Способ определения температуропроводности твердых тел Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизике, а именно к определению теплофизических параметров твердых тел, и может быть использовано для экспрессного определения их температуропроводности.

Целью изобретения является расширение интервала толщин исследуемых образцов, повышение точности, упрощение и ускорение процесса определения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Одну поверхность образца в виде пло- скопарзллельной пластины непрерывно сканируют с частотой 0,1 Гц модулированным лазерным излучением с частотой модуляции f, лежащей в пределах (10:Ј fS 300) Гц, и на противоположной поверхности пластины регистрируют амплитуду возбужденного акустического сигнала S а зависимости от координаты X падения луча, где 0 X Ј L/2, L - длина образца. Температуропроводность а определяют по формуле а Хо л f, где Х0 о

09

ю

00

го VJ

длина (см) горизонтального участка в начале зависимости S(X), При способе используется экспериментально установленная закономерность изменения амплитуды акустического сигнала, снимаемого с одной поверхности плоскопараллельной пластины при облучении ее противоположной поверхности модулированным сфокусированным лазерным лучом и сканировании последнего вдоль исследуемой пластины. Характерная особенность этой закономерности - наличие поактически горизонтального участка в начале зависимости 3(Х) при частотах модуляции 10 - 300 Гц, использовавшихся в экспериментах с выбранными образцами. При этом обнаружено, что длина этого горизонтального участка при постоянной частице модуляции лазерного пучка однозначно связана с температуропроводностью исследуемого материала.

На чертеже представлены типичные зависимости амплитуды SOIH акустического сигнала в относительных единицах от координаты падения X лазерного луче на образец для трех частот модуляции fi 300 Гц, f3 10 Гц и fz из диапазона (fi - fa) (соответственно кривые 1-3).

Физическая сущность предлагаемого способа состоит а следующем.

Модулированный по интенсивности лазерный луч, попадая на исследуемый образец, в результате поглощения приводит к возникновению в последнем температурного поля,

Деформации, возникающие в облучаемом образце вследствие меняющегося во времени температурного поля, приводят к появлению акустических колебаний той же частоты, т.е. частоты модуляции лазерного луча. Акустические колебания регистрируются пьезоэлектрическим преобразователем (датчиком), на котором возникает электрическое напряжение, пропорциональное //1:

,2 а

S-fit

Л ,

где yUs - длина тепловой диффузии, на которой тепловая волна затухает в е раз,

При достаточной удаленности от края прямоугольного образца и при его толщине d f4s тепловая волна, возбуждаемая сфокусированным лазерным лучом, характеризуется сферической симметрией. С приближением зондирующего лазерного луча к краю образца фронт тепловой волны искажается, что приводит к появлению некоторых особенностей в зависимости амплитуды акустического сигнала от координаты падения лазерного луча, Эта

особенность проявляется в -виде горизонтального участка в начале зависимости S(X) при OsKcr-L/2,

При предложенном способе возможно

использование образцов с широким интервалом толщин 0, d 10/fs Нижний и верхний пределы ограничены малым наклоном кривой S(X) (для X fis ) в случае, когда d не соответствует указанному пределу, что ухудшает условия точного определе- ния длины горизонтального участка. Диапазон частот модуляции ограничен теми же причинами. Дополнительное ограничение для f 300 Гц состоит в том, что

горизонтальный участок на зависимости S(X) становится слишком малым, определить точно его длину затруднительно, что также ведет к понижению точности определения температуропроводности.

в отличив от известных способов в данном случае абсолютная величина амплитуды регистрируемого акустического сигнала не входит в выражение для определения температуропроводности а. В нашем случае регистрируется зависимость Зотн(Х).

Пример. Предлагаемый способ был апробирован на двух типах материалов. При 20°С была определена температуропроводность металла (алюминий) и полупроводника (кремний). Использованы образцы разной толщины и разные частоты модуляции лазерного луча. Некоторые из полученных данных представлены в таблице.

Из таблицы следует, что для образцов разной толщины при разных частотах полученные значения коэффициента температуропроводности отличается от среднего значения (для алюминия 0,83, для кремния

0,59) не более чем на 5%,

Таким образом, предлагаемый способ определения температуропроводности твердых тел позволяет использовать образцы с интервалом толщин гораздо более широким, чем в прототипе, он значительно проще, точность определения коэффициента температуропроводности выше,

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в измерительной

технике для экспрессного определения температуропроводности твердых тел. Метод контроля - неразрушающий, Формула изобретения Способ определения температуропроводности твердых тел, включающий облучение модулированным по интенсивности лазерным пучком поверхности образца в виде плоскопараллельной пластины и регистрацию с противоположной поверхности

пластины акустического сигнала, возбужденного лазерным пучком, отличающийся тем, что, с целью расширения интервала толщин исследуемых образцов, повышения точности, упрощения и ускорения процесса определения, частоту модуля- ции лазерного излучения f выбирают в пределах 10 f S 300 Гц, лазерным лучком сканируют вдоль образца и снимают зависимость амплитуды акустического сигнала S от координаты падения Хна образец

сфокусированного лазерного пучка, определяют длину Х0 горизонтального участка в начале зависимости S(X) при изменении X от О до L/2, где L -длина образца в направлении сканирования, и рассчитывают температуропроводность а материала образца по формуле

a .

Изобретение относится к области теплофизики, а именно к определению теплофи- зических характеристик твердых тел. Цель изобретения - расширение интервала толщин исследуемых образцов, повышение точности, упрощение и ускорение процесса определения. Способ состоит в облучении поверхности исследуемого образца модулированным по интенсивности лазерным пучком (частота модуляции выбирается в пределах 10 Гц); сканировании лазерного пучка вдоль образца; определении зависимости амплитуды S акустического сигнала, регистрируемого на противопо- пожной (по отношению к облучаемой) поверхности образца, от координаты X падения лазерного луча; измерении длины горизонтального участка на зависимости S(X); определении температуропроводности твердого тела с помощью полученных данных. Способ может быть использован для экспрессного определения температуропроводности твердых тел при проектировании и создании различных тепловых систем, а также систем и устройств малой энергетики и измерительной техники. 1 ил., 1 табл.

$ОТК -Д

Х(Н 02 03