Способ измерения коэффициента температуропроводности твердых тел Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 G01B9/21 

Изобретение относится к экспериментальной технике измерения теплофизических свойств материалов, кристаллов с использованием лазерного съема информации.

Известны способы измерения температуропроводности твердых тел с помощью температурных волн. Сущность этих способов состоит в том, что если в образце создать температурные волны с частотой со, то по сдвигу фаз колебаний температуры Дуэ в двух точках однородного образца, отстоящих друг от друга на расстоянии 1 вдоль направления распространения температурной волны, можно определить температуропроводность такого образца по формуле

N

оо о

4

а

(Of

2 (Л

(1)

В качестве источников, создающих температурные волны, наиболее часто используются модулированные электронные или лазерные лучи. При этом в качестве регистрирующих устройств применяются термоэлектрические либо фотоэлектрические преобразователи.

Малая чувствительность термопар приводит к тому, что к образцу необходимо подводить большие тепловые мощности. Кроме того, необходимо учитывать теплообмен между термопарой и образцом. Необходи- мость надежного контакта термопары с образцом исключает применение этого типа датчиков для методов неразрушающего контроля (например, при использовании теплофизических свойств кристаллов, тон- кйТГ т1л1ё н 6к в радиоэлектронной промышленности и т.п.).

Для регистрации температурных волн на поверхности твердых тел широко используются фотоэлектрические преобразова- тели (фотодиоды, фотосопротивления и т.п.). Однако этот бесконтактный способ регистрирования температурных волн также имеет существенный недостаток. Он обусловлен тем, что фотоприемники чувст- вительны к определенному диапазону спектра электромагнитных волн. Это не позволяет использовать фотоприемники для регистрации температурных волн на поверхности вещества в широком интервале температур.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения коэффициента температуропроводности зеркально-отражающих материа- лов, включающий нагрев материала пучком лазера модулированной частоты, воздействие на материал опорным и сигнальным лучами для съема информации, регистрацию запаздывания по фазе температурной вол- ны,-по которой определяют коэффициент температуропроводности, при этом нагрев материала лазерным лучом производят в точке поверхности, лучи для съема информации направляют на материал под утлом к его поверхности в плоскости греющего луча лазера, причем сигнальный луч направляют на нагретый участок, а опорный - на холодный, отраженные от материала сигнальный и опорный лучи собирают в одну точку, пол- учая при этом интерференционную картину, по которой регистрируют запаздывание по фазе температурной волны.

Основным недостатком данного способа является низкая точность определения коэффициента. Это объясняется тем, что отраженные лучи имеют низкий коэффициент преобразования колебаний материала (температуры материала) в отклонения лазерно

го считывающего излучения.

Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента температуропроводности кристаллов твердых тел с одной полированной поверхностью.

5 0

15 20 25

0 5 0 5

0

5

Цель достигается тем, что с целью повышения точности измерений материал полированной поверхностью кладут на прозрачную подставку, на которую и направляют оба сигнальных луча, при этом один сигнальный луч направляют на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения, а второй сигнальный луч- на расстоянии больше 5длин волн излучения лазера от поверхности соприкосновения, прошедшие через пластину лучи собирают в одну точку и получают интерференционную картину, по которой регистрируют запаздывание по фазе температурной волны, и по полученной информации определяют коэффициент по формуле (1).

Предлагаемый способ позволяет более точно измерять температуропроводность кристаллов твердых веществ с одной полированной гранью. Повышение точности достигается тем, что один сигнальный луч, проходя на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от плоскости соприкосновения, обеспечивает независимость траектории прохождения луча от величины шероховатости плоскости соприкосновения материала с подставкой, в то же время такое расстояние дает возможность установить однозначное соответствие зависимости траектории хода сигнального луча от модуляции излучения теплового лазера и возникает эффект, связанный с изменением оптической длины пути луча по отношению к другому сигнальному лучу, который, проходя ниже первого сигнального луча на расстоянии более 5 длин волн излучения теплового лазера, имеет оптическую длину пути, которая не зависит от модуляции излучения теплового лазера. Это дает возможность постоянного сравнения длины пути, проходимого одним сигнальным лучом, с длиной пути, проходимого другим сигнальным лучом, и так как траектория пути (следовательно, оптическая длина пути) одного сигнального луча, который проходит вблизи плоскости соприкосновения, зависит от модуляции излучения теплового лазера, а другого сигнального луча не зависит, то наложение сигнальных лучей после прохождения подставки друг на друга дает интерференционную картину, которая несет информацию о величине коэффициента температуропроводности и в то же время не зависит от нестабильности считывающего лазера. Все перечисленное дает возможность свести величину погрешности в определении коэффициента температуропроводности к величине погрешности в определении модулирующей частоты ш и запаздывания по фазе , которые составляют соответственно 0,5 и 1,5%.

Вновь предложенные операции для определения температуропроводности не были обнаружены заявителем. Поэтому можно сделать вывод, что предложенное техническое решение соответствует критерию существенные отличия. Новые свойства, возникающие при проведении заявляемых операций, позволяют достичь положитель- ного эффекта, а именно повышения точности измерения температуропроводности твердых тел.

На чертеже показана схема устройства, с помощью которого реализуется заявляв- мый способ.

Устройство состоит из источника 1 теплового излучения (ОКГ марки ЛГ-4), модулятора 2, опорного генератора 3, He-Ne- лазера 4, дифракционной решетки 5, линзы б, оптического клина 7, линзы 8, фотоэлектрического приемника 9 (см. Ивлиев А.Д., Зиновьев В.Е. Теплофизика высоких температур. 1980, т.18, №3, с.532), амплитудного фазового измерителя 10 (см. Зиновьев В.Е., Талуц С.Г., Полев В.Ф. и др. Измерительная техника. 1985, №11, с.64-66), ЭВМ 11, частотомера 12.

С помощью устройства способ осуществляется следующим образом.

Лазерный луч из источника 1, модулированный по гармоническому закону модулятором 2 и опорным генератором 3, попадает в точку О исследуемого материала. Луч Не- Ne-лазера 4 проходит через дифракцион- ную решетку 5, через оптическую линзу 6 и разделенный на два сигнальных луча попадает на прозрачную подставку. Один сигнальный луч попадает в точку Xi и проходит от поверхности соприкосновения материа- ла с подставкой на расстоянии длины волны излучения теплового лазера, другой сигнальный луч попадает в точку Х2 и проходит от поверхности соприкосновения на расстоянии больше 5 длин волн излучения тепло- вого лазера. Сигнальный луч, который попадает в точку Xi, в дальнейшем проходит сквозь подставку, сквозь оптический клин 7 и попадает на фотоэлектрический приемник 9. Сигнальный луч, который попадает в точ- ку Хг, проходит сквозь подставку, сквозь оптический клин 7, сквозь линзу 8 и попадает на фотоэлектрический приемник 9, где оба сигнальных луча интерферируют.

Следует заметить, что сигнальный луч, попадающий в точку XL попадает в фотоприемник 9 под влиянием модуляции луча теплового лазера и в результате фототермического эффекта модулируется с частотой

ш, приобретая фазу колебания, соответствующую фазе колебания температурной волны, создаваемой лучом теплового лазера. Сигнальный луч, который попадает в точку Х2, вследствие затухалия температурной волны не подвержен ее модуляциям.

Построенный таким образом ход сигнальных лучей дает возможность существенно увеличить оптическую длину пути луча, попадающего в точку Xi, по сравнению с оптическим путем луча, попадающего в точку Х2.

После интерференции сигнальных лучей в фотоприемнике 9 из него поступает информация о фазе колебаний температуры подставки вблизи поверхности исследуемого материала. С помощью амплитудно-фазового детектора 10 производится измерение фазового сдвига колебаний температуры в точке О и в зоне прохождения сигнального луча. Эта информация поступает в ЭВМ 11, где по формуле (1) производится определение температуропроводности исследуемого материала. Частота модуляции постоянно контролируется частотомером 12.

Пример. Способом, предложенным в прототипе, невозможно выполнить замеры температуропроводности железа, а предлагаемым способом были выполнены замеры коэффициента для образца из железа с одной полированной гранью, При калибровочных замерах получено значение коэффициента температуропроводности, которое отличается от стандартных данных всего нз 5-6%. Частота модуляции лазерного излучения была принята равной 30 Гц, откуда циклическая частота ш 188,4 рад/с. Расстояние1отточки падения модулированного лазерного луча О до точки прохождения сигнального луча, попадающего на подставку в точке Xi, составляло 2-10 м. Измеренное запаздывание по фазе температурной волны на расстоянии I составляло 241° 4,20 рад. По формуле (1) имеем

-6

а -

188,4 -4 10 °-в 2, -------- -- 21,5-10 м /с.

2 (4,20f

Предлагаемый способ позволяет более точно измерять температуропроводность кристаллов твердых материалов, что непосредственно дает возможность бесконтактного исследования тёплофизических свойств кристаллов, сплавов, металлов, конструкционных материалов, покрытий, тонких пленок элементов микрозлектронной техники в широком интервале температур (включая области низких и высоких температур).

Формула изобретения Способ измерения коэффициента тем- пературопроводиости твердых тел, включающий наг рев образца в точке поверхности лучом лазера модулированной частоты, воздействие двумя когерентными пучками излучения для съема информации с получением интерференционной картины, регистрацию по полученной картине запаздывания по фазе температурной волны и по полученной информации определение коэффициента температуропроводности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения класса исследуемых материалов за счет определения температуропроводности материалов произвольной формы, образец полированной поверхностью

размещают на оптически прозрачной подставке, а два когерентных пучка излучения направляют сквозь подставку параллельно грани, на которой расположен образец, при этом один направляют на расстоянии

длины волны излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения, а второй - на расстоянии больше 5 длин волн излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения.

Способ измерения коэффициента температуропроводности относится к экспериментальной технике измерения теплофизических свойств веществ и материалов. Цель изобретения - повышение точности измерения коэффициента температуропроводности. Исследуемый материал помещают под источник теплового (лазерного) излучения модулированной частоты, что вызывает появление в материале температурной волны, запаздывание которой по фазе регистрируется тепловым приемником. Исследуемый материал полированной поверхностью размещен на оптически прозрачной подставке, а два когерентных пучка излучения направлены сквозь подставку параллельно грани, на которой размещен исследуемый материал, при этом один направлен на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения, а другой - на расстоянии больше 5 длин волн излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения. Обработка интерференционной картины, созданной лучами, продшедшими сквозь подставку, позволяет высчитать коэффициент температуропроводности. 1 ил. (Л С