利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法

摘要

利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法，本发明涉及一种测量半透明材料热物性参数的方法。其步骤为：激光照射半透明材料的一侧表面，利用热电偶测温仪测量并记录材料两表面温度随时间的变化，同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号和激光出射侧的半球透射辐射信号。根据激光透射辐射信号、反射辐射信号以及两表面随时间变化的温度，通过逆问题求解技术获得半透明材料的吸收系数、散射系数和导热系数。本发明通过建立测量半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数的正、逆问题模型，能简单、快速、准确的利用逆问题求解技术同时测量半透明材料吸收系数、散射系数和导热系数。

主权项

一种利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号测量半透明材料热物性参数的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：步骤一、将待测半透明材料制作成厚度为δ的扁平试件，将激光器对准试件左侧中心，并使激光方向垂直于试件表面，并且分别将两只连接到热电偶温度测量仪上的热电偶探头固定在试件左右两侧；步骤二、打开脉冲激光器对试件左侧表面进行一个脉冲的加热，与此同时使用热电偶测温仪同步测量得到左侧激光入射表面温度随时间的变化为Tw1(t)，右侧表面温度随时间的变化为Tw2(t)，并且同步使用激光功率计分别测量试件激光入射侧的半球反射辐射信号QR(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号QT(t)；其中测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度tp；步骤三、根据逆问题算法假设待测材料的吸收系数κa、散射系数κs和导热系数λ；通过对稳态辐射传输方程(1)和瞬态导热微分方程(2)的耦合求解，得到在假设吸收系数κa、散射系数κs和导热系数λ条件下的材料两侧面边界温度响应估计值T′w1(t)和T′w2(t)，以及激光入射侧的半球反射辐射信号估计值Q′R(t)和激光出射侧的半球透射辐射信号估计值Q′T(t)； ∂ I ( x , Ω ) ∂ x = - βI ( x , Ω ) + κ a I b ( x ) + κ s 4 π ∫ 4 π I ( x , Ω ′ ) Φ ( Ω ′ , Ω ) d Ω ′ - - - ( 1 ) 式中，I为辐射强度；x为距离；Ω为立体角；β为衰减系数；κa为吸收系数；κs为散射系数；Φ(Ω′,Ω)为散射相函数； ρc p ∂ T ∂ t = λ ∂ 2 T ∂ x 2 - ∂ q r ∂ x - - - ( 2 ) 式中，T为温度；ρ为材料密度；cp为材料比定压热容；λ为导热系数；qr为辐射项热流；步骤四、将步骤二得到的左边界温度测量值Tw1(t)，右边界温度测量值Tw2(t)，半球反射信号测量值QR(t)以及半球透射信号测量值QT(t)和步骤三得到的左边界温度估计值T′w1(t)，右边界温度估计值T′w2(t)，半球反射信号估计值Q′R(t)以及半球透射信号估计值 Q′T(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值Fobj； F obj = Σ i = 1 N [ T w 1 ′ ( κ a , κ s , λ , t i ) - T w 1 ( κ a , κ s , λ , t i ) T w 1 ( κ a , κ s , λ , t i ) ] 2 + [ T w 2 ′ ( κ a , κ s , λ , t i ) - T w 2 ( κ a , κ s , λ , t i ) T w 2 ( κ a , κ s , λ , t i ) ] 2 [ Q R ′ ( κ a , κ s , λ , t i ) - Q R ( κ a , κ s , λ , t i ) Q R ( κ a , κ s , λ , t i ) ] 2 + [ Q T ′ ( κ a , κ s , λ , t i ) - Q T ( κ a , κ s , λ , t i ) Q T ( κ a , κ s , λ , t i ) ] 2 步骤五、判断步骤四中的目标函数值Fobj是否小于设定阈值ξ，若小于，则步骤三中所假设的半透明材料的吸收系数κa、散射系数κs和导热系数λ即为该待测材料的真实吸收系数、散射系数和导热系数；若大于，则返回步骤三，重新根据逆问题算法假设材料的吸收系数κa、散射系数κs和导热系数λ的设定值，并重新计算，直至步骤四中的目标函数值Fobj小于设定阈值ξ，完成利用脉冲激光加热产生的瞬态光热信号的半透明材料吸收系数、散射系数以及导热系数的测量。