利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法
【專利摘要】利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法，本發(fā)明涉及一種測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法。其步驟為：激光照射半透明材料的一側(cè)表面，利用熱電偶測(cè)溫儀測(cè)量并記錄材料兩表面溫度隨時(shí)間的變化，同步使用激光功率計(jì)分別測(cè)量試件激光入射側(cè)的半球反射輻射信號(hào)和激光出射側(cè)的半球透射輻射信號(hào)。根據(jù)激光透射輻射信號(hào)、反射輻射信號(hào)以及兩表面隨時(shí)間變化的溫度，通過(guò)逆問(wèn)題求解技術(shù)獲得半透明材料的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。本發(fā)明通過(guò)建立測(cè)量半透明材料吸收系數(shù)、散射系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的正、逆問(wèn)題模型，能簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的利用逆問(wèn)題求解技術(shù)同時(shí)測(cè)量半透明材料吸收系數(shù)、散射系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。
【專利說(shuō)明】利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料吸收系數(shù)、散射系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)的方法，屬于半透明材料熱物性參數(shù)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]半透明材料是指其光譜光學(xué)厚度在某個(gè)或若干個(gè)波段范圍內(nèi)為有限值的材料。涉及到航天、軍事、能源、化工以及生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。其在航天飛行器光學(xué)窗口優(yōu)化設(shè)計(jì)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷零件制造、光學(xué)晶體生長(zhǎng)、光學(xué)纖維和光學(xué)組件的制造、高溫?zé)崮艽尜A系統(tǒng)中相變材料的熔化和凝固以及生物組織中輻射傳輸反問(wèn)題研究等問(wèn)題中有重要應(yīng)用。
[0003]吸收系數(shù)和散射系數(shù)是表征半透明材料輻射傳輸特性的重要輻射特性參數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)是表征半透明材料中熱傳導(dǎo)特性的重要熱物性參數(shù)，所以通過(guò)對(duì)半透明材料吸收系數(shù)、散射系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法的研究積累各種半透明材料的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)于上述半透明材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究具有重要的意義。現(xiàn)有半透明材料吸收系數(shù)、散射系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法中，測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)量精度低等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有半透明材料吸收系數(shù)、散射系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法中，測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)量精度低等問(wèn)題，提出了一種利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明所述一種利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)(半透明材料熱物性參數(shù)包括吸收系數(shù)、散射系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù))的方法，該方法的具體步驟為:
[0007]步驟一、將待測(cè)半透明材料制作成厚度為δ的扁平試件，將激光器對(duì)準(zhǔn)試件左側(cè)中心，并使激光方向垂直于試件表面，并且分別將兩只連接到熱電偶溫度測(cè)量?jī)x上的熱電偶探頭固定在試件左右兩側(cè)；
[0008]步驟二、打開(kāi)脈沖激光器對(duì)試件左側(cè)表面進(jìn)行一個(gè)脈沖的加熱，與此同時(shí)使用熱電偶測(cè)溫儀同步測(cè)量得到左側(cè)激光入射表面溫度隨時(shí)間的變化為Twl (t)，右側(cè)表面溫度隨時(shí)間的變化為Tw2(t)，并且同步使用激光功率計(jì)分別測(cè)量試件激光入射側(cè)的半球反射輻射信號(hào)QK(t)和激光出射側(cè)的半球透射輻射信號(hào)QT(t);其中測(cè)量時(shí)間間隔為dt，總測(cè)量時(shí)間為N倍激光脈沖寬度tp ；
[0009]步驟三、根據(jù)逆問(wèn)題算法假設(shè)待測(cè)材料的吸收系數(shù)K a、散射系數(shù)K s和導(dǎo)熱系數(shù)λ ;通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程(I)和瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程(2)的耦合求解，得到在假設(shè)吸收系數(shù)Ka、散射系數(shù)Ks和導(dǎo)熱系數(shù)λ條件下的材料兩側(cè)面邊界溫度響應(yīng)估計(jì)值T' wl(t)和T' w2(t)，以及激光入射側(cè)的半球反射輻射信號(hào)估計(jì)值Q' K(t)和激光出射側(cè)的半球透射輻射信號(hào)估計(jì)值V x(t)；
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法，其特征在于，該方法的具體步驟為: 步驟一、將待測(cè)半透明材料制作成厚度為δ的扁平試件，將激光器對(duì)準(zhǔn)試件左側(cè)中心，并使激光方向垂直于試件表面，并且分別將兩只連接到熱電偶溫度測(cè)量?jī)x上的熱電偶探頭固定在試件左右兩側(cè)； 步驟二、打開(kāi)脈沖激光器對(duì)試件左側(cè)表面進(jìn)行一個(gè)脈沖的加熱，與此同時(shí)使用熱電偶測(cè)溫儀同步測(cè)量得到左側(cè)激光入射表面溫度隨時(shí)間的變化為Twl (t)，右側(cè)表面溫度隨時(shí)間的變化為Tw2 (t)，并且同步使用激光功率計(jì)分別測(cè)量試件激光入射側(cè)的半球反射輻射信號(hào)Qe(t)和激光出射側(cè)的半球透射輻射信號(hào)QT(t);其中測(cè)量時(shí)間間隔為dt，總測(cè)量時(shí)間為N倍激光脈沖寬度tp ； 步驟三、根據(jù)逆問(wèn)題算法假設(shè)待測(cè)材料的吸收系數(shù)Ka、散射系數(shù)Ks和導(dǎo)熱系數(shù)λ ；通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程(I)和瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程(2)的耦合求解，得到在假設(shè)吸收系數(shù)Ka、散射系數(shù)Ks和導(dǎo)熱系數(shù)λ條件下的材料兩側(cè)面邊界溫度響應(yīng)估計(jì)值T' wl(t)和T' w2(t)，以及激光入射側(cè)的半球反射輻射信號(hào)估計(jì)值Q' K(t)和激光出射側(cè)的半球透射輻射信號(hào)估計(jì)值V T(t)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法，其特征在于，步驟三中所述被測(cè)材料壁面的溫度響應(yīng)及半球反射輻射信號(hào)和半球透射輻射信號(hào)的計(jì)算為一個(gè)瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程和一個(gè)穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程的耦合求解過(guò)程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用脈沖激光加熱產(chǎn)生的瞬態(tài)光熱信號(hào)測(cè)量半透明材料熱物性參數(shù)的方法，其特征在于，步驟三中所述的逆問(wèn)題算法采用改進(jìn)的模擬退火一隨機(jī)微粒群混 合算法實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK103528978SQ201310533554
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】齊宏, 牛春洋, 姚禹辰, 阮立明 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)