基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料热导率测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于红外热成像 技术的金属薄板热导率测量方法。
【背景技术】
[0002] 热导率，又称导热系数，是指在稳定传热条件下，Im厚的材料，两侧表面的温差为 1度，在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度。材料导热系数的测量对 材料特性研宄和工业应用都有重要的意义。
[0003] 通常，物质的导热系数可以通过理论和实验两种方式来获得。理论上，从物质微观 结构出发，通过研宄物质的导热机理，建立导热的物理模型，经过复杂的数学分析和计算可 以获得导热系数。但由于理论的适用性受到限制，而且随着新材料的快速增多，仍未找到足 够精确且适用于范围广泛的理论方程。实验测定方法现已发展了多种，它们有不同的适用 领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸要求等，目前导热系数的实验测定方法分为稳态 法和非稳态法两大类，具有各自不同的测试原理。稳态法是经典的保温材料的导热系数测 定方法，至今仍受到广泛应用，它适合在中等温度下测量的导热系数材料。
[0004] 非稳态法是最近几十年内开发的新方法，用于研宄高导热系数材料，或在高温度 条件下进行测量。热线法是应用比较多的方法，这种方法测量时间比较短，所测量材料的导 热系数范围宽。激光闪光法测量材料导热系数是根据导热系数与热扩散系数a、比热容C和 体积密度P三者之间的关系，在测出试样的P、a和c后，计算得到材料的导热系数。不同 方法对同一样品的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法是首要的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于红外热成像技术的金属薄 板热导率测量方法，通过分析待测金属薄板表面的热辐射能分布变化数据得到热导率，具 有测量精度高、操作简单、对测量环境要求低且测量速度快的优点。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法， 包括以下步骤：
[0007] Sl :在预设时间T内按照预设功率P向待测金属薄板注入热量；
[0008] S2 :采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像；
[0009] S3 :在时刻tQ的热福射能量图像中选择N个待测像素点p η1，η = 1，2,…，N，得到 在温度传导方向上、位于待测点Pnl前后、与待测点s "均为距离d的两个像素点ρ n(l、Pn2,计 算出温度梯度\ ，其中五：〇表示像素点Pn。在热辐射能量图像t ^的热辐射能量， 表示像素点Pn2在热辐射能量图像t ^的热辐射能量；
[0010] S4 :选择时刻t1= t。+ Λ t的热辐射能量图像，计算热辐射能量变化率Λ = ， 其中S1表示待测像素点Pnl在热辐射能量图像t ^的热辐射能量，< 表示待测像素点Pnl在 热辐射能量图像^的热辐射能量；
[0011] S5 :计算各个待测像素点的相对热导率= ; Sn Λ 1 -, Λ
[0012] S6 :计算待测金属薄板的相对热导率d = ; 丄\ η:\
[0013] S7 :用步骤SI至S6的相同方法得到已知热导率为γ。的金属薄板的相对热导率 $ ^计算得到比例系数;
[0014] S8 :计算待测金属薄板的热导率_./ =衫。
[0015] 本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，在短时间内向待测金属 薄板注入热量，然后采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图 像，选取时刻h的热辐射能量图像，选择若干个待测像素点，根据待测像素点沿热传导方 向上前后两个点的像素点的热辐射能量，计算得到温度梯度，再根据时刻h和时刻1 1= At的热辐射能量图像计算得到热辐射能量变化率，计算得到相对热导率；然后采用同 样方法对已知热导率的金属薄板进行测量得到对应的相对热导率，计算得到比例系数，然 后根据比例系数和待测金属薄板的相对热导率计算得到待测金属薄板的热导率。
[0016] 本发明通过计算热辐射能量图像中某点热辐射能在热传导方向上的梯度和时间 轴方向上的差值，间接测量材料该点的瞬时温度梯度和热流密度进而计算得到相对热传导 系数。本发明技术方案的测量时间短、操作简单；温度范围与导热系数范围宽；计算精度 高，对环境要求低。
【附图说明】
[0017] 图1是金属薄板表面热辐射能时空数据分布示意图；
[0018] 图2是沿热传导方向的热平衡过程曲线示意图；
[0019] 图3本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法的流程图；
[0020] 图4是采用脉冲激励空心线管对待测金属薄板进行加热的示意图；
[0021] 图5是待测金属薄板的红外热成像示例图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0023] 为了更好地说明本发明的技术方案，首先对本发明所运用的原理进行说明。
[0024] 图1是金属薄板表面热辐射能时空数据分布示意图。图2是沿热传导方向的热平 衡过程曲线示意图。如图1和图2所示，以X轴作为金属薄板表面的热传导方向。红外热 成像仪所采集到的金属薄板表面热辐射能量图像序列，包含了热辐射能时空分布数据，记 录了热量沿热传导方向热平衡的整个过程。特定的某点（图1和图2中的P 1)在整个热传 导过程中温度的绝对值变化很小，热辐射能与温度之间、热能量之间都可近似为线性关系， 那么沿热传导方向（X轴）的热导率γ的计算公式可表示为：
[0025] ?Μ'-Ρ?'ψ- ⑴ \ ut J OX
[0026] 其中，#为热辐射能随时间的变化率，$表示表面热辐射能在热传导方向（X Ot CX 轴）上的梯度，k表示比例系数。
[0027] 图3本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法的流程图。如图3所 示，本发明基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法包括以下步骤：
[0028] S301 :注入热量：
[0029] 在预设时间T内按照预设功率P向待测金属薄板注入热量。注入热量的时间不宜 过长，功率也不宜过大，一般来说时间T应当控制在T < 2秒，功率可以根据金属薄板的材 质、大小和厚度来确定。
[0030] S302 :获取热辐射能量图像：
[0031] 在注入热量后，采用红外热成像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能 量图像。显然，红外热成像仪应该在热量注入完成之后即开始获取图像。
[0032] S303 :计算待测像素点的温度梯度：
[0033] 选择时刻h的热辐射能量图像中的N个待测像素点p η1，η = 1，2,…，N，N的取值 范围为N多1，得到在温度传导方向上、位于待测点ρη1前后、与待测点s "均为距离d的两个 像素点P