一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及热物性测量，具体是一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法。

背景技术：

1、热扩散系数、热导率、比热容、表面发射率等是各类材料的重要物理参数，在涉及传热工程领域有着广泛的应用背景。但各种材料的热物性参数主要靠实验测定，如何快速、准确、方便的测量出各种材料的热物性变得十分重要。由于在高温下具有密度小、辐射系数高、可设计性强、耐烧蚀、抗粒子侵蚀等特点，作为导弹、运载火箭和卫星等航天飞行器热防护首选材料的高性能材料发挥着不可替代的作用，其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制成败的关键。但目前只能对这种材料的导温系数、比热等几个高温热物性参数进行测试，且存在很多弊端，如没有实现一套设备的多参数测量、测试温度上限低、研制及测试费用高等，大电流稳态加热法是一种有效的高温多热物性参数测试技术，因此提出了一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种采用多光谱测温技术、激光狭缝扫描检测技术和大电流稳态加热法相结合的方法对材料的多个热物性参数进行测试，研制了相应的测试装置的材料多热物性参数的测量装置及其测量方法。

2、本发明所采用的技术方案为：一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述测量装置包括高温环境实验箱，所述高温环境实验箱内设有加热供电回路、高速光学高温计、激光狭缝扫描检测仪、控制及数据采集系统，

3、所述加热供电回路包括设置在高温环境实验箱内顶部的高频开关电源，及设置在高温环境实验箱内的标准电阻、石墨电极、铜电极、试样、电源开关，所述试样一侧固定设有两个电压探针；

4、所述高速光学高温计采用扫描式光学探头与光纤比色高温计、多波长高温计组合的方式对试样轴向温度分布进行快速测量；

5、所述控制及数据采集系统包括控制计算机、多通道数据采集器、加热电源输出器，所述控制计算机电性连接多通道数据采集器和加热电源输出器；

6、所述测量方法具体步骤为：

7、s1：调节高速光学高温计、激光狭缝扫描检测仪在高温环境实验箱内的位置，从而使控制计算机内出现清晰的图像；

8、s2：根据设定的测试温度值，控制计算机控制加热电源输出器的输出功率将一根尺寸均匀的试样通电加热至该温度下的热平衡状态；

9、s3：试验过程中，多波长高温计始终对试样中心位置多个光谱下的辐射信息进行测量，同时光纤比色高温计通过扫描式光学探头对试样表面轴向的各点温度进行测量；

10、s4：多波长高温计、光纤比色高温计和激光狭缝扫描检测仪的输出信号及试样和标准电阻的电压降一起馈送到多通道数据采集器；

11、s5：最后由控制计算机进行后期的数据处理。

12、作为本发明进一步的方案：所述高频开关电源采用pwm调制方式，输出功率控制精度高于0.9％。

13、作为本发明进一步的方案：所述加热电源输出器电性连接电源开关和高频开关电源，所述多通道数据采集器电性连接光纤比色高温计、多波长高温计、标准电阻、电压探针、激光狭缝扫描检测仪。

14、作为本发明进一步的方案：所述激光狭缝扫描检测仪与高温环境实验箱之间通过角度调节组件连接。

15、作为本发明进一步的方案：所述扫描式光学探头最大扫描角度为，步进精度为1.2mm，所述光纤比色高温计的测温范围是750-4000℃测量精度是0.9％，最快响应时间为9us，光路部分采用的是棱镜分光系统，探测器选用的是硅光电二极管，工作波长分别是0.536um和0.89um，每个探测器都接有三级串联信号放大电路。

16、作为本发明进一步的方案：所述多波长高温计的探测器选用的是硅光电二极管阵列，选取0.34-1.3um范围内的24个光谱作为多波长高温计自工作波长，其它技术指标及所选器件与比色温度计相同。

17、本发明的有益效果：

18、本发明由于材料的各组成成分都已碳化，因此利用多波长高温计测得的多个光谱下的辐射信息就可以计算出试样的真温和各工作波长下的光谱发射率，同时根据试样表面的温度分布和膨胀量就可计算出热膨胀系数。通过在热平衡状态下的其它数据(电压、电流)，由能量守恒定律还可计算出材料的电阻率、全波长半球向全发射率和导热系数，而根据试样在冷却过程中表面温度的变化又可求出试样的比热。

19、本发明提出的材料高温多热物性测试方法充分发挥了多光谱测温法和高温稳态电流加热技术的优势，实现了同时对碳/碳复合材料的多个高温热物性参数的直接测量。与激光脉冲法等同类对材料的热物性参数测量装置相比，具有测量过程简便、测量装置研制难度低、试样制备容易、可同时测得多个热物性参数等优点。

技术特征：

1.一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述测量装置包括高温环境实验箱(1)，所述高温环境实验箱(1)内设有加热供电回路(2)、高速光学高温计、激光狭缝扫描检测仪(5)、控制及数据采集系统(6)，

2.根据权利要求1所述的一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述高频开关电源(2.7)采用pwm调制方式，输出功率控制精度高于0.9％。

3.根据权利要求1所述的一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述加热电源输出器(6.3)电性连接电源开关(2.1)和高频开关电源(2.7)，所述多通道数据采集器(6.2)电性连接光纤比色高温计(3)、多波长高温计(4)、标准电阻(2.2)、电压探针(2.6)、激光狭缝扫描检测仪(5)。

4.根据权利要求1所述的一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述激光狭缝扫描检测仪(5)与高温环境实验箱(1)之间通过角度调节组件连接。

5.根据权利要求1所述的一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述扫描式光学探头最大扫描角度为，步进精度为1.2mm，所述光纤比色高温计(3)的测温范围是750-4000℃测量精度是0.9％，最快响应时间为9us，光路部分采用的是棱镜分光系统，探测器选用的是硅光电二极管，工作波长分别是0.536um和0.89um，每个探测器都接有三级串联信号放大电路。

6.根据权利要求5所述的一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法，其特征在于：所述多波长高温计(4)的探测器选用的是硅光电二极管阵列，选取0.34-1.3um范围内的24个光谱作为多波长高温计自工作波长，其它技术指标及所选器件与比色温度计相同。

技术总结
本发明涉及热物性测量技术领域，具体是一种材料多热物性参数的测量装置及其测量方法。测量装置包括高温环境实验箱，所述高温环境实验箱内设有加热供电回路、高速光学高温计、激光狭缝扫描检测仪、控制及数据采集系统，测量方法具体步骤为：根据设定的测试温度值，控制计算机控制加热电源输出器的输出功率将一根尺寸均匀的试样通电加热至该温度下的热平衡状态；多波长高温计始终对试样中心位置多个光谱下的辐射信息进行测量。本发明提供一种采用多光谱测温技术、激光狭缝扫描检测技术和大电流稳态加热法相结合的方法对材料的多个热物性参数进行测试，研制了相应的测试装置的材料多热物性参数的测量装置及其测量方法。

技术研发人员：张国强
受保护的技术使用者：航天科工防御技术研究试验中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14