利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法
【專利摘要】利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法，本發(fā)明涉及一種測量半透明材料熱物性參數的方法。其步驟為：激光照射半透明材料的一側表面，利用熱電偶測溫儀測量并記錄材料兩表面溫度隨時間的變化，同步使用激光功率計分別測量試件激光入射側的半球反射輻射信號和激光出射側的半球透射輻射信號。根據激光透射輻射信號、反射輻射信號以及兩表面隨時間變化的溫度，通過逆問題求解技術獲得半透明材料的吸收系數、散射系數和導熱系數。本發(fā)明通過建立測量半透明材料吸收系數、散射系數和導熱系數的正、逆問題模型，能簡單、快速、準確的利用逆問題求解技術同時測量半透明材料吸收系數、散射系數和導熱系數。
【專利說明】利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料吸收系數、散射系數以及導熱系數的方法，屬于半透明材料熱物性參數測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]半透明材料是指其光譜光學厚度在某個或若干個波段范圍內為有限值的材料。涉及到航天、軍事、能源、化工以及生物醫(yī)療等多個領域。其在航天飛行器光學窗口優(yōu)化設計、航空發(fā)動機陶瓷零件制造、光學晶體生長、光學纖維和光學組件的制造、高溫熱能存貯系統(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題研究等問題中有重要應用。
[0003]吸收系數和散射系數是表征半透明材料輻射傳輸特性的重要輻射特性參數，而導熱系數是表征半透明材料中熱傳導特性的重要熱物性參數，所以通過對半透明材料吸收系數、散射系數以及導熱系數同時測量的實驗方法的研究積累各種半透明材料的熱物性參數數據對于上述半透明材料應用領域的研究具有重要的意義。現(xiàn)有半透明材料吸收系數、散射系數和導熱系數測量方法中，測量系統(tǒng)復雜，測量精度低等問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有半透明材料吸收系數、散射系數和導熱系數測量方法中，測量系統(tǒng)復雜，測量精度低等問題，提出了一種利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是:
[0006]本發(fā)明所述一種利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數(半透明材料熱物性參數包括吸收系數、散射系數以及導熱系數)的方法，該方法的具體步驟為:
[0007]步驟一、將待測半透明材料制作成厚度為δ的扁平試件，將激光器對準試件左側中心，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量儀上的熱電偶探頭固定在試件左右兩側；
[0008]步驟二、打開脈沖激光器對試件左側表面進行一個脈沖的加熱，與此同時使用熱電偶測溫儀同步測量得到左側激光入射表面溫度隨時間的變化為Twl (t)，右側表面溫度隨時間的變化為Tw2(t)，并且同步使用激光功率計分別測量試件激光入射側的半球反射輻射信號QK(t)和激光出射側的半球透射輻射信號QT(t);其中測量時間間隔為dt，總測量時間為N倍激光脈沖寬度tp ；
[0009]步驟三、根據逆問題算法假設待測材料的吸收系數K a、散射系數K s和導熱系數λ ;通過對穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程(I)和瞬態(tài)導熱微分方程(2)的耦合求解，得到在假設吸收系數Ka、散射系數Ks和導熱系數λ條件下的材料兩側面邊界溫度響應估計值T' wl(t)和T' w2(t)，以及激光入射側的半球反射輻射信號估計值Q' K(t)和激光出射側的半球透射輻射信號估計值V x(t)；
[0010]
【權利要求】
1.一種利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法，其特征在于，該方法的具體步驟為: 步驟一、將待測半透明材料制作成厚度為δ的扁平試件，將激光器對準試件左側中心，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量儀上的熱電偶探頭固定在試件左右兩側； 步驟二、打開脈沖激光器對試件左側表面進行一個脈沖的加熱，與此同時使用熱電偶測溫儀同步測量得到左側激光入射表面溫度隨時間的變化為Twl (t)，右側表面溫度隨時間的變化為Tw2 (t)，并且同步使用激光功率計分別測量試件激光入射側的半球反射輻射信號Qe(t)和激光出射側的半球透射輻射信號QT(t);其中測量時間間隔為dt，總測量時間為N倍激光脈沖寬度tp ； 步驟三、根據逆問題算法假設待測材料的吸收系數Ka、散射系數Ks和導熱系數λ ；通過對穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程(I)和瞬態(tài)導熱微分方程(2)的耦合求解，得到在假設吸收系數Ka、散射系數Ks和導熱系數λ條件下的材料兩側面邊界溫度響應估計值T' wl(t)和T' w2(t)，以及激光入射側的半球反射輻射信號估計值Q' K(t)和激光出射側的半球透射輻射信號估計值V T(t)；
2.根據權利要求1所述的一種利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法，其特征在于，步驟三中所述被測材料壁面的溫度響應及半球反射輻射信號和半球透射輻射信號的計算為一個瞬態(tài)導熱微分方程和一個穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程的耦合求解過程。
3.根據權利要求1或2所述的一種利用脈沖激光加熱產生的瞬態(tài)光熱信號測量半透明材料熱物性參數的方法，其特征在于，步驟三中所述的逆問題算法采用改進的模擬退火一隨機微粒群混 合算法實現(xiàn)。
【文檔編號】G01N21/31GK103528978SQ201310533554
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權日:2013年11月1日
【發(fā)明者】齊宏, 牛春洋, 姚禹辰, 阮立明 申請人:哈爾濱工業(yè)大學