Система для исследования теплофизических свойств твердых материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к измерению т( плофизических свойств материалов и мо- жэт быть использовано для исследований в металлургии, в полупррводникЬврй и ядер- ной технике, в физике твердого тела.

Известно устройство для определения к( эффициента температуропроводимости материалов, содержащее электрическую с ему для формирования Геплового импуль- сг на поверхности исследуемого образца, э/ ектронную схему для автоматического из- м (рения и регистрации интервала времени с момента подачи теплового импульса до достижения заданного сЬотнршения темше- р турных сигналов от двух термопар, распо- лйженных на разных расстояниях от нагреваемой поверхности;

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является система для измерения коэффициента температуропроводности с помощью световых импульсов, содержащая импульсный лазер, соединенный с блоком управления и оптически сопряженный с фронтальной поверхностью исследуемого образца, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотоде- тектор, выход «бторого че еэ усилйтель со- единён с входами рстдйллографа и компьютера, оптически связанный с излучением лазера фотоэлемент, выход которого через внешний триггер соединен с входом синхронизации осциллографа и с дискретным входом компьютера

Недостатком системы является ограничение функции определением коэффициента температуропроводности, а также зависимость точности измерения от качества обработки поверхностей плоскопараллельного образца (из-за трудности измерения толщины образца непосредственно в области теплового возмущения), что соответственно ухудшает экспресность измерений.

ы со

XI

Целью изобретения является расширение функций и повышение точности системы.

На чертеже изображена блок-схема системы для исследования теплофизических свойств твердых материалов.

Система содержит импульсный лазер 1, соединенный с блоком 2 управления, излучение лазера 1 через оптическую систему 3 сопряжено с фронтальной поверхностью образца 4, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотодотектор 5, выход которого через первый усилитель-формирователь 6 соединен с входом осциллографа 7 и с первым входом компьютера 8, оптически связанный с излучением лазера 1 фотоэлемент 9, который через триггер-одновибра- тор 10 соединен с входом синхронизации осциллографа 7 и с дискретным входом компьютера 8, позади импульсного лазера 1 соосно установлен юстировочный лазер 11, система содержит также измеритель толщины образца 12, состоящий из двух полых щупов 13 и 14, соединенный с датчиком 15 перемещения, выход которого соединен с вторым входом компьютера 8, а ось каналов щупов 13 и 14 совпадает с осью луча лазера 1, острие щупов выполнено из термостойкого твердого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности (например из корунда), после канала заднего щупа 14 установлена диафрагма 16, на этом же щупе 14 закреплен миниатюрный звукосниматель 17 (например пьезокристаллический), выход которого соединен с входом второго усилителя-формирователя 17, в систему включены два вычислительны-- устройства 19 и 20 для анализа фронта сигналов, выходы которых соединены с цифровыми входами компьютера 8, а к входам вычислительных устройств 19 и 20 через разделительные конденсаторы 21 и 22 подсоединены выходы первого 6 и второго 18 усилителей-формирователей соответственно, входы запуска устройств 19 и 20 подключены к выходу триггера 10, блок управления лазера 1 двухсторонней связью соединен с компьютером 8.

Система работает следующим образом.

Лазер непрерывного излучения 11 используется для юстировки элементов системы: лазера 1, оптической системы 3, измерителя толщины 15 (щупов 13 и 14), диафрагмы 16, фотодетектора 5. Щупы 13 и 14 располагают таким образом, чтобы сигнал от фотодетектора 5, отображаемый на осциллографе 7, не отклонялся от значения соответствующего сигнала без установленного измерителя толщины (т, е. щупы не должны оттенять луч лазера). Юстировку системы осуществляют по мере необходимости, а в процессе работы лазер 11 обычно отключен.

Образец 4 установлен таким образом,

чтобы острия щупов 13 и 14 прижимались к нему с двух сторон. Так, как щуп 14 неподвижен, тыльная поверхность образца расположена на фиксированном расстоянии от фотодетектора 5, информация о толщине об0 разца вводится в компьютер.

Измерение проводится под управлением компьютера 8 по соответствующей программе. При соответствии режима работы лазера 1 (энергий импульса) заданному, по

5 сигналу от компьютера 8 лазер 1 излучает импульс света. После прохождения оптиче: ской системы 3 (состоящий из аттенюатора, фокусирующих и отражающих элементов) излучение лазера фокусируется на фрон0 тальной поверхности образца 8. при этом луч не касается стенок канала щупа 13. От импульсного теплового возмущения по толщине образца распространяется тепловое возмущение, а также звуковая (упругая) вол5 на. Инфракрасное излучение с тыльной поверхности образца, проходя сквозь канал щупа 14 и через диафрагму 16, попадает на фотодетектор 5, выполняющий функцию датчика температуры. Усилитель-формиро0 ватель 6 с учетом нелинейных характеристик излучения и фотоприемника формирует сигнал температуры, поступающий на осциллограф 7, на вход вычислительного устройства 19 и в компьютер 8.

5 Звуковая волна детектируется с помощью звукоснимателя 17. Усилитель-формирователь 18 из пакета импульсов от датчика 17 формирует один сигнал, фронт которого определяется фронтом первого

0 импульса от датчика 17 (для этого блок 18 на входе или выходе содержит пиковый детектор). Синхронизация развертки осциллографа 7, запуск вычислительных устройств 19 и 20 осуществляется от импульсного сигнала,

5 вырабатываемого триггером 10, когда на

фотоэлемент 9 попадает часть отраженного

от оптической системы излучения лазера 1.

На вычислительные устройства 19 и 20

через конденсаторы 21 и 22, служащие для

0 отсечки фоновых (постоянных) составляющих сигналов, поступают сигналы о распространении температурной и звуковой волн по толщине образца. Устройства 19 и 20 определяют соответствующие интервалы

5 времени достижения заданных уровней фронтов сигналов (обычно 50% от максимального), соответственные значения временных интервалов распространения температурных и звуковых волн вводятся в рмпьютер 8- Компьютер по заданной программе осуществля1ет непрерывный ввод wформации от измерителя толщины 12 и те ипературного датчика 6.

Так, как скорость охлаждения образца значительно меньше скорости нарастания температуры на тыльной поверхности образца, на этапе спада температуры можно параллельно исследовать динамику изменения температуры и линейного размера образца..

Следовательно, после завершения измерения в компьютере содержится следующая информация: интервалы времени ра ;пространения температурной Гт и звуко- во Г3 волн, массивы информации о кине- типе изменения температуры Т и линейного размера образца X.

По времени ту определяется значение коэффициента температуропроводимости образца

5Г2 0.1388 -,

7т

где X - среднее значение массива данных о толщине образца.

I По времени гэ определяется скорость распространения упругих волн (звука) в образ це

,(2)

э и

где Т0 - время запаздывания распространения звуковой волны в элементах системы: в щупе 14, датчике 17, и т, д. (т0 заранее определяется с помощью экспериментов на эталонных образцах).

По скорости распространения упругих волн в материале можно вычислить температуру Дебая в:

5 10

15

20

25

30

35

y hU()1/3,(3)

где h - постоянная Планка;

N - полное число частиц в объеме V элементарной ячейки.

Информация о кинетике изменения температуры и толщины образца позволяет оценить значение коэффициента теплового расширения образца (К.Т.Р.)К:

где AT и АХ - изменения температуры и толщины образца.

В зависимости от программы компьютер может провести серию повторных измерений.

Осциллограф 7 предназначен для параллельного отображения температурной кривой и для получения ее фотоотпечаток. Сигнал, поступающий на дискретный вход компьютера 8 от триггера 10, служит для инницирования режима слежения компьютера.

Технико-экономическая эффективность использования изобретения предопределяется широкими функциями системы, позволяющей определить коэффициент температуропроводности, коэффициент теплового расширения и температуры Дебая твердых материалов. Автоматизированное измерение толщины в непосредственной близости от области теплового возмущения позволяет обойтись без тщательной подготовки поверхностей образцов, а измерение температуры области образца, ограниченной диаметром канала щупа, повышает точности измерений.

Сущность изобретения: устройство дополнительно содержит йзмерйтеяе то лЩй- ны с полыми щупатми для измерения коэффициента теплового расширения образца. 1 ил. . ;о

Формула изобретения Система для исследования теплофизи- ческ/ix свойств твердых материалов, содержащая импульсный лазер, соединенный с блоком управления и оптически сопряженный : фронтальной поверхностью исследуемого образца, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотодетектор, выход которого через первый усили- тельгформирователь соединен с входом осциллографа и с первым входом компьютера, оптически связанный с излучением импульсного лазера фотоэлемент, выход которого через триггер соединен с входом синхронизации осциллографа и с дискретным входом компьютера, отличающ а яс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, дополнительно введены котировочный лазер, измеритель толщины образца, состоящий из двух полых щупов, соединенных с датчиком перемещения, выход которого соединен с вторым входом компьютера, а ось каналов щупов совпадает с осью луча лазера, диафрагма, установленная после Шла4 заднего щупа, звукосниматель, закрепленный на этом же щупе, выход которого соединен с входом второго усилителя-формирователя, два вычислительных устройства для анализа фронта сигналов, выходы которых соединены с цифровыми входами компьютера, входы вычислительных устройств соединены через разделительные конденсаторы с выходами первого и второго усилителей-формирователей, входы запуска вычислительных устройств подключены к

выходу триггера, а блок управления лазера соединен двухсторонней связью с компьютером.