一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置

摘要

本发明公开了一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征是在复合结构的微悬臂梁中作为反光膜层的材料为铝或金；作为辐射吸收膜层的材料是氮化硅；激光经透镜会聚在反光膜层上反射到光信号接收器范围之内经信号传输线接至模数转换器将变化的电压信号转化为数字信号，再输送到电脑计算出微悬臂梁两种材料之间的应力差与翘曲度的大小，进一步计算得出火灾辐射功率的大小。本发明基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置时间响应快，适于瞬态变化辐射热信号测量；非接触式测量，对目标无干扰、测量精度高；双材料微悬臂梁敏感器件采用真空腔封装，不受环境因素及被测目标的损伤、污染等影响，适用于火灾等热灾害现场使用。

主权项

1.一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，包括：壳体(6)内壁上设有支架(8)，模数转换器(1)、激光器(3)、透镜(4)和光信号接收器(9)固定在支架(8)上；其特征在于：内部抽成真空的腔体(10)密闭固定在壳体(6)的透明下端面(5-2)上，真空腔体(10)朝向激光器(3)的方向设有透明窗口(5-1)；所述激光器(3)发出的入射光(B1)经透镜(4)后会聚在微悬臂梁(11)的梁体(D)的反光膜层(C1)上；光信号接收器(9)置于可接收到反光膜层(C1)产生的反射光束(B2)形成光斑位置范围之内；所述微悬臂梁(11)包括上表面镀有双材料薄膜的单晶硅基底(C3)和在基底(C3)上表面向一侧探出的双材料复合薄膜微悬臂梁梁体(D)，该双材料微悬臂梁梁体(D)为由铝层和氮化硅层或由金层和氮化硅层所构成的双层复合平面板；梁体(D)长百微米至千微米量级，宽十微米至百微米量级，双层复合平面板各层厚千纳米至微米量级；单晶硅基底(C3)长毫米量级到厘米量级，宽十微米至百微米量级，厚百微米量级，梁体(D)的长度与基底(C3)的长度之比为1:100至1:1；其中作为反光膜层(C1)的材料为铝或金；作为辐射吸收膜层(C2)的材料是氮化硅；所述光信号接收器(9)将接收到的光信号转换为电压信号经信号传输线(7)传输至模数转换器（1）转换为数字信号后，再经数据线(2)输送至电脑(12)，根据所记录下来的信号的变化计算辐射功率大小：根据由斯托尼方程、热变形理论公式和球形面积公式推导得到微悬臂梁梁体的翘曲距离通过测得微悬臂梁梁体翘曲距离Δz的大小，得出辐射热源的辐射功率P_f的大小；式中k是与微悬臂梁相关的特性参数，L是微悬臂梁的长度，R是微悬臂梁距热辐射源的距离，P_f表示热辐射源的功率大小，η是微悬臂梁辐射吸收膜层(C2)的辐射吸收系数。