明的上述温度测量方法，可以快速简便地测出这些材料在瞬时(短于1秒至微秒量级)受高热流(1～104MW/m2)作用时的温度变化率、温度变化曲线、热量传播速度以及热松弛时间等重要热物理参数，从而为这些超常传热过程的控制提供重要依据。
下面将结合相应附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1为根据本发明的一种超急速传热条件下的瞬变温度测量系统的方框图；图2为应用根据本发明的一种超急速传热条件下的瞬变温度测量方法的流程图。
本发明采用的测量系统如图1上部所示。该系统由脉冲激光加热器1，薄膜电阻温度传感器2，信号调制器3，高速数字示波器4和计算机5等重要部件组成。脉冲激光加热器1的输出功率密度为1～104MW/m2，脉冲宽度为1～30μs，光斑直径为1～10μm，激光波长为1.06μm。薄膜电阻温度传感器2的基体为石英玻璃棒，其端部表面用真空沉积方法镀有一条厚度为1μm左右的铂金线，试样温度的变化将引起铂金线的电阻变化。该电阻温度传感器的响应频率可达1MHz。信号调制器3将电阻温度传感器2测得的电阻信号转换为电压信号，并送入数字示波器4记录，该数字示波器的记录频率可达500MHz。计算机5用于控制测量过程。
试验件的具体部置如图1下部所示。薄片状试件置于有良好绝热的金属测试盒(具有良好的屏蔽外界电磁场干扰的作用)中，在试件下方装有温度传感器2，紧贴试件上方装有一块特制的光学玻璃，该光学玻璃的底部(即与试件的接触面)用真空沉积方法镀有一层厚度为1～2μm的铂金膜，当脉冲激光自上而下透过光学玻璃照射到铂金镀膜上时，该铂金镀膜因受脉冲激光加热而急骤升温，并将热量传给受其紧压的待测材料试件，使试件因受表面超急速加热而产生温度变化，这种变化的幅度及其随时间变化的瞬变曲线即可通过电阻温度传感器、信号调制器和数字示波器测得并记录下来。
测试方法流程如图2所示。其主要包含试件安装、计算机控制脉冲激光器到等待状态、调示波器参数到信号捕捉状态、激光脉冲加热，实验信号采集和数据处理，计算物性参数等过程。首先，将试件按图1下部所示进行安装。然后，根据实验所需的加热条件控制激光器到激光脉冲输出前的等待状态，激光脉冲的功率密度、脉冲宽度以及光斑直径等参数可在微机控制下进行预设。根据预设的激光脉冲加热条件，调节数字示波器各参数到与之相匹配的数据采集状态。只有当数字示波器的横向时间刻度(scale)、纵向电压刻度以及采样频率等参数设置适当时，才有可能捕捉到有用的实验信号。当激光器和示波器都准备好以后，计算机向激光器发出输出激光指令，试样在激光脉冲作用下温度迅速变化，从而导致热敏电阻的电阻发生变化，变化的电阻信号通过信号调理器后转化为动态电压信号并被示波器记录下来。最后一道程序即是实验信号的分析和处理以及热物性参数的计算。
本发明可广泛用于动物与人体材料，植物材料，玻璃、陶瓷、石墨、金钢石、纸张等多孔材料以及其它非金属材料的超急速温度变化特性的测量。
权利要求
1.一种超急速传热条件下的瞬变温度测量系统，其特征在于该系统包含脉冲激光加热器、薄膜电阻温度传感器、信号调制器、高速数字示波器和计算机。
2.根据权利要求1所述的超急速传热条件下的瞬变温度测量系统，其特征在于其中脉冲激光加热器的输出功率密度达MW/m2量级，脉冲宽度为微秒量级，激光波长为1.06μm。
3.根据权利要求1所述的超急速传热条件下的瞬变温度测量系统，其特征在于其中薄膜电阻温度传感器2的响应频率可达1MHz。
4.根据权利要求1所述的超急速传热条件下的瞬变温度测量系统，其特征在于信号调制器将电阻温度传感器测得的电阻信号转换为电压信号，并送入高频数字示波器记录。
5.根据权利要求1所述的超急速传热条件下的瞬变温度测量系统，其特征在于计算机用于控制测量过程。
6.一种超急速传热条件下的瞬变温度测量方法，其特征在于其主要包含试件安装、计算机控制脉冲激光器到等待状态、调示波器参数到信号捕捉状态、激光脉冲加热，实验信号采集和数据处理，计算物性参数等过程。
全文摘要
一种超急速传热条件下的瞬变温度测量系统,该系统包含:脉冲激光加热器、薄膜电阻温度传感器、信号调制器、高速数字示波器和计算机,利用该系统的测量方法包含试件安装、计算机控制脉冲激光器到等待状态、调示波器参数到信号捕捉状态、激光脉冲加热,实验信号采集和数据处理,计算物性参数等过程。
文档编号G01K7/16GK1382961SQ0111547
公开日2002年12月4日 申请日期2001年4月27日 优先权日2001年4月27日
发明者刘登瀛, 蒋方明 申请人:中国科学院工程热物理研究所