本發(fā)明涉及一種基于紅外熱像儀的熱參數(shù)反演測量裝置，屬于熱物性測試
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：紅外熱像儀能夠測量出被測目標的溫度。熱參數(shù)反演技術(shù)是根據(jù)被測目標內(nèi)部或邊界的一點或多點的溫度信息，通過熱傳導反問題的方法反演出被測目標的邊界形狀、熱物性參數(shù)、歷史溫度等，是涉及到傳熱學、物理、數(shù)學、計算機、實驗技術(shù)等學科的交叉領(lǐng)域。熱傳導反問題的邊界熱流和換熱狀況是待測的，故其數(shù)學定解問題是不適定的，因而嚴格來說是無定解的，或者是很難求解的。它與導熱正問題密切相關(guān)，這不僅僅是在求解反問題必然要涉及正問題，而且在正問題中，邊界條件也是通過實驗來確定的，特別是表面熱流測量中誤差大，這是由于安裝傳感器使表面狀況破壞及熱流測量的不確定性。相比之下，采用測量物體內(nèi)部溫度則比較準確，因此通過適當?shù)那蠼夥磫栴}的方法，可使正問題邊界條件更準確的被測定。所以導熱正、反問題是導熱過程的相互存在內(nèi)在聯(lián)系的兩個方面。由于實際工程問題的復雜性，只有極少數(shù)反問題能夠得到解析解，絕大部分問題給出的是數(shù)值解。采用數(shù)值解是當前求解熱傳導反問題應用最為廣泛的手段，其研究包含兩個方面的意思：一方面為反演算法創(chuàng)新研究，在實際工程應用中，測量誤差是客觀存在的，如何克服反問題的不適定性是他們研究目的；另一方面為應用研究，針對實際問題中未知的量，采用現(xiàn)有的反演技術(shù)對各個量進行識別，這兩方面的研究也往往聯(lián)系在一起，在對各個量進行識別的同時，也驗證了所提算法的可行性。在上個世紀60年代，Stolz最早采用數(shù)值方法進行淬火反問題研究，對導熱系數(shù)進行反演識別，指出熱傳導反問題的不適定性以及反問題的解依賴于所采用的方法，并且還指出當提供的信息為精確的數(shù)據(jù)時，解的不穩(wěn)定性會得到抑制。此外，還有一些學者為了克服反問題的不適定性，提出了其它形式的正則化方法，并應用于熱傳導反問題的求解，對邊界條件和導熱系數(shù)進行了識別。在上個世紀早期的研究中，對熱傳導反問題的研究還相對較少，求解的問題也大多是較為簡單的一維問題。目前來說，大多數(shù)求解反問題都是針對一維熱傳導反問題提出的。測量中的隨機噪聲對未知量的估計影響非常大，如何量化噪聲還沒有具體的方法。對于信息誤差的影響只是停留在理論上，而實際中信息誤差非常復雜，相關(guān)研究非常少，在誤差的預處理和算法抗噪性方面需要深入研究。隨時間變化和溫度變化的熱物性系數(shù)的組合測量，目前大多只是進行理論探討，對于實際問題，由于其復雜性，沒有相關(guān)研究。熱參數(shù)反演時，對于物體的不同形態(tài)如固體、液體，是否能利用相同的算法同時反演不同形態(tài)物體的熱參數(shù)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有熱參數(shù)反演測量受噪聲影響進而誤差大的問題，本發(fā)明提供一種基于紅外熱像儀的熱參數(shù)反演測量裝置。本發(fā)明的基于紅外熱像儀的熱參數(shù)反演測量裝置，包括保溫裝置、緊固支撐裝置和采集處理裝置；保溫裝置，用于對被測試樣8進行加熱及保溫；緊固支撐裝置用于調(diào)節(jié)保溫裝置與被測試樣8之間的緊密度；在被測試樣8側(cè)面上鉆有多個小孔5，根據(jù)逼近黑體法輻射測溫原理，這些小孔5構(gòu)成了黑體空腔，其有效發(fā)射率接近1；采集處理裝置，利用紅外熱像儀對被測試樣8的小孔5的溫度進行非接觸式采集，對采集的信息進行處理，反演出熱參數(shù)。所述采集處理裝置，利用共軛梯度法，反演出熱參數(shù)。所述熱參數(shù)為可變導熱系數(shù)；反演出可變導熱系數(shù)的方法為：利用紅外熱像儀測得被測試樣8隨位置變化的溫度場信息，利用熱流計測出被測試樣8上下表面的熱流密度，利用共軛梯度法，反演出被測試樣8隨溫度變化的可變導熱系數(shù)：ρC∂u(x,t)∂t=∂∂x(K(u)∂u(x,t)∂x),0<x<L,0<t≤tf-K(u)∂u∂x|x=0=q1,0<t≤tf-K(u)∂u∂x|x=L=q2,0<t≤tfu(x,0)=u0(x),0<x<L]]>其中，ρ為密度；C為比熱容；u(x,t)為溫度信息，δ為狄拉克函數(shù)，x為小孔5距離被測試樣8上表面的距離，t表示不同時刻；u0(x)為初始溫度；q1為被測試樣8上表面的熱流密度，q2為被測試樣8下表面的熱流密度；tf為采集溫度的時間；L為被測試樣8的厚度；K(u)為可變導熱系數(shù)。所述熱參數(shù)為加熱源的加熱功率；反演出加熱功率的方法為：被測試樣8為常導熱系數(shù)材料，利用紅外熱像儀測得被測試樣8隨位置變化的溫度場信息，利用共軛梯度法，反演出被測試樣表面或內(nèi)部的熱源的加熱功率：ρC∂u(x,t)∂t=∂∂x(K∂u(x,t)∂x)+G(t)δ(x-xs),0<x<L,0<t≤tf-K∂u∂x|x=0=0,0<t≤tf-K∂u∂x|x=L=0,0<t≤tfu(x,0)=u0(x),0<x<L]]>其中，ρ為密度；C為比熱容；u(x,t)為溫度信息，δ為狄拉克函數(shù)，x為小孔5距離被測試樣8上表面的距離，t表示不同時刻；u0(x)為初始溫度；tf為采集溫度的時間；L為被測試樣8的厚度；K為與溫度無關(guān)的導熱系數(shù)；xs為熱源與被測試樣8上表面的距離；G(t)為加熱源的加熱功率。所述熱參數(shù)為材料表面隨溫度變化的熱流密度；反演出材料表面隨溫度變化的熱流密度的方法為：利用紅外熱像儀測得被測試樣8隨位置變化的溫度場信息，利用共軛梯度法，反演出被施加在被測試樣8表面的隨溫度變化的熱流密度：ρC∂u(x,t)∂t=∂∂x(K∂u(x,t)∂x),0<x<L,0<t≤tf-K∂u∂x|x=0=q(t),0<t≤tf-K∂u∂x|x-L=0,0<t≤tfu(x,0)=u0(x),0<x<L]]>其中，ρ為密度；C為比熱容；u(x,t)為溫度信息，δ為狄拉克函數(shù)，x為小孔5距離被測試樣8上表面的距離，t表示不同時刻；u0(x)為初始溫度；tf為采集溫度的時間；L為被測試樣8的厚度；K為與溫度無關(guān)的導熱系數(shù)；q(t)為隨溫度變化的熱流密度。所述保溫裝置包括下層絕熱材料7、電熱膜9和上層絕熱材料10；上層絕熱材料10和下層絕熱材料7分別設(shè)置在被測試樣8的上下表面，電熱膜9設(shè)置在上層絕熱材料10和被測試樣8的上表面之間。所述測量裝置還包括大功率可調(diào)直流電源，大功率可調(diào)直流電源為電熱膜9供電。所述緊固支撐裝置包括手柄1、上層支架2、第一壓板3、第二壓板4、下層支架6和螺桿11；上層支架2和下層支架6平行設(shè)置，采用四根螺桿11同時固定上層支架2和下層支架6，構(gòu)成骨架，上層支架2和下層支架6之間采用一塊有機玻璃板作為第二壓板4；采用頂端設(shè)有圓板的螺旋桿作為手柄1，螺旋桿的底端穿過上層支架2,連接第一壓板3，轉(zhuǎn)動手柄1帶動第一壓板3促使第二壓板4在小范圍內(nèi)上下移動，以壓緊和卸載待測試樣8。本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明為滿足第二類邊界條件，被測試樣材料上下表面需要放置絕熱材料，與被測試樣構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，電熱膜放置在上層絕熱材料和被測試樣之間。為了有效地減小接觸熱阻帶來的影響，測試時釆用了緊固支撐裝置使被測試樣與電熱膜和絕熱材料間的接觸緊密，有效排除接觸面之間可能產(chǎn)生的空氣層，減小測試誤差。在被測試樣8側(cè)面上鉆孔，根據(jù)逼近黑體法輻射測溫原理，這些小孔構(gòu)成了黑體空腔，其有效發(fā)射率接近1，減小紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)定不準所造成的誤差。附圖說明圖1為具體實施方式中基于紅外熱像儀的熱參數(shù)反演測量裝置的原理示意圖。圖2為反演可變導熱系數(shù)的原理示意圖；圖3為反演加熱源的加熱功率的原理示意圖；圖4為反演熱流密度的原理示意圖。具體實施方式結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于紅外熱像儀的熱參數(shù)反演測量裝置，包括保溫裝置、緊固支撐裝置和采集處理裝置；本實施方式中的保溫裝置包括下層絕熱材料7、電熱膜9和上層絕熱材料10；上層絕熱材料10和下層絕熱材料7分別設(shè)置在被測試樣8的上下表面，電熱膜9設(shè)置在上層絕熱材料10和被測試樣8的上表面之間；本實施方式中采用電熱膜作為電加熱元件，從被測試樣8的上表面對其加熱；緊固支撐裝置用于調(diào)節(jié)上層絕熱材料10、電熱膜9、被測試樣8的上下表面和下層絕熱材料7之間的緊密度；本實施方式中的緊固支撐裝置包括手柄1、上層支架2、第一壓板3、第二壓板4、下層支架6和螺桿11；上層支架2和下層支架6平行設(shè)置，采用四根螺桿11同時固定上層支架2和下層支架6，構(gòu)成骨架，上層支架2和下層支架6之間采用一塊有機玻璃板作為第二壓板4；采用頂端設(shè)有圓板的螺旋桿作為手柄1，螺旋桿的底端穿過上層支架2,連接第一壓板3，轉(zhuǎn)動手柄1帶動第一壓板3促使第二壓板4在小范圍內(nèi)上下移動，以壓緊和卸載待測試樣8，第一壓板3為圓形壓板。本實施方式中，測試前需要在被測試樣側(cè)面上鉆有多個小孔5，根據(jù)逼近黑體法輻射測溫原理，這些小孔5構(gòu)成了黑體空腔，其有效發(fā)射率接近1；采集處理裝置對被測試樣8的小孔5的溫度進行非接觸式采集，對采集的信息進行處理，反演出熱參數(shù)；本實施方式中，采集處理裝置包括紅外熱像儀、熱流計和計算機處理系統(tǒng)；紅外熱像儀，用于非接觸式采集；測量前，采用紅外熱像儀瞄準被測試樣的帶有鉆孔的側(cè)面；熱流計，用于測出被測試樣8上下表面的熱流密度；計算機處理系統(tǒng)，用于發(fā)出觸發(fā)信號啟動紅外熱像儀完成被測試樣8的溫度場測試，并將紅外熱像儀傳送來的紅外圖像轉(zhuǎn)換成偽色彩溫度圖像，進行分析和計算，反演出被測試樣8的熱參數(shù)：可變導熱系數(shù)、加熱源的加熱功率和材料表面隨溫度變化的熱流密度，并將熱參數(shù)保存及顯示；反演可變導熱系數(shù)的方法：利用紅外熱像儀測得被測試樣8隨位置變化的溫度場信息，利用熱流計測出被測試樣8上下表面的熱流密度，利用共軛梯度法，反演出被測試樣8隨溫度變化的可變導熱系數(shù)，如圖2所示，具體過程為：ρC∂u(x,t)∂t=∂∂x(K(u)∂u(x,t)∂x),0<x<L,0<t≤tf-K(u)∂u∂x|x=0=q1,0<t≤tf-K(u)∂u∂x|x=L=q2,0<t≤tfu(x,0)=u0(x),0<x<L]]>其中，ρ為密度；C為比熱容；u(x,t)為溫度信息，δ為狄拉克函數(shù)，為小孔5距離被測試樣8上表面的距離，t表示不同時刻；u0(x)為初始溫度；q1為被測試樣8上表面的熱流密度，q2為被測試樣8下表面的熱流密度；tf為采集溫度的時間；L為被測試樣8的厚度；K(u)為可變導熱系數(shù)。反演加熱源的加熱功率的方法：被測試樣8為常導熱系數(shù)材料，利用紅外熱像儀測得被測試樣8隨位置變化的溫度場信息，利用共軛梯度法，反演出施加在被測試樣表面的加熱功率，如圖3所示，具體過程為：ρC∂u(x,t)∂t=∂∂x(K∂u(x,t)∂x)+G(t)δ(x-xs),0<L,0<t≤tf-K∂u∂x|x=0=0,0<t≤tf-K∂u∂x|x=L=0,0<t≤tfu(x,0)=u0(x),0<x<L]]>其中，ρ為密度；C為比熱容；u(x,t)為溫度信息，δ為狄拉克函數(shù)，x為小孔5距離被測試樣8上表面的距離，t表示不同時刻；u0(x)為初始溫度；tf為采集溫度的時間；L為被測試樣8的厚度；K為與溫度無關(guān)的導熱系數(shù)；xs為熱源與被測試樣8上表面的距離；G(t)為加熱源的加熱功率；反演熱流密度的方法：利用紅外熱像儀測得被測試樣8隨位置變化的溫度場信息，利用共軛梯度法，反演出被施加在被測試樣8表面的隨溫度變化的熱流密度，如圖4所示，具體過程為：ρC∂u(x,t)∂t=∂∂x(K∂u(x,t)∂x),0<x<L,0<t≤tf-K∂u∂x|x=0=q(t),0<t≤tf-K∂u∂x|x=L=0,0<t≤tfu(x,0)=u0(x),0<x<L]]>其中，ρ為密度；C為比熱容；u(x,t)為溫度信息，δ為狄拉克函數(shù)，x為小孔5距離被測試樣8上表面的距離，t表示不同時刻；u0(x)為初始溫度；tf為采集溫度的時間；L為被測試樣8的厚度；K為與溫度無關(guān)的導熱系數(shù)；q(t)為隨溫度變化的熱流密度；本實施方式中還包括大功率可調(diào)直流電源，大功率可調(diào)直流電源為電熱膜9供電。當前第1頁1 2 3