一种光热液体导热系数的测量方法及系统

本发明涉及光学测量，特别是一种光热液体导热系数的测量系统及方法。

背景技术：

1、测量液体导热系数的方法根据待测液体温度与时间的变化关系可主要分为稳态法和非稳态法两大类。

2、稳态法，是指在待测液体的温度分布达到稳定后才进行测量的方法。其原理基于一维稳态传热下的傅立叶定律，通过直接测量热通量及温度梯度计算出导热系数。主要包括平板法、圆筒法、圆球法三类。此类方法因其温度场稳定耗时，常需数小时甚至更久，且体系易产生自然对流。为确保一维热传导，需复杂装置控制边界条件，设备加工要求高。同时，检测自然对流影响需对比不同实验条件，操作繁琐。

3、稳态法测量液体导热系数的理论模型基于非稳态导热微分方程，通过待测液体中的温度分布随时间变化曲线确定液体导热系数。主要包括瞬态法、点热源法、激光闪射法等其他方法。此类方法设计复杂，成本高，且对液体需求量大，对实验环境和操作要求高。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于现有测量液体导热系数的方法复杂，成本高，对实验环境和操作要求高。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种光热液体导热系数的测量方法，其包括，包括，通过激光照射相位光阑，以使所述相位光阑的像成像在被测样品上；获取所述相位光阑的像的中心位置光强变化；建立所述相位光阑的像的中心位置的光强变化与所述被测样品导热系数的印证关系。

4、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：照射所述相位光阑的激光为进行准直扩束后的激光。

5、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：激光在照射所述相位光阑之前依次通过两个凸透镜和一个孔径光阑，两个所述凸透镜用于对激光进行准直扩束，所述孔径光阑用于调整入射光斑的大小。

6、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：所述被测样品放置于4f光学系统中两个凸透镜的共焦处，所述相位光阑放置于所述4f光学系统的前焦面处。

7、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：在所述4f光学系统的后焦面处放置光敏传感器，用于检测所述相位光阑的像的中心位置光强变化。

8、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：在所述4f光学系统的后焦面与所述光敏传感器之间依次放置衰减片和孔径光阑。

9、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：所述相位光阑由内向外依次包括中心透光区域、外环透光区域以及外围挡光区域，激光在穿过所述中心透光区域会产生相位差。

10、作为本发明所述光热液体导热系数的测量方法的一种优选方案，其中：所述相位光阑的中心透光区域通过镀膜的方式产生相位差。

11、本发明的另一个目的是提供一种光热液体导热系数的测量系统，该系统适用于上述的光热液体导热系数的测量方法，系统包括，光源扩束准直单元，其包括沿着光路依次设置的第一凸透镜、第二凸透镜以及第一孔径光阑；成像单元，包括依次设置于所述第一孔径光阑后续光路上的相位光阑、第三凸透镜、样品皿以及第四凸透镜；信号接收单元，包括依次设置于所述第四凸透镜后续光路上的衰减片、第二孔径光阑以及光电二极管。

12、作为本发明所述光热液体导热系数的测量系统的一种优选方案，其中：所述第三凸透镜和所述第四凸透镜共同组成4f成像系统，所述样品皿位于所述4f成像系统的共焦面处。

13、本发明有益效果为：相对于现有的稳态导热系数测量方式，本专利具有无需考虑液体对流，测量时间短需要液体量少等优点，相对于现有瞬态导热系数测量方式，本专利具有装置简单，相比瞬态热线方法，本发明利用聚焦激光光束替代热线，液体对光吸收替代热线加热，利用液体受热后相位监测替代温度测量，提高了温度检测精度，极大简化测量装置，大大减少了被测液体用量。

技术特征：

1.一种光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：照射所述相位光阑的激光为进行准直扩束后的激光。

3.如权利要求2所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：激光在照射所述相位光阑之前依次通过两个凸透镜和一个孔径光阑，两个所述凸透镜用于对激光进行准直扩束，所述孔径光阑用于调整入射光斑的大小。

4.如权利要求3所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：所述被测样品放置于4f光学系统中两个凸透镜的共焦处，所述相位光阑放置于所述4f光学系统的前焦面处。

5.如权利要求4所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：在所述4f光学系统的后焦面处放置光敏传感器，用于检测所述相位光阑的像的中心位置光强变化。

6.如权利要求5所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：在所述4f光学系统的后焦面与所述光敏传感器之间依次放置衰减片和孔径光阑。

7.如权利要求6所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：所述相位光阑由内向外依次包括中心透光区域、外环透光区域以及外围挡光区域，激光在穿过所述中心透光区域会产生相位差。

8.如权利要求7所述的光热液体导热系数的测量方法，其特征在于：所述相位光阑的中心透光区域通过镀膜的方式产生相位差。

9.一种光热液体导热系数的测量系统，其特征在于：适用于如权利要求1~8任一所述的测量方法，所述系统包括，

10.如权利要求9所述的光热液体导热系数的测量系统，其特征在于：所述第三凸透镜（202）和所述第四凸透镜（204）共同组成4f成像系统，所述样品皿（203）位于所述4f成像系统的共焦面处。

技术总结
本发明公开了一种光热液体导热系数的测量方法及系统，涉及光学测量领域，光热液体导热系数的测量方法包括通过激光照射相位光阑，以使所述相位光阑的像成像在被测样品上；获取所述相位光阑的像的中心位置光强变化；建立所述相位光阑的像的中心位置的光强变化与所述被测样品导热系数的印证关系。本发明相对于现有的稳态导热系数测量方式，本发明具有无需考虑液体对流，测量时间短需要液体量少等优点，相对于现有瞬态导热系数测量方式，本发明具有装置简单，相比瞬态热线方法，本发明利用聚焦激光光束替代热线，液体对光吸收替代热线加热，利用液体受热后相位监测替代温度测量，提高了温度检测精度，极大简化测量装置，大大减少了被测液体用量。

技术研发人员：杨勇,沈展旭,陈玥好,刘北一
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/23