Способ измерения коэффициента температуропроводности Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области экспериментальной техники измерения тепло- физических свойств веществ и материалов 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 (О, то по сдвигу фаз колебаний температурной волны Ay на противоположной поверхности однородного образца толщиной I можно определить температуропроводность такового образца а по формуле

Я ш

(141Др- 1,11f

ксло-в с мараьюсосо, то ой ноноко(1)

В качестве источников, создающих температурные волны, наиболее часто используются модулированные электронные или лазерные лучи. При этом в качестве регист- с рирующих устройств применяются термо- электрические либо фотоэлектрические 1 преобразователи.

Малая чувствительность термопар водит 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 сб- разцом исключает применение этого типа датчиков для методов неразрушающего контроля (например, при исследовании теп- лофизических свойств тонких пленок в радиоэлектронной промышленности и т. п.).

Для регистрации температурных воли на поверхности твердых тел широко испог, „00 N5 ND О СЛ 00

зуются фотоэлектрические преобразователи (фотодиоды, фотосопротивления и т. п). Однако, этот бесконтактный способ регистрации температурных волн также имеет существенный недостаток. Он обусловлен тем, что фотоприемники чувствительны к определенному спектру 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 определения температуропроводности твердых тел 2, основанный на создании темпера- турной волны в плоскопараллельной пластинке толщиной I и измерения сдвига фаз температурной волны на противоположной стороне, что позволяет определить коэффициент температуропроводности по формуле (1). Сущность способа состоит в следующем. Источником модулированного потока является лазер, модулированный модулятором и звуковым генератором. Энергия лазера, модулированная по закону:

I IO + IN cos wt.

(2)

облучает переднюю поверхность образца (выполненного в виде плоскопараллель- ной пластины). К противоположной поверхности температурная волна приходит со сдвигом по фазе tup , который и позволяет по соотношению (1) определить коэффициент температуропроводности об- разца. При этом колебания температуры регистрируются фотоприемником и через усилитель поступают на амплитудно-фазовый измеритель, работающий по принципу синхронного детектирования. Сигнал, про- порциональный сдвигу фаз, регистрируется и обрабатывается устройство, в качестве которого используется микро-ЭВМ.

Существенным недостатком изложенного способа является зависимость величи- ны теплового импульса от температуры разогрева исследуемого материала, что диктуется параметрами чувствительности фотоприемника, что приводит к необходимости увеличения площади разогревающего свето- вого пятна, что приводит к снижению точности, а подход к нижним границам чувствительности фотоприемника приводит к резкому снижению точности способа, поэтому погрешность подобных измерений, особенно вблизи ниж- ней границы работы фотоприемника, может достигать десятков процентов 2.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширения класса исследуемых объектов при измерении коэффициента температуропроводности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем нагрев материала лучом модулированной частоты, зондирование, материала лазерным лучом со стороны, противоположной точке нагрева и регистрацию запаздывания по фазе температурной волны, что к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондирующий лазерный луч, отраженный от поверхности пленки, делят на два, формируют с помощью интерферометра Майкельсона интерференционную картину, и по смещению интерференционных полос относительно точки наблюдения определяют запаздывание по фазе температурной волны.

Пропускание луча через интерферометр позволит разделить его на два составляющих луча, один из которых направляют на тонкую пленку, прикрепленную к материалу. Тонкая пленка, воспринимая все изменения, происходящие в материале от теплового воздействия на него, начинает дышать, т. е. как бы отделяясь или приближаясь к интерферометру, изменяя тем самым длину сигнального луча, отражающегося от пленки. Таким образом, сигнальный луч через тонкую пленку, получает всю информацию о тепловых изменениях в материале, которую несет в интерферометр, он объединяется с второй частью сигнального луча получаем интерференционную картину.

Использование тонкой пленки, как элемента, реагирующего на тепловые изменения в материале, позволяет использовать способ для материалов любой формы, т. к. не составит труда прикрепить тонкую пленку.

Все выше сказанное позволяет сделать вывод, что применение предлагаемого способа позволит повысить точность измерения и расширить класс исследуемых материалов.

На чертеже изображено предлагаемое устройство для реализации предлагаемого способа, общий вид.

Устройство состоит из теплового лазера 1, соединенного с обтюратором 2, насаженным на ось генератора-модулятора 3, и производящего нагрев материала 4 с прикрепленной к нему пленкой 5, из теплового лазера б испускающего сигнальные лучи, интерферометра 7, регистрирующего устройства 9, усилителя 10, который связан с амплитудно-фазовым измерителем 11. который соединен с ЭВМ 12.

С помощью устройства способ осуществляется следующим образом. Излучение непрерывного теплового лазера 1 модулируется обтюратором 2, насаженным на ось генератора-модулятора 3 так, что в точке (X - Хо) создается периодическое тепловое воздействие:

q - qo cos a) t(3)

Это периодическое тепловое воздейст- вие приводит к распространению температурной волны по поверхности образца 4. Сигнальный луч лазера, проходя через интерферометр 7, делится на две части луча одна из которых направляется на исследуе- мый материал и, попадая на тонкую пленку, воспринимает всю информацию о скорости прохождения тепловой волны через исследуемый материал, отражается и, воссоединяясь со второй частью сигнального луча, попадает в регистрирующее устройство 9, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем 10 и поступает в амплитудно-фазовый измеритель 11, в котором производится измерение сдвига фаз &р, после этого информация поступает в ЭВМ 12, где с использование формулы (1) вычисляется коэффициент температуропроводности.

Предлагаемый способ позволяет изме- рять коэффициент температуропроводности для исследуемого тела любой конфигурации и в условиях бесконтактных измерений увеличивает точность определения коэффициента температуропроводности металлов, сплавов, конструкционных материалов, покрытий, тонких пленок, элементов микроэлектронной техники в широком интервале температур (включая области низких и высоких температур).

Формула изобретения

Способ измерения коэффициента температуропроводности, включающий нагрев материала лучом модулированной частоты, зондирование материала лазерным лучом со стороны, противоположной точке нагрева, и регистрацию запаздывания по фазе температурной волны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения класса исследуемых объектов, к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондирующий лазерный луч, отраженный от поверхности пленки, делят на два, формируют с помощью интерферометра Майкельсона интерференционную картину, и по смещению интерференционных полос относительно точки наблюдения определяют запаздывание по фазе температурной волны.

Изобретение относится к способам измерения коэффициента температуропроводности веществ и материалов с использованием лазерного сьема информации. Сущность изобретения: к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондируют материал л а- зерным лучом, отраженный от материала луч ; - делят на два и формируют с помощью интер-01 1 ферометра Майкельсона интерференционную3 ш картину, а по смещению интерференционных 0 полос относительно точки наблюдения опрЪ- г деляют запаздывание по фазе температурной волны. 1 ил.