基于激光点热源测固体材料热物性参数的方法及系统与流程

本发明涉及材料热物性参数测试技术领域，具体涉及基于激光点热源测固体材料热物性参数的方法及系统。

背景技术：

近年来，利用激光束形成固定点热源或移动线热源实现特殊工件的高精度焊接得到了广泛应用，当激光束照射在表面经特殊处理的(在透光工件表面涂抹石墨粉)试件上时，如距离较近(照射距离小于0.5m)，因漫反射、在空气中传递、透射等因素带来的激光能量损失可忽略不计，将形成具有具有的一定发热功率的点热源，并向试件中传递热量，针对此具有明确的数学模型。

与加热板、加热丝、加热棒等固态电加热热源相比，激光具有更好的可控性、热均匀和稳定性，从而在热物性测试中得到了广泛应用。例如激光光热法、激光闪射法等，但现有方法对实验条件要求较为严格，比如激光闪射法对试件表面平整度要求较高，否则将会因试样表面不平造成的表面积计算误差，给激光加热功率换算带来明显影响。同时激光闪射法理论模型仅能直接得到热扩散率，要想获取比热容等热物性参数，只能辅助其它手段，如标准试样对比法等实现，这一定程度上影响了参数测试精度。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于激光点热源测固体材料热物性参数的方法及系统，用于解决现有方法对实验条件要求较为严格，比如激光闪射法对试件表面平整度要求较高，否则将会因试样表面不平造成的表面积计算误差，给激光加热功率换算带来明显影响等问题；本发明通过以下技术方案予以实现：

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种测固体材料热物性参数的系统，包括激光发射器、真空箱、真空泵、气压计与数据采集组件，所述气压计与所述真空泵安装在所述真空箱的侧面，所述气压计包括检测头与表头且所述检测头贯穿所述真空箱的侧面并延伸至所述真空箱内腔；

所述真空箱的上表面活动设置有端盖，所述真空箱的左右两个侧面均设置有通孔，所述激光发射器包括发射镜头且所述发射镜头嵌设在所述通孔内，所述真空箱内腔底部的表面上固定设置有试样支架，所述试样支架上固定设置有绝热棉且所述绝热棉的上表面放置有试样，所述试样的下表面设置有温度测点；

所述数据采集组件包括信号采集模块、信号发射模块、信号接收模块与数字显示屏，所述信号采集模块与所述信号发射模块均设置在所述真空箱内，所述信号接收模块设置在所述真空箱外，所述信号采集模块内包括温度传感器且所述温度传感器设置在所述试样下表面的所述温度测点内，所述信号采集模块电连接所述信号发射模块，所述信号发射模块无线连接所述信号接收模块，所述信号接收模块通过串口连接所述数字显示屏；

优选的，所述信号发射模块与所述信号接收模块的型号均为433mhz无线模块。

一种测固体材料热物性参数的方法，其方法包括以下步骤：

步骤一：将所述试样一角磨平，形成面积约4mm2的平面；

步骤二：在所述试样磨平的所述平面上涂抹石墨粉；

步骤三：将所述信号采集与发射单元内的所述温度传感器安装在所述试样下表面的所述温度测点内；

步骤四：利用真空泵对真空箱内进行抽气，同时观察气压计的表头，当真空箱内的气压值达到设定后，关闭真空泵；

步骤五：将所述激光发射器的所述发射镜头安装在真空箱壁面，打开激光发射器的开关，设定好激光发射器功率和光斑大小，调整好激光发射器与试样之间的相对位置使激光光束对准所述试样顶角上的涂抹有石墨粉的所述平面上；

步骤六：计算试样内任意时刻任意一点位置处的温升为：

令

则

(三)有益效果

本发明提供了基于激光点热源测固体材料热物性参数的方法及系统，主要适用于固体材料的导热系数及热扩散率测量，具有以下有益效果：

1、利用激光热源，与试样底脚涂抹石墨粉处，形成恒功率边界，激光热源稳定性好且易于调控。

2、直接基于恒功率边界一维非稳态传热模型，利用参数估计法测固体材料导热系数及热扩散率，避免了对数学模型过度简化造成的误差。同时根据比热容参数估计灵敏度较低，估计误差较大的情况，采取了先估计热扩散率，然后对比热容估计值进行校正的策略，实现了对材料导热系数、比热容和热扩散率的同时准确估计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的有效计算结果判别流程图；

图2为本发明的结构原理图；

图3为本发明计算原理模型图；

图4为本发明的电性连接图；

图5为本发明纯铜试样导热系数及比热容灵敏度值的示意图；

图6为本发明玻璃试样导热系数及比热容灵敏度值的示意图。

图中：1、激光发射器；2、温度测点；3、试样支架；4、绝热棉；5、试样；6、真空泵；7、真空箱；8、信号采集模块；9、信号发射模块；10、信号接收模块；11、数字显示屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

一种测固体材料热物性参数的系统，包括激光发射器1、真空箱7、真空泵6、气压计与数据采集组件，所述气压计与所述真空泵6安装在所述真空箱7的侧面，所述气压计包括检测头与表头且所述检测头贯穿所述真空箱7的侧面并延伸至所述真空箱7内腔；

所述真空箱7的上表面活动设置有端盖，所述真空箱7的左右两个侧面均设置有通孔，所述激光发射器1包括发射镜头且所述发射镜头嵌设在所述通孔内，所述真空箱7内腔底部的表面上固定设置有试样5支架3，所述试样5支架3上固定设置有绝热棉4且所述绝热棉4的上表面放置有试样5，所述试样5的下表面设置有温度测点2；

所述数据采集组件包括信号采集模块8、信号发射模块9、信号接收模块10与数字显示屏11，所述信号采集模块8与所述信号发射模块9均设置在所述真空箱7内，所述信号接收模块10设置在所述真空箱7外，所述信号采集模块8内包括温度传感器且所述温度传感器设置在所述试样5下表面的所述温度测点2内，所述信号采集模块8电连接所述信号发射模块9，所述信号发射模块9无线连接所述信号接收模块10，所述信号接收模块10通过串口连接所述数字显示屏11；

优选的，所述信号发射模块9与所述信号接收模块10的型号均为433mhz无线模块。

一种测固体材料热物性参数的方法，其方法包括以下步骤：

步骤一：将所述试样5一角磨平，形成面积约4mm2的平面；

步骤二：在所述试样5磨平的所述平面上涂抹石墨粉；

步骤三：将所述信号采集与发射单元内的所述温度传感器安装在所述试样5下表面的所述温度测点2内；

步骤四：利用真空泵6对真空箱7内进行抽气，同时观察气压计的表头，当真空箱7内的气压值达到设定后，关闭真空泵6；

步骤五：将所述激光发射器1的所述发射镜头安装在真空箱7壁面，打开激光发射器1的开关，设定好激光发射器1功率和光斑大小，调整好激光发射器1与试样5之间的相对位置使激光光束对准所述试样5顶角上的涂抹有石墨粉的所述平面上；

步骤六：计算试样5内任意时刻任意一点位置处的温升为：

令

则

如图1所示，激光发射器1通过支架安装在真空箱7上对应的通孔上，激光发射器1发出斑点的大小以及功率可以通过调节自身的旋钮实现，被测试样5在试验之前，将其一侧顶角磨平并涂上石墨粉，安装在试样5支架3上的绝热棉4上，调整所述试样5支架3，使试样5被磨平的顶角处于激光照射范围之内，所述试样5下表面安装温度传感器，以上设备安装完成后，将真空箱7端盖闭合，打开真空泵6，观测真空泵6上的压力计的表头的数值，当真空箱7体内部的真空度得到设定之后，停止真空泵6，打开激光发射器1，温度测点2内的温度传感器可以实时测量温度，然后通过信号发射模块9与信号接收模块10传递至数字显示器处；

由于所述激光发射器1发出激光经过真空环境，激光在传递过程中能量损耗忽略不计；

试样5表面涂抹石墨粉增强试样5对激光的吸收率，可以近似看做激光发出的功率等于发射在试样5顶角磨平处的功率，形成恒功率热源边界；试样5各向同性，即形成三维非稳态传热条件，进而利用数学模型计算得到试样5热物性参数。

初温为t0，在试样5x＝0，y＝0，z＝0处，加热功率为q的点热源加热，如若忽略热流传递过程中的侧向热流损失，并假设试样5为各向同性且热物性均匀一致，用热力学第一定律和傅立叶定律，可以导出其传热方程为：

令r²＝x²+y²+z²(2)

边界条件：

τ＞0，r＝0：(4)

采用分离变量法，可得式(1)在初始条件(3)和边界条件(4)下的解析解为：

令

则(5)式改写为：

式中

在式(7)的基础上，且试样5热物性参数未知的情况下，由测得的r处的温度数据进行反演推算，也称参数估计。如前所述，从某一时刻开始试样5左下角涂抹石墨粉的顶角位置，被功率为q的激光点热源加热，该热源扰动为输入信号，记为u(τ)，试样5内任意一点处的温升记为y(τ,η)，其不但与试样5导热系数、比热容等热物性参数有关，还取决于热板加热时间、空间位置等，所有这些参数构成一个向量：

η＝(η1,η2,η3,......,ηm)^t(8)

其中m为参数个数。

此处试样5导热系数λ、比热容cp未知，密度ρ可实测获得，首先获得rp处测点的温度测量值y(τ,η)，然后基于估计的参数值，通过式(7)计算各离散测点的温度值θ(τ,η)，并进行对比：

ε(η)＝[y(τ,η)-θ(τ,η)]²(8)

由于测量误差以及参数估计误差的存在，ε(η)>0，估计试样5导热系数及热扩散率的反问题可归结为对式(9)进行迭代计算，最终使目标函数ε(η)→min。

参数向量η中的j个参数要能同时以足够的精度估计出来，必须满足在最小二乘估计意义下，测量时间范围内(参数估计的时间区间内)，参数的灵敏度线性无关。灵敏度系数反映了参数βj的微小扰动对输出的影响。

式(7)中待估计参数为：

η1＝λ,η2＝cp(10)

为检验对不同导热系数大小的材料参数估计可行性，分别选取玻璃和纯铜进行参数灵敏度分析。设玻璃物理参数为：厚度10mm，密度2530kg/m³，导热系数0.701w/m.℃，比热容750j/kg.℃。纯铜参数为：密度8930kg/m³，试样5厚度2mm，导热系数398w/m.℃，比热容386j/kg.℃。灵敏度系数计算结果分别如图3和图4所示。

如图4和图5可以看出，纯铜和玻璃的导热系数和比热容参数均灵敏度线性无关，但比热容cp灵敏度极小(仅10e-3数量级)，意味着直接对其进行估计误差将比较大。实际上在测得温度θ(x,τ)的情况下，式(7)中的λ/(ρcp)项即热扩散率a，将只有此一个未知数，可首先将热扩散率a求解出来，然后利用其对估计的比热容cp进行修正。也即，本系统首先采用随机共轭梯度法估计热扩散率，然后再对比热容估计结果进行修正，计算过程如下：

1)估计热扩散率a

(1)根据先验信息确定待反演参数的初始猜测值η0(此时参数向量η＝(a)^t)、设定一较小的大于零的数ζ作为退出控制误差。

(2)修改模型中的参数向量ηj：

式中和分别为修改前后的第j个参数；dηj表示第j个参数的基本偏离值，通过手工设定，用于控制模型参数的修改量；sign为符号函数，表示在相同概率下(0.5的概率)取值为1和-1；rand()产生[0,1]范围内的随机数。

(3)将参数修改前后的目标函数分别记为εold(η)和εnew(η)，其差值记为：△ε＝εold(η)-εnew(η)，当△ε<0时，p＝1；△ε>0时，p＝0。

(4)当p＝1时，接受修改后的模型，计算共轭系数、梯度、搜索方向及搜索步长等参量；共轭梯度法收敛后，保存反演估计值

(5)重复上述步骤(2)、(3)和(4)，比较每次接受的反演估计值，直到收敛到允许误差范围。

2)将待估参数向量更改为η＝(λ,cp)^t，然后按照步骤(1)至(5)估计导热系数λ及比热容cp。

3)根据热扩散率a及导热系数λ估计值修正比热容cp估计值。

由于被测试样5的厚度有限，激光点热源的热量由试样5底部传导到试样5上表面，随着时间的增长，能量在上表面集聚越来越多，温度也随之升高，最终影响测点的温度，从而影响热物性参数的计算结果。为避免此因素的影响，需利用以上计算方法，计算出相邻时刻热物性参数，比较相邻时刻热物性测算值λm和λm+1(m＝0,1,…,n-1)，用相对偏差△λdm恒量两对象间的数值偏差，设λm和λm+1的算术平均为λdm则为单个对象λm与的差值：

则如△λdm满足下列条件：

△λdm<ε(13)

可认为热物性测算值λm和λm+1均为有效结果，否则为无效结果，且后面的数据也被认为无效。最终可得到m+1个有效数据，取平均值作为最终热物性测试结果，具体流程图如下所示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。