一种激光照射下材料空间温度场分布的测量系统及测量方法

本发明涉及红外热像仪温度测量，尤其是一种激光照射下材料空间温度场分布的测量系统及测量方法。

背景技术：

0、技术背景

1、材料受激光照射升温，提高激光能量密度至损伤阈值时，表面发生熔融或者气化等不可逆转的热破坏，使材料改变或者失去原有功能，发射率发生改变，所测表面温度随之变化。因此，通过建立激光照射下空间温度场分布测量系统，可以判断材料是否发生损伤。

2、1800年，f.w.赫胥尔发现红外线，为红外技术的应用开拓了广阔的发展空间。1880年，langley发明辐射热测量计，为红外测温技术奠定基础。直至1958年，由于军事需求，瑞典aga公司研制出第一台具备测温功能的红外热像仪。随着工业生产、医学检测、环境监控等领域的技术发展，红外热像测温系统逐渐进入商业领域。

3、现阶段温度测量方式大致可以分为两类，接触式测温和非接触式测温。由于接触式测温法测量速度慢、容易破坏材料表面，非接触式测温成为主流测量方式，具有简单、快捷、样品无损、测量上限高等优点，然而无法实现对目标温度场分布的连续测量，自动化程度低且需要人工测量温度，在高能激光工作环境下容易造成人体危害。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种激光照射下材料空间温度场分布的测量系统及测量方法。旨在解决现有技术难以实现对目标温度场分布连续自动化测量的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种激光照射下材料空间温度场分布的测量系统，其特点在于，包括脉冲激光器，沿所述的脉冲激光器的输出光束方向依次设置第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜、第一小孔光阑、圆形金属膜中性密度渐变滤光片、会聚透镜、第二小孔光阑、待测样品、红外热像仪；所述的待测样品由固定支架固定；所述的红外热像仪放置在360°可旋转导轨支架上；所述的红外热像仪与计算机电连接；

4、所述的可旋转导轨支架的底盘与所述的空心轴步进电机焊接，所述的空心轴步进电机通过单片机与所述的计算机电连接，所述的空心轴步进电机与驱动器连接，该驱动器与稳压电源连接，所述的空心轴步进电机的内轴的半径大于所述的固定支架的轴的半径，所述的固定支架的轴竖直地插入所述的空心轴步进电机的内轴中；

5、所述的圆形金属膜中性密度渐变滤光片设置在电动旋转台上，该电动旋转台的控制器与所述的计算机电连接；所述的会聚透镜放置在三维精密位移平台上。

6、所述的第一镀膜全反镜、第二镀膜全反镜与光轴的夹角均为45°。

7、利用上述激光照射下材料空间温度场分布的测量系统测量材料空间温度场分布的方法，包括下列步骤：

8、1)打开所述的脉冲激光器，根据测量需要，选择激光输出波长、重复频率和初始能量；

9、2)调整所述的第一镀膜全反镜和所述的第二镀膜全反镜使激光方向经过所述的第一小孔光阑和第二小孔光阑的等高度的中心；

10、3)调整所述的三维精密位移平台，保证所述的会聚透镜的中心与主光路重合；

11、4)将所述的待测样品放置在所述的固定支架上，调节所述的待测样品，使其表面与主光路垂直；

12、5)打开所述的红外热像仪，调整所述的红外热像仪所在所述的可旋转导轨支架的位置，使所述的待测样品可以清晰成像在所述的计算机中；

13、6)打开所述的计算机的上位软件串口，设置所述的空心轴步进电机的转动参数，包括转动方向、转动步长δα以及等待时间t；通过所述的计算机设置所述的电动旋转台的转动参数，包括初始角度θ0、转动步长δθ和终止角度θ；令i＝1；

14、7)所述的电动旋转台转动到对应的角度θi，对应一个能量

15、8)所述的空心轴步进电机每转动到一个角度αj对应一个温度tj，其中，αj＝j*δα，j＝0，1，2，...，360/δα；同时所述的计算机设置所述的红外热像仪，使所述的红外热像仪在等待时间t内自动完成温度测量并输入所述的计算机保存数据；

16、9)令i＝i+1，当测量角度θi＜终止角度θ时，返回步骤7)，当测量角度θi＞终止角度θ时，测量完毕后重新回到初始角度。

17、本发明的有益效果如下：

18、当被测样品表面存在缺陷时，对激光反射率与反射方向存在差异，近距离测量时，红外热像仪对被测样品表面温度测量不完整；当激光损伤样品时，其发射率发生改变，测量温度发生变化；因此，连续温度测量可以得到样品表面所有位置发射率变化进一步判断样品是否存在缺陷或发生损伤。

19、本发明该系统采用空心轴步进电机与上位机软件结合，控制简单方便；采用红外热像仪与计算机进行全空间实时监测样品温度变化情况；该系统实现自动化控制，具有集成度高、测量快速、灵敏度高的特点；利用非接触式测温方式，提供检测样品是否损伤的方法。

技术特征：

1.一种激光照射下材料空间温度场分布的测量系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)，沿所述的脉冲激光器(1)的输出光束方向依次设置第一镀膜全反镜(2)、第二镀膜全反镜(3)、第一小孔光阑(4)、圆形金属膜中性密度渐变滤光片(5)、会聚透镜(6)、第二小孔光阑(7)、待测样品(8)、红外热像仪(9)；所述的待测样品(8)由固定支架(12)固定；所述的红外热像仪(9)放置在360°可旋转导轨支架(13)上；所述的红外热像仪(9)与计算机(18)电连接；

2.根据权利要求1所述的测量材料温度的系统，其特征在于，所述的第一镀膜全反镜(2)、第二镀膜全反镜(3)与光轴的夹角均为45°。

3.利用基于权利要求1所述的激光照射下材料空间温度场分布的测量系统测量材料空间温度场分布的方法，其特征在于，包括下列步骤：

技术总结
一种激光照射下材料空间温度场分布的测量系统及测量方法，其中，测量方法是将红外技术和激光技术结合，利用红外热像仪实现全空间样品温度的测试；材料受激光照射升温，达到损伤阈值时表面发生不可逆转的热破坏，发射率发生改变，所测表面温度随之变化。本发明采用红外热像仪与计算机软件结合可以实现材料空间温度场分布的实时监测；利用非接触式测温方式，提供检测样品是否损伤的方法；实现了自动化控制，具有集成度高、测量快速、灵敏度高的特点。

技术研发人员：董宁宁,王梓鑫,颜周源,王俊
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13